高跟鞋鞋跟断裂：Marc仿真软件的应用实践

多家全球高级时尚鞋履品牌的领先鞋跟制造商，使用 Marc 软件对其产品进行结构分析。仿真意味着可以在项目开始时设计完美优化的原型几何形状，从而节省时间和金钱。

Marc软件来自海克斯康 | MSC软件公司，帮助 Tacchificio Villa Cortese 公司确定哪些更环保的替代材料适合其高度专业化的产品。该公司由Luigi Gazzardi 于1961 年创立，家族的三代人现在在这家意大利公司工作，在 60 年代和 70 年代通过生产木制高跟鞋获得的工艺仍然提供了丰富的经验知识，使他们能够适应灵活地满足客户和市场最多样化的需求。

高级时装业依靠专业知识来生产最优质的鞋子，将材料推向极致，创造出受欢迎的新鞋。

今天，制作真正出类拔萃的鞋子需要在工艺与最新技术、材料之间科学地取得平衡。原来的测试全部是手工完成的；几个原型被打印出来并安装在鞋子上，然后交给一个人试穿。之后，开发了物理的机械测试。而现在，他们越来越依赖结构模拟仿真——这正是使用 Marc 软件的原因。

图 1: 研发部门将仿真软件、用于材料表征的实验室工具和物理测试相结合，以获得最佳结果。

Marc 是一款“非线性有限元分析软件”，可模拟复杂材料在大变形和应变下的特性和相互作用，非常适合探索塑料等材料的性能。自动二维和三维网格重新划分允许鞋跟制造商在结构发生显着变形时对其进行分析，并了解裂纹如何传播。“我们需要了解鞋子断裂的原因，因此，作为设计师，我们可以将材料发挥到极致，制作出更高更细的更复杂的鞋跟，并确信它们可以随时穿着，并且经久耐用，”Tacchificio Villa Cortese 的研发经理DavideCarminati 说。

通过Marc虚拟模拟鞋子的性能测试，使我们可以尝试更多的设计来调整和平衡工艺和性能，让我们对产品的质量充满信心，并在生产单个零件之前灵活地进行更多实验以制造出更好的产品。

从技术角度来看，高跟鞋可能面临几个关键问题：

•  静态负载下的损坏或断裂，例如用户在站立不动时

•   鞋跟固定在鞋子上时发生的断裂

•  易受金属嵌件损坏；作用于鞋跟的塑料部件，因为插入物会导致应力集中现象

•  由于疲劳导致的断裂，无论是由于缺陷导致破损，还是由于穿鞋时可能发生的粘弹性效应

仿真使 Tacchificio Villa Cortese 了解如何改进他们的产品，以及如何优化鞋跟的材料。在使用 Marc 之前，他们无法在原型制作之前确定产品形状（几何）中的问题，有时需要对多个原型进行测试以确定正确的几何形状。

通过仿真，他们可以设计优化鞋跟的几何形状，在项目初期平衡所有的设计性能，并且避免了不好的设计。

对于当今的高级时装公司而言，可持续性是一个重要趋势。即使根据定义，高级时尚比快速时尚更具可持续性，但仍有更多工作要做：引入合适的材料和工艺变得越来越紧迫。

此外，在瞬息万变且竞争激烈的时尚行业，按时为评论家和时装秀提供新款式是一项大生意。缩短上市时间至关重要，因为成品必须在预先确定的时尚季推出；这意味着截止日期非常紧迫。样品通常用于首次活动和走秀，但仍需要设计得尽可能与最终产品相似，以避免在生产过程中出现任何意外问题。

可回收、混合、生物基和可生物降解的生态材料正变得越来越流行，具有特定属性（例如透明度）的材料也越来越受欢迎。这些材料需要经过机械验证，因此 Tacchificio Villa Cortese 创建了一个数字孪生，以获得反映实际特征的计算反馈。此外，设计师有时会提出与经过测试的几何形状不同的新几何形状，因此在制作和测试原型之前通过模拟获得初步反馈很有用。

如果仅在对原型进行机械测试后才发现这些新鞋跟的结构问题，在生产过程中为时已晚，因为已经产生了成本和材料浪费，从而延迟了新鞋的供应。

图2：完成后的鞋跟准备组装到鞋子上

鞋跟断裂对顾客来说也是一个问题；最常见的问题是又细又高的鞋跟，主要是由于紧固失效或脱落，塑料开裂，以及金属嵌件的失效。

Tacchificio Villa Cortese 的物理测试包括机械横向冲击和疲劳，这些测试由外部认证机构针对 ISO法规进行评估。所有这些测试都可以用Marc 软件重现，这样设计师就可以直接通过计算机辅助设计 (CAD) 文件，根据几何形状进行初步评估。考虑到冲击的影响，公司还计划进行额外的内部测试，以及一次性压力（如绊倒和脚踝扭伤）测试，以及步行模拟。

图3：Marc 软件中的应力分析

他们的目的是使用仿真，在任何物理原型制作之前分析新产品的几何形状的性能，以在生产过程开始时发现问题。这可以节省时间和金钱，因为鞋子是通过虚拟方式完成的。“传统的手动测试意味着必须首先制造物理原型，但使用 Marc 软件在计算机上进行虚拟测试意味着可以调整设计，以平衡工艺和性能，让我们在制造单件产品之前对质量充满信心，” Davide Carminati 说。这也为我们提供了更大的灵活性，可以进行更多实验，并制造出更好的产品。

对单个鞋跟进行完整的鞋体疲劳测试需要将近五个半小时——加上 20 分钟的准备时间——花费超过 100 欧元，才能获得相关的测试证书。至少需要进行三项测试，使总时间长达 17 小时左右。

图4：使用 Marc 进行冲击分析

此外，制作用于样品生产的模具至少需要四个小时，平均使用 15 公斤原材料。“当然，如果测试不成功，这一切都将被浪费掉。”Davide Carminati 说。

图4，5 和6：  

Marc 软件中的冲击分析。

鞋后跟由外部、连接和脊柱组成，受钝物撞击。

虽然仿真时间因鞋跟和分析所需的详细程度而不同，但在中等复杂模型上模拟疲劳测试的等效静态结果通常需要大约 30 - 45 分钟。但 Davide Carminati 表示，即使是最轻微的困难也会大大增加时间，准确的分析可能需要更多的模拟。“真正的优势是尽早评估问题，从而避免对更多变量进行进一步测试的需要。即使优化分析需要一整天的时间，我们也可以避免使用特定模具或特定嵌件进行测试，这会花费更多时间和资源，并且仍然可能不成功。”

必须对来自品牌客户的设计需求进行评估以创建所需的形状，但同时要确保其强度足以承受使用。为此，他们需要了解材料在所有使用方式中的强度。仿真使他们能够探索其中的每一个设计，可以根据设计要求平衡形状和厚度，找到 “最佳匹配”。

如有必要，分析结果将用于指导CAD模型的再设计，然后将其发送给客户，并附上详细的分析报告。如果需要，还会生产增材制造的样机，并随几何体一起交付。

在产品生产过程的两个不同阶段使用仿真：

1.   材料特性

2.   按照设计师的指示，在几何、材料和工艺之间找到平衡，以获得结构上有效的形状。

例如，在一个新的项目提案中，Tacchificio Villa Cortese 被提供了一定厚度的设计，以及出于美学原因对后跟固定到鞋子的方法进行特定限制。建议的固定方法使其容易受到高应力的影响，因此鞋跟的几何设计和固定方式是至关重要的。通过 Marc 中的仿真，他们能够通过保持外部轮廓的尺寸相同来使内部更厚，同时研究并初步验证不同的固定策略。通过这种方式，他们找到了最细和最厚轮廓之间的权衡，并选择了合适的固定策略。“事实上，最终的鞋子测试性能与仿真预测的性能相一致。” Davide Carminati 说。“因此，我们在制造任何原型之前确定了解决结构问题的重点，从而避免了浪费，节省了时间。”

与位于卢卡的 IMT 高级研究学院合作，仿真不仅用于研究产品，还通过匹配样本的物理和虚拟性能来改进材料模型。此外，这有助于帮助使用可持续的环保材料：

• 生态替代品：具有与传统解决方案相当的性能的材料，但在合成和转化过程中节省资源和能源

• 从消费后或工业废物中回收材料

• 混合材料：部分聚合物，部分来自废物和/或可再生资源的材料

• 生物基，可生物降解

所有这些材料通常表现出比传统解决方案更差的机械性能，因此需要更广泛的机械验证来确定可能的改进，以及它们可以被安全地使用。

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