L'analyse par éléments finis (FEA) d'Ansys simule la résistance au glissement des semelles de chaussures en créant un environnement virtuel où l'interaction mécanique entre la semelle d'une chaussure et une surface de sol est modélisée mathématiquement. En appliquant des conditions aux limites spécifiques, telles qu'une pression de marche de 70 000 Pa et des coefficients de friction définis, les ingénieurs peuvent mesurer le déplacement résultant de la semelle. Cette approche numérique permet aux concepteurs d'optimiser les motifs de semelle pour la sécurité et l'adhérence sans avoir besoin immédiat de prototypes physiques coûteux.
Point essentiel : La FEA transforme les dynamiques complexes de la marche physique en un modèle numérique mesurable, permettant aux ingénieurs de prédire la résistance au glissement d'une chaussure en analysant comment des géométries de semelle spécifiques réagissent à la pression et à la friction.
Les fondements des tests virtuels : la modélisation 3D
Création de prototypes géométriques précis
Avant de commencer la simulation dans Ansys, un modèle 3D haute fidélité doit être construit, généralement à l'aide d'un logiciel de CAO tel que SolidWorks.
Les spécialistes modélisent la chaussure sur la base de formes standard, telles qu'une pointure Paris 41, pour garantir que l'échelle est industriellement pertinente.
Chaque détail de la semelle, y compris la hauteur des crampons, l'espacement des rainures et l'épaisseur totale de la semelle, est représenté avec précision pour servir de base géométrique à la FEA.
Définition des propriétés des matériaux
Le modèle numérique doit se comporter comme des matériaux du monde réel, tels que le caoutchouc ou le polyuréthane.
À ce stade, le logiciel se voit attribuer des caractéristiques physiques telles que l'élasticité et la densité, qui dictent comment le matériau se déformera sous contrainte.
Sans définitions de matériaux précises, la simulation ne peut pas prédire de manière fiable comment la semelle "accrochera" ou glissera sur une surface.
Reproduction de la démarche humaine dans un environnement numérique
Application de conditions aux limites réalistes
Pour simuler un pas humain, Ansys applique une pression verticale, souvent normalisée à 70 000 Pa, sur le modèle de semelle de chaussure.
La simulation intègre également un angle d'attaque, fréquemment réglé à 17 degrés, pour imiter le moment précis où le talon frappe le sol pendant la marche.
Ces paramètres garantissent que le test virtuel reflète les forces réelles qui conduisent à des incidents de "glissade et chute" dans le monde réel.
Simulation des interactions par friction
Le logiciel calcule l'interaction entre la semelle et le sol en fonction du Coefficient de Friction Disponible (CFD).
Les ingénieurs saisissent des variables spécifiques pour représenter différents types de sols ou de contaminants, tels que l'eau ou l'huile.
En simulant une vitesse de glissement d'environ 0,5 mètre par seconde, le logiciel peut observer comment les blocs de la semelle fléchissent et se déplacent sous l'énergie cinétique.
Analyse des performances par le déplacement
Mesure de la stabilité structurelle
Le principal résultat pour évaluer la résistance au glissement en FEA est l'analyse du déplacement.
Ansys suit l'ampleur du mouvement ou du "fluage" du matériau de la semelle lorsque la pression de marche est appliquée contre la résistance au frottement du sol.
Un déplacement minimal sous forte contrainte indique une conception stable et à forte adhérence, tandis qu'un mouvement excessif suggère un risque élevé de glissade.
Identification des points faibles de la conception
Les outils de visualisation d'Ansys permettent aux ingénieurs de visualiser des "cartes thermiques" de contrainte et de déformation sur la semelle.
Ces cartes mettent en évidence les blocs de semelle spécifiques qui ne fournissent pas un soutien adéquat ou où l'eau pourrait être piégée, réduisant ainsi l'adhérence.
Ces données permettent une itération rapide, où un concepteur peut modifier une seule rainure de semelle et la retester en quelques minutes.
Comprendre les compromis
Précision de la simulation vs. variables du monde réel
Bien que la FEA soit très précise pour l'optimisation géométrique, elle peut avoir du mal à reproduire parfaitement les contaminants environnementaux complexes.
Des variables telles que la texture microscopique d'un sol ou la dégradation chimique du caoutchouc au fil du temps sont difficiles à modéliser avec une certitude de 100 %.
De plus, les modèles numériques supposent une démarche "parfaite", alors que les schémas de marche humains sont très variables et imprévisibles.
La nécessité de la validation physique
La simulation numérique doit être considérée comme un outil de filtrage plutôt qu'un remplacement total des tests physiques.
Même les modèles Ansys les plus avancés nécessitent généralement une validation finale à l'aide d'un testeur de friction pendulaire portable pour garantir que la chaussure respecte les seuils de sécurité (généralement un CFD supérieur à 0,3).
Se fier uniquement au logiciel sans vérification croisée physique peut conduire à des conceptions "sur-optimisées" qui échouent dans des conditions réelles complexes et non modélisées.
Application de la FEA à votre flux de travail de conception
Faire le bon choix pour votre objectif
Pour maximiser la valeur de la FEA dans le développement de chaussures, alignez votre stratégie de simulation sur votre objectif spécifique.
- Si votre objectif principal est le prototypage rapide : Utilisez SolidWorks et Ansys pour tester plusieurs géométries de semelle dans un environnement virtuel afin d'éliminer les mauvaises conceptions dès le début.
- Si votre objectif principal est la certification de sécurité : Utilisez la FEA pour identifier les points de contrainte, mais privilégiez les tests pendulaires physiques pour confirmer que le CFD atteint le seuil de sécurité de 0,3.
- Si votre objectif principal est l'innovation matérielle : Utilisez Ansys pour expérimenter différentes valeurs d'élasticité afin de voir comment de nouveaux composés de caoutchouc affectent le déplacement de la semelle.
En intégrant la FEA dans le processus de conception, vous remplacez les conjectures par une précision basée sur les données, ce qui permet d'obtenir des chaussures à la fois performantes et intrinsèquement plus sûres.
Tableau récapitulatif :
| Étape de simulation | Paramètre / Valeur clé | Objectif en FEA |
|---|---|---|
| Modélisation géométrique | Point Paris Taille 41 (CAO) | Fournit une géométrie de semelle précise pour l'analyse |
| Application de la charge | 70 000 Pa (Pression verticale) | Imite le poids et la pression humains pendant la marche |
| Angle de marche | 17 degrés | Reproduit le moment critique de l'impact du talon |
| Métriques de glissement | Cartes de déplacement et de contrainte | Identifie les points faibles de la conception et la stabilité |
| Objectif de sécurité | > 0,3 CFD | Compare les résultats numériques aux normes de sécurité |
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Références
- Farihur Raiyan, Md Samsul Arefin. Numerical Simulation of Slip Resistance of Shoe Sole Tread Patterns Using Finite Element Method. DOI: 10.38032/scse.2025.3.127
Cet article est également basé sur des informations techniques de 3515 Base de Connaissances .
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