Ansysのような有限要素解析ソフトウェアは、靴底の耐滑性をシミュレートするためにどのように応用されますか？安全性を向上させ、グリップを最適化する

Ansys有限要素解析（FEA）は、靴のトレッドと床面の間の機械的相互作用を数学的にモデル化する仮想環境を作成することにより、靴底の耐滑性をシミュレートします。 70,000 Paの歩行圧力や定義された摩擦係数などの特定の境界条件を適用することにより、エンジニアは結果として生じるソールの変位を測定できます。このデジタルアプローチにより、設計者は高価な物理的プロトタイプをすぐに必要とせずに、安全性とグリップのためにトレッドパターンを最適化できます。

主なポイント： FEAは、複雑な物理的な歩行ダイナミクスを測定可能なデジタルモデルに変換し、エンジニアが特定のトレッド形状が圧力と摩擦にどのように反応するかを分析することで、靴の耐滑性を予測できるようにします。

仮想テストの基盤：3Dモデリング

正確なジオメトリプロトタイプの作成

Ansysでのシミュレーションを開始する前に、通常はSolidWorksのようなCADソフトウェアを使用して、高忠実度の3Dモデルを作成する必要があります。

専門家は、工業的に関連性のあるスケールを確保するために、Paris Point size 41のような標準的なラストに基づいて靴をモデル化します。

トレッドの高さ、ギャップの間隔、およびソールの総厚を含むトレッドのすべての詳細が正確に表現され、FEAのジオメトリの基盤として機能します。

材料特性の定義

デジタルモデルは、ゴムやポリウレタンのような実際の材料のように振る舞う必要があります。

この段階では、ソフトウェアに弾性や密度などの物理的特性が割り当てられ、応力下で材料がどのように変形するかが決まります。

正確な材料定義がないと、シミュレーションはトレッドが表面に「食い込む」または「滑る」様子を確実に予測できません。

デジタル環境での人間の歩行の再現

現実的な境界条件の適用

人間の歩行をシミュレートするために、Ansysは靴底モデルに垂直圧力（通常は70,000 Paに標準化）を適用します。

シミュレーションには、歩行中の踵が地面に当たる特定の瞬間を模倣するために、しばしば17度に設定される着地角度も組み込まれています。

これらのパラメータにより、仮想テストは、現実世界での「滑って転ぶ」事故につながる実際の力を反映することが保証されます。

摩擦相互作用のシミュレーション

ソフトウェアは、利用可能な摩擦係数（ACOF）に基づいて、ソールと床の間の相互作用を計算します。

エンジニアは、水や油などのさまざまな床タイプまたは汚染物質を表す特定の変数を入力します。

約0.5メートル/秒のスライディング速度をシミュレートすることにより、ソフトウェアはトレッドブロックが運動エネルギー下でどのように曲がり、動くかを観察できます。

変位によるパフォーマンスの分析

構造安定性の測定

FEAで耐滑性を評価するための主な出力は、変位解析です。

Ansysは、歩行圧力が床の摩擦抵抗に対して適用されたときに、ソール材料がどれだけ移動または「クリープ」するかを追跡します。

高応力下での変位が小さいことは、安定した高グリップ設計を示しますが、過度の移動は滑るリスクが高いことを示唆します。

設計上の弱点の特定

Ansys内の視覚化ツールにより、エンジニアはソール全体の応力とひずみの「ヒートマップ」を表示できます。

これらのマップは、どの特定のトレッドブロックが適切なサポートを提供できていないか、または水が閉じ込められてグリップを低下させる可能性のある場所を強調します。

このデータにより、設計者は単一のトレッドグルーブを微調整して数分で再テストできる迅速なイテレーションが可能になります。

トレードオフの理解

シミュレーション精度と現実世界の変数の比較

FEAはジオメトリの最適化において非常に正確ですが、複雑な環境汚染物質を完全に再現するには苦労する場合があります。

床の微細なテクスチャやゴムの経時的な化学的劣化などの変数は、100％の確実性でモデル化するのが困難です。

さらに、デジタルモデルは「完璧な」歩行を仮定しますが、人間の歩行パターンは非常に変動的で予測不可能です。

物理的検証の必要性

デジタルシミュレーションは、物理的テストの完全な代替ではなく、フィルタリングツールとして見なされるべきです。

最も高度なAnsysモデルでさえ、靴が安全基準（通常はACOFが0.3以上）を満たしていることを確認するために、ポータブルペンデュラム摩擦テスターを使用した最終検証が必要になることがよくあります。

物理的なクロスチェックなしにソフトウェアのみに依存すると、乱雑でモデル化されていない現実世界の状況で失敗する「過度に最適化された」設計につながる可能性があります。

設計ワークフローへのFEAの適用

目標に合わせた適切な選択

フットウェア開発におけるFEAの価値を最大化するために、シミュレーション戦略を特定の目標に合わせます。

主な焦点が迅速なプロトタイピングである場合： SolidWorksとAnsysを使用して、仮想環境で複数のトレッドジオメトリをテストし、不良設計を早期に排除します。
主な焦点が安全認証である場合： FEAを使用して応力点を特定しますが、ACOFが0.3の安全しきい値を満たしていることを確認するために、物理的なペンデュラムテストを優先します。
主な焦点が材料革新である場合： Ansysを使用してさまざまな弾性値を実験し、新しいゴムコンパウンドがソールの変位にどのように影響するかを確認します。

FEAを設計プロセスに統合することにより、推測をデータ駆動型の精度に置き換え、高性能で本質的に安全なフットウェアを実現します。

概要表：

シミュレーションステップ	主要パラメータ/値	FEAでの目的
ジオメトリモデリング	サイズ41 Paris Point (CAD)	分析のための正確なトレッドジオメトリを提供する
負荷印加	70,000 Pa (垂直圧力)	歩行中の人間の体重と圧力を模倣する
歩行角度	17度	重要な踵着地瞬間を再現する
滑り指標	変位と応力マップ	設計上の弱点と安定性を特定する
安全目標	> 0.3 ACOF	デジタル結果を安全基準と比較する

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参考文献

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

この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .