Aplicação da simulação computacional à aferição do comportamento mecânico de solas para calçado

Abstract

Nesta dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia de Polímeros, foi adotado um procedimento de análise mecânica baseado na simulação computacional. O seu foco central foi a aferição e aprimoramento do comportamento mecânico de solas fornecidas pelas empresas Procalçado e Atlanta. Esse esforço foi integrado a um processo de conceção e otimização que culminou na produção de solas e insertos de molde para calçado através de manufatura aditiva. A análise das solas permitiu verificar que o desempenho mecânico foi altamente influenciado pelas caraterísticas geométricas de cada sola. No caso das solas FlotActiv e Grade Convencional, fornecidas pela Procalçado, a propensão dos amortecedores da primeira para a flexão, quando sujeitas à compressão, resultou em deformações e deslocamentos superiores aos causados na estrutura de grade da segunda, ou seja, maior amortecimento e acomodação aos movimentos do calcanhar, além de uma distribuição de tensões mais uniforme face à maior área de contacto entre calcanhar e sola. Em contrapartida, a geometria mais rígida da Grade Convencional exibiu uma tendência à concentração de tensões para cargas idênticas. A abordagem de melhoria tomada para a Grade Convencional, redução da espessura da grade, refletiu-se num comportamento menos rígido, conforme desejado, mas resultou em tensões ainda mais intensas e concentradas, tornando-a inviável para qualquer função. Após um estudo de diversas configurações de amortecedores, efetuado com o intuito de tornar a FlotActiv menos suscetível ao colapso, identificou-se um amortecedor com rigidez duplicada. Este resultou da inclusão de uma protuberância traseira larga à forma original do amortecedor. Os ensaios de "Bennewart", que causaram a flexão da sola Helena da empresa Atlanta, permitiram identificar picos de tensões e pontos de potencial fraqueza, sobretudo na proximidade à linha de flexão. Destacaram-se as regiões de geometria côncava localizadas na sua superfície inferior, devido à sua curvatura e reduzida quantidade de material de suporte, assim como zonas de transição de superfície inferior para lateral, devido à descontinuidade no perfil geométrico ocorrida. Apesar dos diversos obstáculos enfrentados durante a realização da dissertação, incluindo restrições de tempo, problemas relativos à modelação, obtenção de resultados desfavoráveis e não cumprimento de alguns objetivos, demonstrou-se a viabilidade da simulação computacional como ferramenta de apoio à conceção e otimização de calçado. Ajudou a obter uma maior compreensão do impacto de parâmetros geométricos no desempenho mecânico, através de dados fundamentais difíceis de obter experimentalmente. Adicionalmente, em alguns casos, ficou evidenciado o seu potencial para melhoria da eficiência do processo de conceção e otimização.

In this Master’s dissertation in Polymer Engineering, a mechanical analysis procedure based on computational simulation was adopted. Its central focus was on the assessment and improvement of the mechanical behavior of soles supplied by the companies Procalçado and Atlanta. This effort was integrated into a design and optimization process that culminated in the production of soles and mold inserts for footwear through additive manufacturing. The analysis of the soles allowed verifying that the mechanical performance was highly influenced by the geometric characteristics of each sole. In the case of the FlotActiv and Conventional Grid soles, supplied by Procalçado, the propensity of the first’s dampers for flexion, when subjected to compression, resulted in deformations and displacements superior to those caused in the grid structure of the latter, meaning greater cushioning and accommodation to heel movements, as well as a more uniform distribution of stresses due to the greater contact area between heel and sole. In contrast, the stiffer geometry of the Conventional Grid exhibited a tendency towards stress concentration for identical loads. The improvement approach taken for the Conventional Grid, reducing the thickness of the grid, resulted in a less rigid behavior, as desired, but also in even more intense and concentrated stresses, making it unviable for any function. After studying various damper configurations, aimed at making the FlotActiv less susceptible to collapse, a damper with doubled stiffness was identified. This resulted from the inclusion of a wide rear protrusion to the original shape of the damper. The Bennewart tests, which caused flexion of the Atlanta company’s Helena sole, allowed identifying stress peaks and potential weakness points, especially near the flexion line. The concave geometry regions located on its underside stood out due to their curvature and reduced amount of support material, as well as transition zones from the underside to the side, due to the discontinuity in the geometric profile that occurred. Despite the various obstacles faced during the dissertation, including time constraints, modeling issues, obtaining unfavorable results, and not meeting some objectives, the feasibility of computational simulation as a tool to support the design and optimization of footwear was demonstrated. It helped to gain a better understanding of the impact of geometric parameters on mechanical performance, through fundamental data that are difficult to obtain experimentally. Additionally, in some cases, its potential for improving the efficiency of the design and optimization process was evident.