Designing a mass-spring system drop test for quantifying force attenuation properties of athletic footwear, using force-time curves from human locomotion.
Authors
ter Beek, Søren ; Møll, Jonas ; Frederiksen, Rasmus Hagen
Term
4. semester
Education
Publication year
2016
Submitted on
2016-06-03
Abstract
Denne afhandling adresserer en begrænsning i den gængse standard ASTM F1976 for test af skoaffjedring, som ikke kan gengive sportsspecifikke kraft-tidskurver eller kontrollere kontakt tid og belastningshastighed. Formålet var at designe, konstruere og validere en justerbar slag-enhed (Adjustable Impact Device, AID) baseret på et masse–fjeder-system, der kan efterligne krafttoppen i menneskelige bevægelser og dermed kvantificere skoenes evne til at dæmpe stød (defineret som procentvis reduktion af maksimal kraft i forhold til beton). En numerisk model blev udviklet til at bestemme kombinationer af faldhøjde, masse og fjederstivhed, som bedst matchede en kvadratisk tilpasning af hælisættets kraft-top fra en badmintondrop (lunge). AID’en blev konstrueret med justerbar faldhøjde, masse og fjederstivhed, og accelerationer blev målt med en ADXL193-accelerometeropsætning (48 kHz, Butterworth-filter 250 Hz). Ved validering mod beton (5 nedslag på 3 positioner, i alt 15) afveg den målte belastningsfase af kraft-tidskurven 2,24 % fra den simulerede model, hvilket opfyldte et foruddefineret nøjagtighedskriterium (<5 %). Enheden blev herefter anvendt til at teste tre badmintonssko under tre forskellige belastningsprofiler, hvor der blev observeret et crossover-fænomen: Skoen med størst dæmpning ved lav belastning gav den mindst ved høj belastning, og omvendt. Desuden blev det delvist bekræftet, at lige store krafttoppe opnået med forskellige belastningshastigheder kan give forskellige grader af kraftdæmpning. Samlet set viser studiet, at en justerbar masse–fjeder-drop-test kan reproducere sportsspecifikke kraft-tidskurver og afsløre, hvordan skoers dæmpning varierer med belastningsscenariet.
This thesis addresses a limitation of the ASTM F1976 footwear cushioning standard, which cannot reproduce sport-specific force–time curves or control contact time and loading rate. The aim was to design, build, and validate an adjustable impact device (AID) based on a mass–spring system to replicate the peak-loading portion of human movement force–time curves and quantify footwear force attenuation (defined as the percentage reduction of peak force relative to concrete). A numerical model was developed to identify combinations of drop height, mass, and spring stiffness that best matched a quadratic fit of the heel-strike peak from a badminton lunge. The AID was constructed with adjustable height, mass, and spring stiffness, and accelerations were recorded using an ADXL193 setup (48 kHz, Butterworth filter at 250 Hz). Validation on concrete (5 drops at 3 positions, 15 total) showed a 2.24% deviation between the measured loading phase and the simulated model, meeting a predefined accuracy threshold (<5%). The device was then used to test three badminton shoes under three different impact profiles, revealing a crossover effect: the shoe that attenuated the most at low impact attenuated the least at high impact, and vice versa. It was also partially confirmed that equal peak forces achieved with different loading rates can yield different levels of force attenuation. Overall, the study demonstrates that an adjustable mass–spring drop test can reproduce sport-specific force–time curves and expose how footwear cushioning performance depends on the loading scenario.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Keywords
Documents