Development of advanced components for safety footwear - Integrated manufacturing methodology driven by impact events in mechanical design

Abstract

A biqueira de proteção trata-se de um componente integrante do calçado de segurança como Elemento de Proteção Individual, com caraterísticas técnicas de resistência mecânica exigidas segundo um contexto normativo. Tal, condiciona o desenvolvimento do conceito de produto. O presente trabalho de investigação, em associação com o projeto cofinanciado S3 – Safety Slim Shoe, almejou o desenvolvimento de uma abordagem multidisciplinar para um novo modelo de alta performance com metas relevantes em modelação concetual e na redução de peso. O estudo de propriedades qualificadas de resistência ao impacto explorou o potencial de soluções combinadas de aços avançados de alta resistência com modelos geométricos para o endurecimento localizado. A resposta estrutural sob uma acentuada otimização de espessura foi avaliada, possibilitando assim, uma discussão orientada na procura de melhorias em modelos com capacidade de absorção de energia. Três materiais distintos UHSS ferrítico-martensíticos foram selecionados e desenvolveu-se a modelação numérica com foco na elevada deformação plástica e na influência de diferentes taxas de deformação. A relação matemática do comportamento dinâmico foi analisada através da aplicação de dois modelos fundamentais constitutivos: A equação de Cowper-Symonds e a equação de Johnson-Cook. Os resultados experimentais obtidos a partir de testes à tração segundo diferentes intervalos de taxa de deformação foram utilizados de forma a determinar parâmetros constitutivos para a caraterização dos materiais. Estes modelos de material foram incorporados em rotinas de simulação numérica de eventos dinâmicos com recurso ao software ANSYS (Explicit Dynamics). A análise com elementos finitos e o desempenho experimental em protótipos reais foram aplicados a dois modelos de biqueira S3, devidamente selecionados a partir do programa de desenvolvimento S3, segundo diferentes variantes combinadas de material e espessura, para uma avaliação de desempenho, a sua adequação e a precisão obtida. Os resultados numéricos e experimentais promoveram uma caracterização comportamental consistente com modelos de deformação que contribuíram, de forma crítica, para a maturidade de desempenho dos protótipos finais. Apresenta-se e valida-se assim um novo componente – biqueira de proteção – que atesta um rácio, melhorado e eficiente, de absorção de energia ao impacto por unidade de peso.

The safety toe cap is a key integrant component in the professional footwear from Personal Protective Equipment (PPE) with demanding strength and technical features according to normative requirements. These factors have been strongly conditioning the product concept. The presented research work in association with the co-financed project S3 – Safety Slim Shoe planned to develop an integrated approach for an ultimate high-performance toe cap model with significant milestones in slim design and weight saving. The study of crashworthiness properties was performed through impact-crash test conditions exploring the potential of applicant solutions by the combination of advanced high-strength steels and enhanced geometric stiffening models. The structural response for a significant thickness reduction was in-depth assessed and provided an evolved discussion for improvements in energy absorption capacity. Three different UHSS steels were selected and numerical modelling with extensive plastic deformation and strain-rate dependence was performed. The mathematical description of the dynamic plasticity behaviour was examined by applying two fundamental constitutive models: the Cowper-Symonds and Johnson-Cook constitutive equations. Experimental results of tensile testing at different strain rate ranges of interest were obtained to further determine fundamental constitutive parameters for the material characterization. These studied material models were incorporated and used in the numerical simulation of impact events using the explicit dynamics software ANSYS. FEA results were compared with the experimental test performance achieved by experimental toe cap prototypes made from a S3 prototype manufacturing program. In this context, two ultimate S3 toe cap models with different combinations of material and thickness optimization were considered and the accuracy and adequacy of the equivalent numerical predictions were evaluated. The comparison of the numerical and experimental results allowed to develop a consistent description of the material behaviour, the deformation pattern of structural models, and thus contributing with critical inputs for the final prototype development. A local stiffening toe cap solution with high energy absorption efficiency is presented and validated in this study.