Reproducible mechanical tests have been developed to characterize shoes performance in terms of bending and torsion stiffness and heel energy absorption. The use of smart materials, and particularly STF, to improve the shoes performance is discussed.

1. Valentin Chapuis Etienne Landry-Desy
Alexandre Durussel Christophe Swistak
Chaussures de sport:
Matériaux et performances
18.12.08

2. Plan
• Tests réalisés
– Description
– Résultats
– Discussion
• Solutions Matériaux
– Shear Thickening Fluids STF
– Composite Thermoplastique / Fibre de
verre (TP/GF)

3. Chaussure type

4. Tests réalisés (I)
• Compression sur le talon
– Cyclique
• Stabilisation après 5 cycles
– Absorption d’énergie

5. Compression

6. Compression

7. Tests réalisés (II)
• Flexion 3 points
– Energie absorbée
– Rigidité en flexion
– Parties A, B et AB

8. Flexion A

9. Flexion B

10. Tests réalisés (III)
• Test cantilever 30°
– Rigidité de l’avant du pied
(joint MP - hallux)
– Moment appliqué pour obtenir
30° de rotation

11. Cantilever 30°

12. Cantilever 30°
30°
MP

13. Tests réalisés (IV)
• Torsion
– Intérieure / extérieure
– Rigidité en torsion

14. Torsion

15. Torsion

16. Méthode de calcul
Rigidité
R = ΔF/ Δz

17. Compression : énergie absorbée

18. Compression : angle de dorsiflexion

19. Compression : split de la semelle
Energie absorbée par les différents composants de la semelle
EVA Blanc Ext. Noir
1.4
Dorsi 1 Dorsi 5
Chaussure complète dorsi 1 Chaussure complète dorsi 5
1.2
1
Energie absorbée [J]
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Elements Dorsi 1 Chaussure Dorsi 1 Elements Dorsi 5 Chaussure Dorsi 5

20. Rigidité : flexion A
Flexion 3 points, partie A
35 Springboost
29.6
30
Intérieur
25 23.8
Rigidités [N/mm]
20.9
Course
20
16
15.2
15 14.2
13.1
10.8 11.4
10
5
0
Asics Saucony Stabil Dragon Asics B-train B-spike Old B- New B-
course Volley volley volley

21. Rigidité : flexion B
Flexion 3 points, partie B
Intérieur
25
Course 23.1
21.3
20
18.3
17.3
16.2
Rigidités [N/mm]
15 14.3
10.2 9.9
10
6.3
5
0
Asics Course Saucony Adidas Stabil Nike Dragon Asics Volley B-Spike New B-Volley Old B-Volley B-Train Dorsi
Course Dorsi 2 Dorsi 2 3

22. Rigidité : flexion AB
Flexion 3 points, partie AB Concurrence:
Chaussures d'intérieur
14 13.1
12.9
12.5
12
10
Rigidité EI [N/mm]
Concurrence: 8.3
8.1
Chaussures de course
8
5.9 5.8
6
4 3.7
1.8
2
0
Asics Saucony Adidas Nike Asics B-Spike Old B- New B- B-Train
Course Course Stabil Dragon Volley Volley Volley

23. Energie absorbée :flexion A
Flexion 3 points, partie A
0.7 Intérieur
0.595
0.6
0.538
Course
0.5
Energie absorbée [J]
0.434 0.456
0.423
0.4
0.329
0.3 0.262
0.236
0.2 0.166
0.1
0
Asics Saucony Stabil Dragon Asics B-train B-spike old B- new B-
volley volley volley

24. Energie absorbée :flexion B
Flexion 3 points, partie B
Course
0.6
0.51 0.51
0.5 0.47
Energie dissipée [J]
0.4
0.3 Intérieur
0.19
0.2
0.14 0.14
0.12
0.1 0.08 0.08
0
Asics Course Saucony Adidas Stabil Nike Dragon Asics Volley B-Spike New B- Old B-Volley B-Train Dorsi
Course Dorsi 2 Volley Dorsi 3
2

25. Energie absorbée :flexion AB
Flexion 3 points, partie AB
0.6
0.55
0.5
Energie absorbée [J]
0.4
Course
0.3 Intérieur
0.21
0.2
0.13 0.14
0.12
0.1 0.07 0.08 0.07
0.06
0
Asics Course Saucony Adidas Stabil Nike Dragon Asics Volley B-Spike New B- Old B-Volley B-Train
Course Volley

26. Rigidité : cantilever 30°
Cantilever 30°
7
6.1
6
5.5
5 4.8
Rigidité (N/mm)
Intérieur 3.9
4
Course
3.2
2.9
3
2.5
2.3
2 1.8
1
0
Asics course Saucony Adidas Stabil Nike dragon Asics volley B-Train B-Spike Old B-Volley New B-Volley
course

27. Energie absorbée : cantilever 30°
Cantilever 30°
0.9
0.85
0.82
Intérieur
0.8
0.69
0.7
0.61
0.6 0.57 0.57
Energie absorbée [J]
0.5 Course
0.4
0.35 0.35
0.33
0.3
0.2
0.1
0.0
Asics Saucony Adidas Nike Asics B-Train B-Spike Old B- New B-
course Course Stabil Dragon Volley Volley Volley

28. Rigidité : torsion
Torsion
Intérieur
60
53.4
50 Course
41.8 42.7
37.3
Rigidité [Nm/rad]
40
35.1
31.5
26.4 29.9 26.9
30
20
10
0
Asics Saucony Adidas Nike Asics B-Spike Old B- New B- B-train
course course Stabil Dragon Volley volley volley

29. Pause !
10 secondes pour souffler après
tous ces graphiques…

30. Analyse des résultats (I)
Flexion AB // Rigidité vs Energie absorbée
600
B-Train
500
Energie absorbée [mJ]
400
300
Saucony
200
Dragon Stabil
Asics C B-Spike
100
New B-Volley
Asics V
Old B-Volley
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Rigidité [N/mm]

31. Analyse des résultats (II)
Rigidité vs énergie absorbée
700.0
Flexion A
Stabil
New B-Volley Flexion B
600.0 Flexion AB
Dragon
Energie absorbée E [mJ]
500.0
B-Train Saucony
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0
Rigidité R [N/mm]

32. Analyse des résultats (III)
Cantilever // Energie vs Rigidité
900
B-Spike
Old B-Volley
800
700
Asics V
Energie [mJ]
B-Train
600
Stabil New B-Volley
500
400
Saucony Dragon
300 Asics C
200
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
Rigidité [N/mm]

33. Analyse des résultats (IV)
Rigidités // Cantilever vs Flexion A
7
B-Train
6
Rigidité Cantilever [N/mm]
B-Spike
5
New B-Volley
4
Old B-Volley
Asics V
3
Dragon
Asics C
Stabil
2
Saucony
1
5 10 15 20 25 30 35
Rigidité Flexion A [N/mm]

34. Analyse des résultats (V)
Rigidité // Torsion vs Flexion B
60
55
Asics V
Rigidité Torsion [Nm/rad]
50
45
B-Spike
Stabil
40
Asics C
35 Old B-Volley
New B-Volley
30
Dragon
B-Train Saucony
25
20
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Rigidité Flexion B [N/mm]

35. Confort vs performances
Solution envisagée : Shear Thickening Fluid STF

36. Qu’est-ce que le STF ?
• Fluide capable de se
rigidifier sous certains
types de sollicitation
– Déformation en
cisaillement
– Fréquence / amplitude

37. Shear Thickening Fluid
>> D
La preuve :
• Améliore l’amortissement >> η
• Augmente la rigidité
Christian Fischer, thèse EPFL (2007)
Peut-on utiliser le STF pour améliorer le
confort et avoir de bonnes performances ?

38. Méthode
• Challenge
– avoir une rigidité suffisante tout en augmentant le
confort
• Solution
– Trouver un design de structure sandwich qui
permette d’obtenir la même rigidité
Chaussure Structures
Springboost sandwich avec STF
D
déterminé par D
essais flexion

39. Structures sandwich
• Structure sandwich
EVA injecté
EVA mousse STF
en plaques
• Structure sandwich
avec cœur taillé en STF
dents de scie
• Structure sandwich Fibres de
avec fibres et STF
verre + STF
à l’interface

40. Tests
• UTS : flexion à différentes vitesses
– Déterminer la rigidité, activation du STF
• VBT: vibrations à différentes fréquences
Rigidification
Amortissement
Half-power bandwith method

41. Résultats UTS
• Fibres: rigidité augmente avec la vitesse activation du STF à l’interface
• Dents-de-scie / plaques: pas d’activation, vitesse de cisaillement trop faible

42. Résultats VBT (I)
• Structure sandwich en plaques
Référence – sans STF : Coefficient de rigidification = 1.8
Référence – avec STF : Coefficient de rigidification = 6.9

43. Résultats VBT (II)
• Structure sandwich taillée en dents de scie
Référence – sans STF : Coefficient de rigidification = 16.4
Référence – avec STF : Coefficient de rigidification = 18.9

44. Résultats VBT (III)
Avec le STF l’effet de rigidification est maintenu pour différentes amplitudes

45. Résultats VBT (IV)
• Structure sandwich avec fibres et STF à l’interface
Référence – avec STF : Coefficient de rigidification = 41.3

46. Résultats VBT (V)
ηplaque > ηdents-de-scie > ηfibres

47. Conclusion STF
• Coefficient de rigidification k entre
la référence et structures sandwich
avec STF:
kfibres > kdents de scie > kplaques
• Amortissement:
ηplaque > ηdents de scie > ηfibres

48. Perspectives
Quel type de
chaussure pour:
Fréquences = ? Choix de la structure
•Volley Amplitude = ? sandwich avec STF
•Running
…
Ex: 20% de rigidification
Est-ce suffisant pour le percevoir, ressentir le confort et la performance ?

49. TP/GF
• Fibres imprégnées puis
déposées par robotique et
surinjectées
• Différents types de
renforts
– UD  Rigidité en flexion
– Tissé  Rigidité en torsion
• Renforts localisés
– Géométrie libre
– Inconfort localisé ?

50. Conclusions
• Tests mécaniques reproductibles
développés
• Chaussures Springboost caractérisées
par rapport à la concurrence
• Des matériaux actifs peuvent être
utilisés pour adapter les propriétés en
fonction des sollicitations.

51. Remerciements
Springboost LTC
• Aimée Challande • P.-Etienne Bourban
• David Bourgit • François Bonjour
• Jörg Fuchslocher • Cristian Neagu
• Julien Carron