Biyomimetik yaklaşıma dayalı ayakkabı tabanlığı tasarımlarının sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Analysis of shoe sole designs based on biomimetics approach using finite element method
Yazar: BÜŞRA EREN
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Biyomimetiğe dayalı ayakkabı tabanlıkları tasarlanmıştır. Tasarımlar için sonlu elemanalar yöntemi kullanılmış olup ortaya çıkan analiz sonuçlarının ayakkabı tabanlığı için konfor faktörü ön plana çıkarılarak yorumlanması amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışmada biyomimetik ve ayakkabı tabanlığı hakkında literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalar neticesinde biyomimetik yaklaşıma dayalı ağaç kurbağası, gül modeli ve düz model ayakkabı tabanlıkları tasarlanmıştır. Tasarımlar sonlu elemanlar yöntemi ile deplasman, deformasyon ve gerilme gibi değerlerine bakılarak yorumlanmıştır.
Bulgular: Biyomimetik yaklaşıma dayalı ağaç kurbağası ve gül modeli ayakkabı tabanlıkları tasarlanmıştır. Tasarımlar düz model ayakkabı tabanlığı ile kıyaslanarak düz modelde arka ayak topuk bölgesi, orta ayak dışa bakan kısmı ve ön ayak parmak başlangıç sınırı ile orta ayak başlangıç bölgesinin arasında kalan alan, yüksek gerilme bölgesi ve yüksek deformasyon bölgesi olarak değerlendirilmiştir. Ağaç kurbağası ayakkabı tabanlığı modelinin daha geniş yüzeylere basması sebebiyle taban kısmında daha az gerilmeler meydana geldiği görülmüştür. Gül ayakkabı tabanlığı modelinde ise lokal bir iki noktada daha yüksek gerilmeler görülse de gerilmelerin çok daha eşit bir biçimde dağıldığı görülmüştür. Uygulanan gerilme ve deformasyon sonrasında gül modelde max gerilme diğer modellere göre daha fazla çıkmıştır. Gül modelinin tasarımındaki desenlerin daha küçük olması sebebiyle yere basan yüzey alanı azaldığı için tabanda ki gerilme artmıştır. Bununla birlikte gül modelinin max deformasyonu ağaç kurbağası modeline göre daha az çıkmıştır. Yani ağaç kurbağası tasarımındaki taban dişlerinin asimetrik, diş derinliklerinin daha fazla olması gerilmelerin lokal bölgelerde daha yüksek olmasına ve aşınmanın artmasına sebebiyet vermiştir. Ayrıca uygulanan deplasman sonrasında ağaç kurbağası tasarım modelinin diğer modellere göre daha düşük reaksiyon kuvveti uyguladığı matematiksel modellerle ortaya konmuştur. 
Sonuç: Yapılan analizler sonucunda gül ayakkabı tabanlığının tasarımının daha lineer olması ve yuvarlak dişlerinin olması sebebiyle tabanda gerilmelerin daha geniş bölgelere yayılan bir dağılım gösterdiği dikkat çekmektedir. Gerilmenin daha geniş yüzeye dağılması sebebiyle bu tasarımda ayak konforu için tercih edilebilir bir modeldir. Aynı deplasman değerlerinde en düşük reaksiyon kuvveti gösteren ağaç kurbağası tasarımının ayak konforu açısından rahatlığın istenildiği durumlarda tercih edilerek kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Düz modelin ayak konforu açısından daha kötü bir yapıda olduğu değerlendirilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Biyomimikri, Biyomimetik, Ayakkabı Tabanlığı, Sonlu Elemanlar Yöntemi

Abstract:
Purpose: Shoe insoles were designed based on biomimetics. Finite element method was used for the designs and it was aimed to interpret the results of the analysis by emphasizing the comfort factor for the shoe insoles.
Method: In this study, literature research on biomimetics and shoe insoles was conducted. As a result of the researches, tree frog, rose model and flat model shoe insoles based on biomimetic approach were designed. The designs were interpreted by using the finite element method by looking at values such as displacement, deformation and stress.
Findings: Tree frog and rose model shoe insoles were designed based on biomimetic approach. The designs were compared with flat model shoe insoles and the heel area of the rearfoot, the outward facing part of the midfoot and the area between the forefoot toe start boundary and the midfoot start area were evaluated as high stress zone and high deformation zone in the flat model. It was observed that less stresses occurred in the sole part of the tree frog shoe insoles model due to the fact that it stepped on wider surfaces. Although higher stresses were observed at one or two local points in the rose insole model, it was observed that the stresses were distributed much more evenly. After the applied stress and deformation, the max stress in the rose model was higher than the other models. Since the patterns in the design of the rose model are smaller, the stress at the base has increased due to the reduced surface area on the ground. However, the max deformation of the rose model was less than the tree frog model. In other words, the fact that the base teeth in the tree frog design are asymmetrical and the tooth depths are greater caused the stresses to be higher in localized areas and increased wear. In addition, after the applied displacement, it was revealed by mathematical models that the tree frog design model applied lower reaction force than the other models. 
Results: Tree frog and rose model shoe insoles were designed based on biomimetic approach. The designs were compared with flat model shoe insoles and the heel area of the rearfoot, the outward facing part of the midfoot and the area between the forefoot toe start boundary and the midfoot start area were evaluated as high stress zone and high deformation zone in the flat model. It was observed that less stresses occurred in the sole part of the tree frog shoe insoles model due to the fact that it stepped on wider surfaces. Although higher stresses were observed at one or two local points in the rose insole model, it was observed that the stresses were distributed much more evenly. After the applied stress and deformation, the max stress in the rose model was higher than the other models. Since the patterns in the design of the rose model are smaller, the stress at the base has increased due to the reduced surface area on the ground. However, the max deformation of the rose model was less than the tree frog model. In other words, the fact that the base teeth in the tree frog design are asymmetrical and the tooth depths are greater caused the stresses to be higher in localized areas and increased wear. In addition, after the applied displacement, it was revealed by mathematical models that the tree frog design model applied lower reaction force than the other models. 
Keywords: Biomimicry, Biomimetic, Shoe Insoles, Finite Elements Method