一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法技术

本发明专利技术提供一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，采用六维力传感器和压力分布传感器采集受力平面的六维力数据以及压力分布数据，通过六维力数据和压力分布数据计算得到的组成合力以及合力矩的分量，计算获取到受力平面内剪切力分布情况，由于采用的六维力传感器和压力分布传感器较易获得，无需多维力传感器阵列也可获得界面剪切力分布，因此解决了现有测量方法所需传感器数量众多且成本高的问题，同时，该两体接触界面内剪切分布力的计算方法大大提高了检测精度，为后续工程测量、精密制造和医学组织病理研究等领域中涉及界面剪切力计算提供了新的技术支持。剪切力计算提供了新的技术支持。剪切力计算提供了新的技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法


[0001]本专利技术属于分布力测算
，具体涉及一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法。

技术介绍

[0002]在两体接触过程中，界面上的三维力系包括垂直方向的力Fz以及接触面内(即水平面上)的力Fx和Fy。例如，行走时，足底与地面相互作用会产生垂直方向的压力和接触面内剪切力。由于界面摩擦力等的存在使得接触面上的剪切力呈现特定的分布规律。界面剪切力的分布情况在工程测量、精密制造和医学组织病理研究等领域具有重要的意义，例如，糖尿病患者足溃疡的发生与足底剪切力分布密切相关。
[0003]目前，对接触面剪切力分布检测的方法需采用微型多维力传感器阵列技术。例如中国专利CN 102840940 A公开了一种纽扣型五维力传感器，其中包括筒形底座、基板、接线电路板以及应变片等，但只能测量某一点的剪切力，无法获得剪切力分布情况，因此需要对传感器进行阵列排布，这种测量方法所需传感器数量众多，成本高昂，给后续实际应用带来了极大障碍。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，提供一种基于六维力和轴向压力分布数据的水平面上剪切分布力的测算方法以获得两体接触界面内的剪切力分布情况，本专利技术采用了如下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，采用六维力传感器和压力分布传感器分别采集受力面上的六维力数据以及接触面压力分布数据；步骤S2，基于六维力数据以及接触面压力分布数据计算受力面内各采集点处组成水平方向合力的分量以及组成垂直方向合力矩的分量；步骤S3，根据各采集点处组成水平合力的分量以及组成合力矩的分量计算对应区域的剪切力，获取受力面的剪切力分布情况。
[0006]本专利技术提供的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，还可以具有这样的技术特征，其中，六维力数据包括垂直方向合力F
z
、水平方向合力(F
x
、F
y
)、垂直方向的力矩M，接触面压力分布数据包括垂直分布力f
zi
、COP
x
以及COP
y
。
[0007]本专利技术提供的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，还可以具有这样的技术特征，其中，在步骤S2中，对于受力面内任意点(x
i
，y
i
)处的水平方向合力的分量的计算公式为：
[0008]f
xi
＝f
zi
(F
x
/F
z
)
[0009]f
yi
＝f
zi
(F
y
/F
z
)
[0010]式中，f
xi
、f
yi
分别为(x
i
，y
i
)点处组成水平方向合力F
x
、F
y
的分量，垂直方向合力矩的分量的计算公式为：
[0011]|f
mi
|＝|f
zi
|(|M|/∑|f
zi
|d
i
)
[0012]式中，d
i
为该点到COP之间的距离，f
mi
×
d
i
为(x
i
，y
i
)点处组成垂直方向上合力矩M的分量。
[0013]本专利技术提供的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，还可以具有这样的技术特征，其中，在步骤S3中，对于受力面内任一给定区域，该区域的剪切力F
xA
、F
yA
的计算公式为：
[0014]F
xA
＝∑f
xi
‑
∑|f
mi
|sin θ
i
[0015]F
yA
＝∑f
yi
+∑|f
mi
|cosθ
i
[0016]式中，θ
i
为该区域内各个测量点中心与COP之间的夹角。
[0017]专利技术作用与效果
[0018]根据本专利技术的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，采用六维力传感器和压力分布传感器采集受力面的六维力数据以及压力分布数据，通过六维力数据和压力分布数据计算得到的合力以及合力矩的分量，计算获取到受力面内对应区域的剪切力以及剪切力分布情况。由于采用的六维力传感器和压力分布传感器较易获得，无需多维力传感器阵列也可获得界面剪切力分布，因此解决了现有测量方法的所需传感器数量众多且成本高的问题。
[0019]本专利技术的两体接触界面内剪切分布力的计算方法大大提高了检测精度，为后续工程测量、精密制造和医学组织病理研究等领域中涉及界面剪切力计算提供了新的技术支持。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例中的两体接触界面内剪切分布力的计算方法的流程图；
[0021]图2是本专利技术实施例中采用传感器采集受力面的示意图；
[0022]图3是本专利技术实施例中受力面内任意点处的受力情况示意图；
[0023]图4是本专利技术实施例中的足底剪切力分布实验结果图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本专利技术的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法作具体阐述。
[0025]<实施例>
[0026]图1是本专利技术实施例中的两体接触界面内剪切分布力的计算方法的流程图。
[0027]如图1所示，两体接触界面内剪切分布力的计算过程如下：
[0028]步骤S1，采用六维力传感器和压力分布传感器分别采集受力面上的六维力数据以及接触面压力分布数据。
[0029]六维力传感器与压力分布传感器可以且不限于上下叠加摆放。且在测量前，对上述两个传感器较零。
[0030]图2是本专利技术实施例中采用传感器采集受力面的示意图。
[0031]如图2所示，本实施例中，将六维力传感器1置于压力分布传感器2下方进行采集。其中，六维力数据包括垂直方向合力F
z
、水平方向合力(F
x
、F
y
)、垂直方向的力矩M，接触面压力分布数据包括垂直分布力f
zi
和压力中心COP
x
和COP
y
。
[0032]步骤S2，基于六维力数据和接触面压力分布数据计算受力面内各采集点处水平方向合力的分量以及垂直方向合力矩的分量。
[0033]对于受力面内任意点(x
i
，y
i
)处的水平方向合力的分量的计算公式为：
[0034]f
xi
＝f
zi
(F
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，采用六维力传感器和压力分布传感器分别采集受力面上的六维力数据以及接触面压力分布数据；步骤S2，基于所述六维力数据以及所述接触面压力分布数据计算所述受力面内各采集点处组成水平方向合力的分量以及组成垂直方向合力矩的分量；步骤S3，根据各采集点处所述组成水平合力的分量以及所述组成合力矩的分量计算对应区域的剪切力，获取所述受力面的剪切力分布情况。2.根据权利要求1所述的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，其特征在于：其中，所述六维力数据包括垂直方向合力F
z
、水平方向合力(F
x
、F
y
)、垂直方向的力矩M，所述接触面压力分布数据包括垂直分布力f
zi
、COP
x
以及COP
y
。3.根据权利要求2所述的一种两体接触界面内剪切分布力的计算方法，其特征在于：其中，在所述步骤S2中，对于所述受力面内任意点(x
i
，y
i
)处的所述水平方向合力的分量的计算公式为：f
xi
＝f
zi
(F
x
/F
z
)f
yi
＝f
zi
(F
y
/F
z
)式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文明，钱乐文，马昕，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：