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第1章 绪论 1

1.1 柔顺机构的优越性 3

1.2 柔顺机构的挑战 6

1.3 历史背景 7

1.4 柔顺机构与大自然 9

1.5 术语和图表 10

1.5.1 柔顺机构与柔顺结构 10

1.5.2 术语 10

1.5.3 图表 12

1.6 柔顺MEMS 13

习题 15

第2章 柔性与变形 17

2.1 线性与非线性变形 18

2.2 刚度和强度 18

2.3 柔性 19

2.4 位移与力载荷 21

2.5 材料方面的考虑 23

2.5.1 柔性梁的最大变形 23

2.5.2 强度与杨氏模量之比 24

2.5.3 材料选择的其他准则 24

2.5.4 蠕变和应力松弛 26

2.6 线性弹性变形 27

2.7 能量储存 30

2.8 应力刚化 32

2.9 大变形分析 33

2.9.1 末端受力矩载荷的梁 33

2.9.2 椭圆积分解法 35

2.9.3 数值方法 41

习题 41

第3章 失效预防 45

3.1 应力 46

3.1.1 主应力 47

3.1.2 应力集中 49

3.2 静态失效 50

3.2.1 延性材料 50

3.2.2 脆性材料 54

3.3 疲劳失效 57

3.3.1 疲劳基础 57

3.3.2 疲劳失效预测 57

3.3.3 疲劳极限和疲劳强度估计 60

3.3.4 疲劳极限和疲劳强度修正系数 60

3.3.5 表面系数 61

3.3.6 尺寸系数 61

3.3.7 载荷系数 62

3.3.8 可靠性 62

3.3.9 综合影响 62

3.3.10 完全反向载荷 63

3.3.11 脉动应力 66

3.3.12 聚合材料的疲劳 70

3.3.13 试验 73

习题 74

第4章 刚性构件机构 79

4.1 引言 80

4.1.1 活动度 80

4.1.2 运动链及转化 81

4.1.3 四杆机构的分类 81

4.1.4 机械增益 82

4.2 位置分析 83

4.2.1 四杆机构：封闭形方程 83

4.2.2 曲柄滑块机构：封闭形方程 84

4.2.3 复数法 84

4.3 速度和加速度 88

4.4 运动系数 89

4.4.1 四杆机构的运动系数 89

4.4.2 曲柄滑块机构的运动系数 90

4.5 机构综合 90

4.5.1 函数生成 90

4.5.2 轨迹生成 91

4.5.3 运动生成 92

习题 93

第5章 伪刚体模型 97

5.1 短臂柔铰 98

5.1.1 主动力与被动力 101

5.1.2 应力 102

5.1.3 活动铰链 104

5.2 自由端受力的悬臂（固定-铰接）梁 104

5.2.1 梁变形轨迹的参数化近似法 106

5.2.2 特征半径系数 107

5.2.3 梁末端坐标 108

5.2.4 特征半径系数的经验算法 108

5.2.5 角变形近似 109

5.2.6 刚度系数 110

5.2.7 扭簧常数 113

5.2.8 应力 113

5.2.9 固定-铰接片段的实际应用 115

5.3 固定-导向柔性片段 117

5.4 末端受力矩载荷 118

5.5 初始弯曲悬臂梁 119

5.5.1 初始弯曲梁的刚度系数 121

5.5.2 初始弯曲梁的应力 122

5.6 铰接-铰接片段 122

5.7 受力和力矩载荷的（固定-固定）片段 125

5.8 模拟铰链的其他方法 129

5.8.1 活动铰链 130

5.8.2 被动铰链 131

5.8.3 Q铰 132

5.8.4 交错轴柔铰 135

5.8.5 扭转铰链 137

5.8.6 开口管道柔铰 138

5.9 机构建模 139

5.10 机构分析商业软件的应用 147

习题 149

第6章 力与变形的关系 157

6.1 自由体图解法 158

6.2 广义坐标 162

6.3 功与能 162

6.4 虚位移与虚功 163

6.5 虚功原理 165

6.6 虚功原理的应用 165

6.7 固定-铰接构件的弹簧函数 169

6.8 伪刚体四杆机构 170

6.9 伪刚体滑块机构 176

6.10 多自由度机构 180

6.11 结论 181

习题 181

第7章 数值方法 185

7.1 有限元分析 186

7.2 链式算法 187

第8章 柔顺机构综合 197

8.1 转换刚体（运动）综合 198

8.2 柔顺综合：运动静力综合 206

8.2.1 附加方程和未知量 206

8.2.2 方程的耦合 207

8.2.3 设计约束 208

8.2.4 θ0=θj的特殊情况 209

8.3 其他综合方法 212

8.3.1 有限位移的Burmester理论 213

8.3.2 无限位移 213

8.3.3 伪刚体模型的优化 213

8.3.4 最优化方法 213

习题 213

第9章 连续模型的优化综合 215

9.1 引言 217

9.1.1 分布柔顺 218

9.1.2 连续模型 219

9.1.3 用有限元法进行弹性静力分析 219

9.1.4 结构优化 220

9.2 优化问题方程式 221

9.2.1 目标函数、约束条件和设计变量 221

9.2.2 刚性和柔性的度量 222

9.2.3 多准则方程式 223

9.3 尺度、形状及拓扑优化 224

9.3.1 尺度优化 225

9.3.2 形状优化 229

9.3.3 拓扑优化 230

9.4 计算方面 232

9.4.1 优化算法 233

9.4.2 灵敏度分析 233

9.5 最佳准则法 234

9.5.1 最佳准则的导出 235

9.5.2 求解过程 236

9.5.3 例题 236

9.6 结论 239

9.7 致谢 239

习题 239

第10章 特殊用途机构 243

10.1 柔顺常力机构 244

10.1.1 柔顺滑块机构的伪刚体模型 244

10.1.2 尺度综合 245

10.1.3 确定力的大小 247

10.1.4 举例 248

10.1.5 柔性铰链中应力的估算 249

10.1.6 举例 249

10.2 平行机构 250

10.2.1 柔顺平行导向机构 251

10.2.2 应用 251

10.2.3 伪刚体模型 253

10.2.4 其他设计因素 254

习题 255

第11章 双稳态机构 257

11.1 稳定性 259

11.2 柔顺双稳态机构 260

11.3 四杆机构 261

11.3.1 能量方程 261

11.3.2 双稳态性能要求 262

11.3.3 杨氏双稳态机构 266

11.4 曲柄滑块或摇杆滑块机构 269

11.4.1 能量方程 270

11.4.2 双稳态性能要求 270

11.4.3 各种弹簧位置举例 270

11.5 双滑块机构 274

11.5.1 用铰链连接滑块的双滑块机构 274

11.5.2 用连杆连接滑块的双滑块机构 275

11.5.3 双稳态性能要求 276

11.6 弹簧波纹梁 277

11.7 双稳态凸轮机构 278

习题 278

附录A 参考文献 280

附录B 截面特性 293

B.1 矩形 293

B.2 圆 293

B.3 空心圆 293

B.4 实心半圆 294

B.5 直角三角形 294

B.6 等厚凸缘工字梁 294

附录C 材料特性 295

附录D 线弹性梁变形 299

D.1 自由端受力的悬臂梁 299

D.2 沿长度方向受力的悬臂梁 299

D.3 受均布载荷的悬臂梁 299

D.4 自由端受力矩作用的悬臂梁 300

D.5 中点受力的简支梁 300

D.6 沿长度方向受力的简支梁 300

D.7 受均布载荷的简支梁 301

D.8 一端固定另一端简支的梁 301

D.9 中点受载荷的两端固定梁 301

D.10 受均布载荷的两端固定梁 302

D.11 一端固定另一端导向的梁 302

附录E 伪刚体模型 303

E.1 短臂柔铰 303

E.2 自由端受垂直力作用的悬臂梁 303

E.3 自由端受力的悬臂梁 304

E.4 固定-导向梁 306

E.5 自由端受力矩作用的悬臂梁 306

E.6 初始弯曲悬臂梁 307

E.7 铰接-铰接片段 309

E.8 力-力矩复合的末端载荷 310

附录F 椭圆积分计算 311

附录G 柔顺机构的型综合 313

G.1 刚性构件机构的矩阵表达式 313

G.2 柔顺机构矩阵 315

G.2.1 片段类型规定 315

G.2.2 连接类型规定 315

G.2.3 例子 316

G.3 同构机构的判定 317

G.3.1 刚体机构同构的检测方法 317

G.3.2 柔顺机构的同构检测 317

G.4 型综合 319

G.5 设计要求的确定 319

G.6 柔顺机构的拓扑综合 320

G.6.1 片段类型枚举 320

G.6.2 连接类型枚举 321

G.6.3 片段和连接类型的组合结果 323

G.6.4 柔顺机构的构成 325

G.7 举例 327

中英文名词对照 332