柔性构件：变形场分析、重构及其应用/智能制造与机器人理论及技术研究丛书 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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冀晶晶，李国民 著，丁汉，孙容磊 编

图书标签:

• 柔性构件
• 变形场分析
• 重构
• 智能制造
• 机器人技术
• 结构力学
• 材料力学
• 控制工程
• 机械设计
• 仿生学

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787568034968

版次：1

商品编码：12329768

包装：精装

丛书名： 智能制造与机器人理论及技术研究丛书

开本：16开

出版时间：2018-01-01

用纸：胶版纸

页数：141

字数：163000

正文语种：中文

内容简介

　　《柔性构件：变形场分析、重构及其应用/智能制造与机器人理论及技术研究丛书》的研究主要集中在对柔性细长杆件和薄板的变形分析上，对从经典的均质悬臂梁柔性杆变形模型到一般的柔性薄板大变形模型进行了理论阐述及案例验证。从伯努利�才防�形变力学模型、斯蒂芬·铁木辛柯力学模型入手，对比分析了基于解析解法、有限差分法、有限元法等的变形模型，逐步综合了弯曲、扭转、扭弯组合等几何非线性变形过程。
　　《柔性构件：变形场分析、重构及其应用/智能制造与机器人理论及技术研究丛书》在对柔性构件传统变形分析的基础上，引入了变形场重构的概念，即柔性构件可被看作是由有限个离散的微小段组合而成的，也可被看作是点云的集合。基于此，对柔性构件的变形分析可转化为空间点坐标重构问题，《柔性构件：变形场分析、重构及其应用/智能制造与机器人理论及技术研究丛书》重点阐述了双目视觉重构法、模型分析法以及两者的融合。在变形分析的应用方面，《柔性构件：变形场分析、重构及其应用/智能制造与机器人理论及技术研究丛书》以实例完整阐述了三维空间内全局大变形柔性杆变形可视化，以及柔性薄板在扭弯等复杂工况下动态变形场的快速重构和图像反馈等过程。

作者简介

　　冀晶晶，博士，华中科技大学机械学院讲师。分别于2008年、2014年获浙江大学机械工程工学学士和博士学位。期间，获国家留学基金委资助，赴美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）进行为期一年的联合培养。2014年5月至华中科技大学机械工程流动站从事博士后研究，出站后在数字制造装备与技术国家重点实验室从事教学科研工作。
　　主要从事机电一体化、机器人、建模以及场重构等方面的研究工作。主持国家自然科学基金、中国博士后面上项目，作为学术骨干参与国家973项目课题。在国际知名期刊发表学术文章十余篇，曾获华中科技大学机械学院“优秀博士后资助计划”、浙江大学优秀研究生一等奖、浙江大学优秀毕业生等荣誉。
　　
　　李国民（Kok-MerlgLee），男，美国麻省理工学院博士，美国总统奖获得者，IEEEFellow、ASMEFellow、IEEE／ASME Transactions on Mechatronics（TMech）主编（2008—2013）。任美国佐治亚理工学院终身教授，***“千人计划”专家，华中科技大学教授，973项目首席科学家。
　　主要研究领域为智能制造装备与技术、智能传感及驱动、复杂机电系统。主持与智能制造密切相关的美国自然科学基金、国际合作项目10余项。在智能传感器、灵巧驱动器、机器视觉、多变量热-流耦合过程建模与控制等领域取得系列成果，并广泛应用于制造工业中的检测、定位与控制、场重构、分布参数建模与控制等方面。发表相关论文300余篇，参与出版英文专著3部，授权美国与国际专利10项。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 柔性构件的应用领域
1．3 柔性构件设计分析的研究现状
1．3．1 柔性构件设计的研究现状
1．3．2 柔性构件分析的研究现状
参考文献

第2章 柔性杆纯弯曲时的变形分析
2．1 等截面梁变形模型
2．1．1 小变形分析
2．1．2 大变形分析
2．2 非等截面梁变形模型
2．3 数值求解方法
2．3．1 打靶法
2．3．2 有限差分法
2．3．3 有限元法
2．4 数值求解实例
2．4．1 均匀梁
2．4．2 非均匀梁

第3章 接触状态下柔性杆纯弯曲变形分析
3．1 接触定义
3．2 卡扣变形解析模型
3．3 基于接触判定的变形求解
3．4 有限元接触变形分析
参考文献

第4章 柔性杆扭弯变形分析
4．1 非线性柔性杆变形模型
4．1．1 局部坐标系下的曲率模型
4．1．2 全局坐标系下的曲率模型
4．2 二维柔性构件的曲率模型及求解
参考文献

第5章 准静态工况下的柔性杆扭弯变形快速求解
5．1 柔性杆变形的曲率解耦方法
5．1．1 状态空间表达的曲率模型
5．1．2 离散线性化的状态空间曲率模型
5．1．3 曲率模型沿路径的离散化求解
5．1．4 柔性杆变形的快速求解
5．2 二维柔性杆的曲率模型解耦方法
5．2．1 全局坐标系下曲率模型的解耦求解
5．2．2 快速求解实例
5．3 柔性杆扭弯组合实例
5．3．1 三维柔性梁扭弯变形
5．3．2 二维柔性梁纯弯曲
参考文献

第6章 多体系统中柔性薄板扭弯变形分析
6．1 多体系统动力学建模与求解的一般过程
6．1．1 多体系统动力学建模理论
6．1．2 运动一弹性动力学分析方法
6．2 平面柔性系统运动方程
6．2．1 柔性体平面运动学
6．2．2 柔性单元的运动方程
6．2．3 多柔体系统动力学方程
6．3 数值示例
6．3．1 多体动力学有限元分析法
6．3．2 接触模型与摩擦模型
6．3．3 FEA模型的参数识别及变形分析

第7章 基于局部测量的柔性薄板变形场重构
7．1 双目视觉空间曲面重构方法
7．2 基于真实多视图图像的形状重建
参考文献

第8章 移动式柔性机器人行进过程中变形场重构
8．1 动态柔性梁变形可视化
8．1．1 前后轮的动力学模型
8．1．2 磁吸力实验测量
8．2 柔性薄壁板变形场重构
8．2．1 耦合基于模型的多视图重建
8．2．2 梁形状相似性评价和结果讨论
参考文献

前言/序言

　　柔性构件利用材料的柔性变形来传递力、位移和能量，可以消除侧隙、摩擦和磨损，具有结构简单，质量小等优点，在需要连续弯曲和扭转的场所表现出很大的优势。对柔性体变形的精确描述和控制一直是传统机械设计领域乃至智能制造领域普遍关心的问题。
　　柔性构件的变形分析是经典力学问题，有完整的力学模型。但随着科技发展的突飞猛进，智能制造的提出及推进，传统的柔性构件变形问题重新解构为新的科学问题，即：变形场问题。传统柔性梁、柔性板的变形问题可转化为空间点云的变形场重构问题。基于此，智能传感技术、数值计算技术、空间重构算法等现代新手段都可以作为求解此问题的手段。经典力学模型与现代工程手段的综合应用是本书解决柔性构件变形问题的亮点所在。区别于材料力学、弹性力学等理论类的书籍，本书以工程实际中柔性变形分析与控制的实际需求出发对全书进行框架搭建，最终的目的也是面向变形可视化、快速求解等实际工程需求。对于新算法或模型的提出，书中都尽可能以实际的工程实例进行范例说明。本书内容主要基于笔者近些年来的研究工作，有一定的创新性，与传统的教科书相比，内容上会有一定的难度。建议读者在相关理论知识学习的基础上参阅。
　　本书由李国民教授统筹，编写工作主要由冀晶晶完成，内容上汲取了李国民教授（英文名：LeeKok-Meng）及其博士生多年来的研究精华，包括Li Qiang、Yin Xuecheng、LanChao-Chieh、Guo Jiajie、Xie Yang等。本书得以完整系统地描述柔性构件变形问题离不开这些人多年的研究、积累，在此深表谢意！浙江工业大学的计时鸣教授和武汉理工大学的尹海斌教授给本书的宝贵意见对提高本书质量起到了极大的作用，笔者表示衷心的感谢！
　　由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者不吝赐教。
　　特别声明：本书没有统一的符号表，各章的符号定义自成体系。

《柔性构件：变形场分析、重构及其应用》 概述 本书深入探讨了柔性构件在现代工程与制造领域中的关键作用，重点聚焦于其变形场（Deformation Field）的精确分析、高效重构以及创新应用。在智能制造和机器人技术日新月异的今天，理解和控制材料及结构的变形行为，对于提升产品性能、优化工艺流程、实现智能化操作至关重要。本书旨在为读者提供一个系统、全面且深入的理论框架和实践指导，以应对柔性构件在复杂工况下可能出现的各种变形挑战。 核心内容与章节解析 本书内容丰富，结构严谨，从基础理论到前沿应用，层层递进，旨在构建一个完整的知识体系： 第一部分：柔性构件变形场理论基础 第一章 绪论：柔性构件的重要性与研究现状 本章将从宏观视角切入，阐述柔性构件在航空航天、生物医学、消费电子、汽车工业等关键领域日益增长的重要性。 详细分析传统刚性构件与新兴柔性构件在设计理念、材料特性、性能优势上的根本区别。 梳理当前柔性构件领域的研究热点与难点，包括但不限于材料的非线性行为、多尺度变形、环境耦合效应等。 明确本书的研究目标、主要内容和预期贡献，为后续内容的展开奠定基础。 第二章 连续介质力学基础回顾 本章将系统回顾连续介质力学中最核心的概念和方程，为理解变形场分析打下坚实的数学和物理基础。 重点讲解应变张量（Strain Tensor）的定义、不同应变度量（如小应变、大应变）的适用性及其物理意义。 深入阐述应力张量（Stress Tensor）的定义、应力-应变关系（本构关系）的各种形式（如线弹性、弹塑性、粘弹性等）及其在描述材料行为中的作用。 介绍平衡方程（Equation of Equilibrium）、几何方程（Kinematic Equation）和本构方程（Constitutive Equation）在描述宏观力学行为中的基本框架。 第三章 变形场的数学描述与表征 本章将聚焦于如何用数学语言精确描述和表征柔性构件的变形场。 详细介绍位移场（Displacement Field）的概念，以及如何通过位移矢量场来量化构件的形变。 深入探讨变形梯度张量（Deformation Gradient Tensor）的引入及其在描述非线性变形中的关键作用，包括体积变化、旋转与拉伸的分解。 讲解第二类Piola-Kirchhoff应力张量（Second Piola-Kirchhoff Stress Tensor）与Cauchy应力张量（Cauchy Stress Tensor）之间的关系，以及它们在不同参考系下描述应力状态的意义。 介绍中性面（Neutral Surface）和中性轴（Neutral Axis）等概念在描述弯曲变形时的应用。 第四章 经典变形分析方法 本章将回顾和介绍求解柔性构件变形问题的经典解析和数值方法。 详细讲解有限梁理论（Finite Beam Theory）、薄壳理论（Thin Shell Theory）等经典结构力学方法的原理与局限性。 深入阐述有限元方法（Finite Element Method, FEM）的基本思想、单元划分、形函数（Shape Function）的选取、方程组的建立（刚度矩阵、载荷向量）以及求解过程。 讨论解析解在简单几何形状和边界条件下的应用，以及数值方法在处理复杂问题中的优势。 第二部分：柔性构件变形场重构技术 第五章 变形场感知与数据获取 本章将探讨如何有效地获取柔性构件变形过程中的原始数据。 详细介绍非接触式测量技术，如数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）、立体视觉（Stereo Vision）及其在获取表面变形场信息上的优势。 讨论接触式测量技术，如应变片（Strain Gauges）、位移传感器（Displacement Sensors）等，以及它们的适用场景和局限性。 分析光学测量、激光扫描、结构光投影等多种技术在不同尺度和精度要求下的选择。 强调数据采集的准确性、鲁棒性以及数据预处理（如噪声过滤、去噪）的重要性。 第六章 基于数据的变形场重构算法 本章是本书的核心技术部分，将深入介绍如何利用采集到的数据重构出完整的变形场。 详细讲解基于位移场重构的算法，包括插值（Interpolation）、拟合（Fitting）等技术。 深入探讨基于应变场重构的算法，如应变积分方法（Strain Integration Methods）及其挑战（如累积误差）。 介绍结合多种传感器数据进行融合重构的策略，以提高重构精度和鲁棒性。 重点介绍机器学习（Machine Learning）和深度学习（Deep Learning）在变形场重构中的应用，例如利用神经网络模型学习变形规律，实现高精度、实时的重构。 讨论逆向工程（Inverse Engineering）的理念在变形场重构中的体现。 第七章 变形场重构的误差分析与修正 本章将关注重构过程中可能出现的误差来源，并探讨相应的分析与修正方法。 分析数据采集误差（如传感器精度、环境干扰）、模型误差（如假设不精确、网格质量）和算法误差（如数值精度）的产生机制。 介绍误差评估指标，如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）等，用于量化重构结果的精度。 探讨基于数据同化（Data Assimilation）的重构方法，将测量数据与数值模型相结合，利用不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）技术提升重构的可靠性。 介绍基于优化（Optimization）的误差修正技术，通过调整模型参数或数据权重来最小化误差。 第三部分：柔性构件变形场的应用 第八章 智能制造中的变形场分析与应用 本章将聚焦于柔性构件在智能制造流程中的实际应用。 在增材制造（Additive Manufacturing）领域，探讨如何分析和控制3D打印过程中材料的变形，减少翘曲和开裂，提高打印精度。 在柔性机器人（Soft Robotics）的设计与控制中，阐述变形场分析如何指导驱动器设计、本体结构优化以及运动规划。 在智能装配（Smart Assembly）中，分析柔性部件在装配过程中的形变，实现高精度、无损伤的自动装配。 探讨变形场在质量检测与无损评估（Quality Inspection and Non-destructive Evaluation, NDE）中的应用，例如通过监测材料在特定载荷下的变形来判断其内部缺陷。 第九章 机器人技术中的变形场分析与应用 本章将深入探讨柔性构件变形场分析在机器人技术中的具体应用。 柔性手臂与末端执行器（Flexible Arms and End-effectors）的设计，如何利用变形场分析实现更高的灵活性、负载能力和安全性。 人机交互（Human-Robot Interaction, HRI）中，分析机器人与人体接触时柔性部件的变形，确保交互的安全性与舒适性。 机器人导航与定位（Robot Navigation and Localization）中，当机器人本体或其传感器（如柔性摄像头）发生形变时，变形场分析如何校正定位误差。 智能穿戴设备（Smart Wearable Devices）与可穿戴机器人（Wearable Robots）的设计，关注其在运动过程中与人体的适配性及舒适度，变形场分析在此扮演重要角色。 第十章 典型案例研究与未来展望 本章将通过具体的工程实例，展示本书所介绍的理论与方法在实际问题中的应用效果。 选取具有代表性的柔性构件，如柔性薄壁结构、生物组织模型、软体材料等，进行详细的变形场分析与重构案例研究。 对案例进行深入剖析，说明如何将理论模型与实验数据相结合，解决实际工程难题。 最后，对柔性构件变形场分析与重构的未来研究方向进行展望，包括但不限于多物理场耦合效应、实时动态重构、智能化自适应控制、新材料的开发与应用等，为相关领域的研究人员和工程师提供启发。 本书特色 系统性与全面性： 本书从理论基础到应用实践，构建了一个完整的知识链条，涵盖了柔性构件变形场分析与重构的各个方面。 理论与实践结合： 既有严谨的力学理论推导，又有大量的工程应用案例和前沿技术介绍。 面向未来： 紧密结合智能制造和机器人技术的发展趋势，着重探讨柔性构件在这些新兴领域中的关键作用。 可读性强： 语言清晰，逻辑严谨，配以丰富的图示和表格，便于读者理解和掌握。 目标读者 本书适合以下读者： 高等院校机械工程、材料科学、航空航天工程、生物医学工程、自动化等相关专业的本科生、硕士生和博士生。 从事柔性构件设计、制造、性能分析和应用开发的工程师、研究人员。 对智能制造、机器人技术、新材料等领域感兴趣的研究者和从业人员。 希望深入了解材料变形行为及其在工程应用中重要性的专业人士。 通过阅读本书，读者将能够深刻理解柔性构件的变形机制，掌握变形场的分析与重构技术，并能够将其有效地应用于实际工程问题中，推动相关领域的技术创新与发展。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在工业界摸爬滚打多年的资深工程师，我深知理论知识与实践经验的结合对于技术进步的重要性。看到“柔性构件：变形场分析、重构及其应用”这个书名，尤其是它处于“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”系列之中，立刻引起了我的注意。在我的工作中，经常会遇到一些传统刚性结构难以解决的工程难题，例如在承受冲击载荷时如何避免结构损坏，或者在需要精细力反馈的应用中如何设计出既有强度又有柔韧性的部件。我对书中关于“变形场分析”和“重构”的内容充满了浓厚的兴趣，我希望能从中学习到如何更有效地理解和预测材料在不同载荷和应力条件下的行为，并且能够通过逆向工程或者数据驱动的方式，对这些变形进行精确的描述和复现。我期待书中能提供一些实用的分析工具和计算模型，能够帮助我们解决实际工程项目中的痛点，例如在汽车碰撞安全设计、精密机械的减震系统，或者在新型复合材料的应用开发等方面。

评分☆☆☆☆☆

我是一名材料科学的在读博士生，研究方向涉及到先进材料的力学性能和结构设计。当我在查找相关文献时，偶然发现了这本“柔性构件：变形场分析、重构及其应用”，并且注意到它是“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”中的一本，这让我觉得非常有启发性。我的研究常常需要深入理解材料在不同尺度下的力学行为，尤其是在非线性变形和复杂应力状态下。我对书中关于“变形场分析”和“重构”的概念尤为感兴趣，我认为它们可能为我们理解和模拟新型柔性材料（如形状记忆合金、智能聚合物或生物材料）的宏观行为提供一种全新的视角。我希望书中能够提供一些数学模型和数值模拟方法，帮助我们更精确地预测这些材料在特定应用场景下的变形规律，并且能够从实验数据中“重构”出完整的变形场信息。这将极大地促进我们在可穿戴设备、软体机器人、生物医用材料等前沿领域的研发。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题相当宏大，“柔性构件：变形场分析、重构及其应用”，光是看名字就让人觉得内容会非常硬核，尤其后面还跟着“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”这样的标签，更是让人联想到前沿的科技探索。作为一个对材料力学和工程设计有着浓厚兴趣的读者，我一直希望能找到一本能够深入浅出地讲解复杂概念的书籍。我尤其关注那些能够将理论研究与实际工程问题相结合的著作，因为理论的价值最终体现在解决实际挑战的能力上。这本书的“变形场分析”和“重构”这两个词语，立刻勾起了我对这些概念在工程领域应用的好奇心。我设想，这本书会不会深入探讨不同材料在受力情况下形变的规律，以及如何通过精确的测量和计算来理解和预测这些形变？例如，在设计高精度仪器、先进的航空航天部件，甚至是柔性电子设备时，对构件变形的精确控制和理解至关重要。我期待书中能够提供一套系统性的方法论，帮助工程师和研究人员更好地驾驭这些挑战，甚至可能在材料选择、结构优化等方面带来新的启示。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对机器人技术怀有极大热情的在校学生，常常被各种新颖的机器人设计和功能所吸引。当我在书店看到这本“柔性构件：变形场分析、重构及其应用”，并且它隶属于“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”，我毫不犹豫地把它加入了购物车。我一直觉得，现代机器人的发展越来越依赖于材料的创新和结构的精巧，尤其是在实现更灵活、更精细的动作方面，柔性构件扮演着至关重要的角色。我非常好奇，这本书是否会深入讲解如何设计和制造具有特定柔性特性的构件，比如那些能够模仿生物肌肉运动的致动器，或是能够适应复杂地形的仿生足。同时，我对于“变形场分析”和“重构”的概念也充满了期待，它们听起来像是能够帮助我们更准确地模拟和控制机器人肢体的运动。我希望书中能提供一些具体的案例研究，展示这些理论如何在实际的机器人应用中得到体现，例如在手术机器人、无人机载荷操控，或者服务型机器人的人体交互设计中。

评分☆☆☆☆☆

我对人工智能和自动化领域的研究一直保持着高度的关注，尤其是那些能够推动产业升级和技术革新的前沿理论。“柔性构件：变形场分析、重构及其应用”这本书，加上它所属的“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”的光环，无疑是一个极具吸引力的研究方向。我设想，这本书或许会探讨如何将先进的传感技术与机器学习算法相结合，以实现对柔性构件变形的实时监测和智能控制。例如，如何利用计算机视觉或应变传感器的读数，通过“重构”技术来实时了解构件的应力分布和形变状态，从而在制造过程中进行及时的调整，或者在机器人运行过程中做出精准的反馈。我非常期待书中能够提供一些关于如何利用AI优化柔性构件设计和制造流程的思路，从而推动智能制造向更高层次发展，并且能够为开发更具适应性和智能化的机器人系统奠定理论基础。