Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2014 Vol.15 No.9 P.681-760

<<< CONTENTS >>>

Mechanical and Civil Engineering

A terminal sliding mode based torque distribution control for an individual-wheel-drive vehicle

Pan Song, Chang-fu Zong, Masayoshi Tomizuka

DOI: 10.1631/jzus.A1400101 Downloaded: 3115 Clicked: 10026 Cited: 5 Commented: 0(p.681-693) <Full Text> <PPT> 2142

Chinese summary <183> 基于終端滑模控制的四輪獨立驅動汽車(chē)轉矩分(fēn)配方法

研究目的：四輪獨立驅動汽車(chē)四個車(chē)輪的電機轉矩可以正、反向輸出，有必要對其底盤集成控制系統進行針對性設計以保證各車(chē)輪間的協調運作。集成控制系統一(yī)般可以分(fēn)爲上層運動控制器和下(xià)層力分(fēn)配器。對于運動控制器的設計，同類研究一(yī)般采用滑模控制方法來處理汽車(chē)運動的非線性特征，其中(zhōng)終端滑模控制因具有高的穩态精度和有限時間收斂的特點而成爲研究熱點。對于力分(fēn)配器的設計，通常方法不能在保證運算效率的同時考慮到執行器的約束，從而很難應用于實際。本文采用終端滑模控制方法來設計運動控制器，通過分(fēn)析駕駛員(yuán)操作行爲從而更好地追蹤理想的車(chē)輛運動目标；并提出一(yī)種簡單有效的轉矩分(fēn)配控制策略，通過考慮輪胎附着極限從而将運動總力分(fēn)配至四個車(chē)輪上。
創新要點：本文創新性地将終端滑模控制應用到底盤集成控制系統以實現車(chē)輛縱向、側向及橫擺運動的聯合控制；本文提出了一(yī)種新穎的轉矩分(fēn)配控制策略，将複雜(zá)的有約束控制分(fēn)配問題分(fēn)解至若幹個簡單的無約束分(fēn)配子問題。
研究方法：本文采用分(fēn)層式協調控制方案（圖1），應用非奇異和全局快速終端滑模控制方法設計運動控制器，提出一(yī)種基于僞逆矩陣的有約束轉矩分(fēn)配策略，應用駕駛員(yuán)最優預瞄加速度模型來描述和分(fēn)析人-車(chē)閉環系統的運動響應，通過MATLAB/Simulink和CarSim的聯合仿真對所設計的四輪獨立驅動汽車(chē)轉矩分(fēn)配方法進行對比驗證。所設定的三個仿真工(gōng)況包括：開(kāi)環方向盤角階躍輸入（圖6、7及表2）、閉環雙移線工(gōng)況（圖8-10）和閉環對開(kāi)路面制動（圖11-15），分(fēn)别用以測試車(chē)輛橫擺、側向及縱向方向上的動力學響應。
重要結論：本文提出的基于終端滑模控制的四輪獨立驅動汽車(chē)轉矩分(fēn)配方法将車(chē)輛的穩态轉向特性由不足轉向轉變爲中(zhōng)性轉向，駕駛員(yuán)從而能更容易地操縱車(chē)輛而不需要對汽車(chē)的非線性響應做出額外(wài)的轉向補償。與此同時，該分(fēn)配方法在不影響車(chē)輛側向穩定性的前提下(xià)可以準确地響應駕駛員(yuán)的加速/制動意圖。仿真結果表明終端滑模控制器相比傳統滑模控制方法在車(chē)輛縱向、側向、橫擺方向上的運動控制效果均有一(yī)定程度地提高，而有約束的力分(fēn)配器更可以明顯地提高車(chē)輛的操縱性和穩定性。綜合評價表明，所提出的基于終端滑模控制的四輪獨立驅動汽車(chē)轉矩分(fēn)配方法獲得了最佳的控制性能，符合設計要求。

汽車(chē)動力學；底盤集成控制；駕駛員(yuán)模型；終端滑模控制；控制分(fēn)配

Study on the safety of operating high-speed railway vehicles subjected to crosswinds

Xin-biao Xiao, Liang Ling, Jia-yang Xiong, Li Zhou, Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400062 Downloaded: 3656 Clicked: 9777 Cited: 9 Commented: 0(p.694-710) <Full Text> <PPT> 2351

Chinese summary <187> 高速鐵道車(chē)輛風緻安全性研究

研究目的：随着世界高速鐵路網的不斷擴張，高速列車(chē)的風緻安全性成爲高速鐵路系統中(zhōng)的關鍵科學問題之一(yī)。本文利用車(chē)輛-軌道耦合動力學理論分(fēn)析方法，确定強橫風作用下(xià)高速鐵道車(chē)輛的安全運行區域，爲強風地帶高速列車(chē)的安全控制提供依據。
創新要點：首次提出了考慮多種影響因素和脫軌評價指标的高速列車(chē)脫軌安全域分(fēn)析方法，并運用到了高速鐵道車(chē)輛風緻安全性研究中(zhōng)。
研究方法：基于車(chē)輛-軌道耦合動态響應及多種安全性評價指标得到橫風作用下(xià)高速鐵道車(chē)輛的安全運行區域和脫軌區域。
重要結論：鐵道車(chē)輛安全性評價指标中(zhōng)，輪重減載率對橫風激勵最爲敏感，其确定了強風作用下(xià)高速車(chē)輛安全運行區域的邊界。

高速鐵路；高速列車(chē)；橫風；安全邊界；脫軌

A 2DOF hybrid energy harvester based on combined piezoelectric and electromagnetic conversion mechanisms

Hong-yan Wang, Li-hua Tang, Yuan Guo, Xiao-biao Shan, Tao Xie

DOI: 10.1631/jzus.A1400124 Downloaded: 3609 Clicked: 10451 Cited: 10 Commented: 0(p.711-722) <Full Text> <PPT> 2374

Chinese summary <164> 一(yī)種兩自由度的壓電-電磁複合能量收集器

研究目的：對一(yī)種兩自由度的壓電-電磁複合能量收集器進行發電性能研究。
創新要點：建立了一(yī)種兩自由度壓電-電磁複合能量收集器發電性能的數學模型，該數學模型可以評估兩自由度壓電-電磁複合能量收集器中(zhōng)壓電元件、電磁元件以及系統總輸出功率。
研究方法：對一(yī)種兩自由度的壓電-電磁複合能量收集器進行數學建模，并實驗驗證數學模型的正确性。基于實驗測試得到的系統參數值，理論研究壓電元件和電磁元件的機電耦合系數對不同能量收集器發電性能的影響關系，并對幾種能量收集器的發電能力進行對比分(fēn)析。
重要結論：對于非強耦合（弱或中(zhōng)間耦合）的兩自由度機電轉換器，複合能量收集器（壓電+電磁）具有比單一(yī)能量收集器（壓電或電磁）更高的發電能力。

振動；複合能量收集；兩自由度模型；壓電；電磁

Functional catastrophe analysis of collapse mechanisms for deep tunnels based on the Hoek-Brown failure criterion

Cheng-ping Zhang, Kai-hang Han, Qian Fang, Ding-li Zhang

DOI: 10.1631/jzus.A1400014 Downloaded: 2667 Clicked: 6794 Cited: 4 Commented: 0(p.723-731) <Full Text> <PPT> 1976

Chinese summary <166> 基于霍克-布朗準則的深埋隧道塌方機制泛函突變分(fēn)析

研究目的：分(fēn)析深埋隧道的塌方機制并推導塌方體(tǐ)形狀曲線的解析表達式。
創新要點：基于霍克-布朗準則，采用泛函突變理論推導得到了深埋隧道塌方體(tǐ)形狀曲線的解析表達式，并據此分(fēn)析了圍岩參數變化對塌方體(tǐ)形狀的影響規律。
研究方法：通過理論分(fēn)析建立深埋圓形隧道的解析模型（圖1），采用泛函突變理論推導基于霍克-布朗準則的隧道塌方體(tǐ)形狀曲線解析表達式，并研究圍岩參數變化對塌方體(tǐ)形狀的影響規律（圖3和4，表2）。通過與自然拱理論和模型試驗結果的對比（圖5-7）驗證本文解析解的正确性。
重要結論：采用泛函突變理論推導了基于霍克-布朗準則的深埋隧道塌方體(tǐ)形狀曲線解析表達式。該解析表達式簡潔直觀，不僅可以預測無支護條件下(xià)隧道的塌落體(tǐ)尺寸，還可以估算塌落圍岩作用于襯砌上的荷載。

深埋隧道；隧道塌方；泛函突變理論；霍克-布朗準則

Mechanics

Using a form-finding model to analyze the effect of actin bundles on the stiffness of a cytoskeleton network

Bao-long Li, Yi-fan Wang, Jing-hai Gong

DOI: 10.1631/jzus.A13b0287 Downloaded: 2407 Clicked: 4828 Cited: 1 Commented: 0(p.732-742) <Full Text> <PPT> 113

Chinese summary <163> 基于找形模型研究微絲束對細胞骨架剛度的影響

研究目的：基于找形分(fēn)析建立的細胞骨架力學模型研究微絲束對細胞骨架剛度的影響。
創新要點：目前存在的細胞模型很少考慮微絲束對細胞力學特性的重要作用。本文基于細胞找形模型模拟了同時包含微絲和微絲束的細胞骨架網絡結構，并且分(fēn)析了細胞中(zhōng)微絲束的排列方向、微絲束的含量以及微絲波動對細胞剛度的影響。
研究方法：基于找形模型，随機生(shēng)成由微絲、微絲束（梁單元）以及交聯蛋白(bái)（索單元）形成的細胞骨架網絡結構，依靠非線性有限元計算和樣本統計，計算出模型的彈性模量。通過分(fēn)别改變模型中(zhōng)微絲束的排列方向、微絲束的含量以及模型初始最大(dà)位移等參數，得出細胞骨架模型的彈性模量随這些參數的變化趨勢，以此來研究微絲束對細胞剛度的影響。
重要結論：細胞骨架網絡中(zhōng)微絲的波動會導緻細胞剛度降低；與拉伸方向平行排列的微絲束可以顯著地提高細胞的剛度，相比之下(xià)随機分(fēn)布的微絲束對細胞剛度沒有貢獻；在微絲材料總量固定的情況下(xià)，細胞剛度随着平行排列微絲束含量的增加呈現出先升高後降低的趨勢。

細胞骨架網絡；找形模型；彈性模量；微絲束

Environmental Engineering

Calibration and validation of an activated sludge model for a pilot-scale anoxic/anaerobic/aerobic/post-anoxic process

Xiang Hu, Li Xie, Chuang Mi, Dian-hai Yang

DOI: 10.1631/jzus.A14b0066 Downloaded: 3223 Clicked: 6362 Cited: 0 Commented: 0(p.743-752) <Full Text> <PPT> 83

Chinese summary <145> 基于缺氧/厭(yàn)氧/好氧/後缺氧工(gōng)藝的活性污泥模型的校正及驗證

研究目的：以中(zhōng)試規模的缺氧/厭(yàn)氧/好氧/後缺氧污水處理工(gōng)藝爲研究對象，利用BioWin^TM軟件平台及其内嵌的通用活性污泥數學模型，建立該工(gōng)藝的模拟模型并進行校正及驗證，爲優化該工(gōng)藝的設計及運行提供指導。
創新要點：成功建立了缺氧/厭(yàn)氧/好氧/後缺氧工(gōng)藝的活性污泥數學模型，甄别出對模型輸出有顯著影響的靈敏性參數。
研究方法：通過呼吸試驗獲取進水水質特征，利用BioWin^TM軟件平台及其内嵌的通用活性污泥數學模型，建立該工(gōng)藝的模拟模型，利用模型缺省值進行初步穩态模拟，借助靈敏度分(fēn)析方法篩選出重要的化學計量學參數及動力學參數并進行模型校正，利用校正後的模型對該工(gōng)藝進行了動态模拟。
重要結論：靈敏度分(fēn)析可優化模型的校正過程，該工(gōng)藝出水水質對異養菌（OHOs）和氨氧化菌（AOB）（Y_H、μ_maxH、K_s、b_H、μ_maxA、K_NH4A和b_aeroa,A）的靈敏度較高。校正後的模型穩态模拟出水水質（pH、COD、TN、NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N和TP）控制在與實測出水相應的95%置信區間内（圖5），表明穩态模型建模成功，在此基礎上運行的動态模拟準确地反映了工(gōng)藝實際運行中(zhōng)的濃度變化趨勢（圖6），具有良好的模拟效果。

活性污泥模型；模拟；校正；驗證；靈敏度分(fēn)析

Scenarios for vehicular air pollutant emissions abatement: a case study in Hangzhou, China

Qing-yu Zhang, Xin-xing Li, Wei-li Tian, Ang-yi Fu, Wei-fei Du, Cui Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1400013 Downloaded: 2761 Clicked: 5590 Cited: 2 Commented: 0(p.753-760) <Full Text> <PPT> 1995

Chinese summary <150> 杭州市機動車(chē)污染物(wù)排放(fàng)的減排情景研究

研究目的：預測機動車(chē)保有量；根據機動車(chē)污染特征，預測機動車(chē)污染物(wù)排放(fàng)量；評估不同管理措施下(xià)機動車(chē)污染物(wù)的削減效果。
創新要點：綜合不同管理措施，整合評價多種管理措施并行條件下(xià)，機動車(chē)污染物(wù)排放(fàng)量的削減情況。
研究方法：通過長期能源替代計劃（LEAP）模型對機動車(chē)保有量進行預測，相關排放(fàng)因子采用校正的能源替代（AER）模型進行估算。最後設計四個情景模式，評估不同情景的減排效果，并與基礎情景進行對比。
重要結論：1. 至2015年杭州市機動車(chē)将增長60.7%。2. 淘汰超标機動車(chē)和提高機動車(chē)污染排放(fàng)标準能有效控制CO和VOCs，而對NO_x和PM的總量削減效果不明顯。3. 采用多種控制手段，如淘汰劣化超标機動車(chē)、提高機動車(chē)排放(fàng)标準、提供低硫代燃油及引進能源替換型機動車(chē)将大(dà)大(dà)減少機動車(chē)污染物(wù)的排放(fàng)量。

削控策略；減排；情景分(fēn)析；機動車(chē)保有量