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

2016 Vol.17 No.1 P.1-88

<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Mechanics of Advanced Intelligent Materials and Structure (Guest Editor: Wei-qiu CHEN)

Review: Mechanics of dielectric elastomers: materials, structures, and devices

Feng-bo Zhu, Chun-li Zhang, Jin Qian, Wei-qiu Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1500125 Downloaded: 6781 Clicked: 18345 Cited: 4 Commented: 0(p.1-21) <Full Text> <PPT> 5866

Chinese summary <2264> 介電高彈體(tǐ)的材料、結構和器件力學

目的：介電高彈體(tǐ)是典型電敏性材料，在外(wài)加電場的作用下(xià)會産生(shēng)大(dà)的變形，這一(yī)特點使其成爲人工(gōng)肌肉緻動的理想材料，近年來引起研究者的廣泛關注。本文着重介紹介電高彈體(tǐ)的基本力學理論和方法，旨在爲相關材料、結構和器件的設計提供參考，也有助于不同專業背景的研究者了解并開(kāi)展介電高彈體(tǐ)的相關研究。
概要：本文介紹了近年來關于介電高彈體(tǐ)力電耦合問題的一(yī)些理論和數值研究，重點包括力電耦合的控制方程、材料本構關系、粘彈性響應、力電失穩以及緻動器設計等方面。文中(zhōng)讨論了基于非平衡熱動力學的介電高彈體(tǐ)力學模型處理複雜(zá)構型或與時間相關變形時常被采用的數值方法，優化介電高彈體(tǐ)緻動極限的力學設計，以及介電高彈體(tǐ)力電響應在典型緻動器中(zhōng)的應用。

關鍵詞組：人工(gōng)肌肉；智能材料；介電高彈體(tǐ)；力電耦合；本構關系；粘彈性；力電失穩；緻動

Review: Constitutive models of artificial muscles: a review

Hui-ming Wang, Shao-xing Qu

DOI: 10.1631/jzus.A1500207 Downloaded: 3142 Clicked: 4297 Cited: 3 Commented: 0(p.22-36) <Full Text> <PPT> 1990

Chinese summary <652> 人工(gōng)肌肉本構模型的綜述

摘要：人工(gōng)肌肉是指具有類似肌肉特性的材料，這些材料在外(wài)界激勵下(xià)，可以實現大(dà)變形，且響應速度快。本文總結兩類人工(gōng)肌肉本構模型的研究成果：一(yī)類是介電高彈體(tǐ)，另一(yī)類是響應性凝膠。本文中(zhōng)提到的本構模型僅限于用自由能函數導出的情形。對于介電高彈體(tǐ)材料，分(fēn)别綜述超彈性模型和粘性超彈性模型。在超彈性模型中(zhōng)，列出目前研究中(zhōng)使用較多的一(yī)些本構模型的自由能函數具體(tǐ)表達式；比較neo-Hookean、Gent、Arruda-Boyce和Ogden四種模型在單軸拉伸和等雙軸拉伸兩種情形下(xià)的名義應力-伸長曲線；給出了考慮一(yī)些重要因素的研究模型，這些因素包括材料可壓縮性、取向極化、變介電常數、熱耦合、受纖維約束、流體(tǐ)耦合以及空氣耦合等。對于響應性凝膠，分(fēn)别綜述水凝膠、pH敏感性凝膠、溫度敏感性凝膠、聚電解質凝膠以及反應性凝膠等的本構模型。這些精确、可靠和有效的本構模型，将有助于開(kāi)展人工(gōng)肌肉系統的性能分(fēn)析和預測，甚至揭示其内在特性和本質規律。

關鍵詞組：本構模型；人工(gōng)肌肉；介電高彈體(tǐ)；響應性凝膠；自由能函數

Carrier distribution and electromechanical fields in a free piezoelectric semiconductor rod

Chun-li Zhang, Xiao-yuan Wang, Wei-qiu Chen, Jia-shi Yang

DOI: 10.1631/jzus.A1500213 Downloaded: 2657 Clicked: 3955 Cited: 5 Commented: 0(p.37-44) <Full Text> <PPT> 2017

Chinese summary <51> 壓電半導體(tǐ)杆中(zhōng)的機械場、電場與載流子分(fēn)布研究

目的：導出兩端自由壓電半導體(tǐ)杆在自平衡狀态下(xià)内部的位移、電場和載流子的解析表達式，研究它們在杆内的分(fēn)布規律。
方法：從三維壓電半導體(tǐ)基本方程出發，以n-型半導體(tǐ)爲例，導出考慮拉伸變形模式的一(yī)維模型方程。由平衡方程和電學高斯方程和平衡态下(xià)杆内電流爲零的條件得到以電場爲未知(zhī)函數一(yī)階非線性偏微分(fēn)方程，再利用兩端自由的邊界條件解出位移、電場和載流子的分(fēn)布函數。
結論：壓電半導體(tǐ)杆内位移、載流子和電勢關于杆的幾何中(zhōng)心對稱分(fēn)布，電場、應變則關于中(zhōng)心呈反對稱分(fēn)布形式；它們在半導體(tǐ)兩端部的區域變化比在中(zhōng)心區域的變化劇烈。此外(wài)，半導體(tǐ)杆兩端部的載流子濃度、位移和電場顯著依賴于端部的初始載流子濃度。

關鍵詞組：力電耦合；半導體(tǐ)；杆；載流子

Articles

Supersonic mixing augmentation mechanism induced by a wall-mounted cavity configuration

Wei Huang, Ming-hui Li, Feng Ding, Jun Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1500244 Downloaded: 2901 Clicked: 4995 Cited: 5 Commented: 0(p.45-53) <Full Text> <PPT> 2300

Chinese summary <46> 壁面凹腔誘導的超聲速混合增強機制研究

目的：探索壁面凹腔誘導下(xià)的超聲速混合增強機理，期望得到混合性能較好的燃料噴注策略。
方法：提出兩種壁面凹腔與橫向射流的組合方式，采用數值模拟方法對其流場進行研究，并與純橫向射流流場細節進行對比。
結論：1. 由于凹腔上面剪切層與壁面橫向射流的強烈交互作用，使得橫向射流流場中(zhōng)産生(shēng)的渦系結構被打破；相應地，當把凹腔置于噴孔上遊時，亞聲速區域面積更大(dà)；2. 當把凹腔置于噴孔上遊時，燃料的滲透深度更大(dà)，這樣有利于超聲速氣流中(zhōng)燃料與空氣的混合；3. 新構型I的混合效率最高。凹腔上面剪切層與壁面橫向射流之間的強烈交互作用對超聲速氣流中(zhōng)燃料的混合增強影響很大(dà)，這是超燃沖壓發動機燃燒室構型優化的基石。

關鍵詞組：超燃沖壓發動機；混合增強；渦流發生(shēng)器；橫向射流；凹腔；超聲速氣流

Numerical analysis of flow and cavitation characteristics in a pilot-control globe valve with different valve core displacements

Jin-yuan Qian, Bu-zhan Liu, Zhi-jiang Jin, Jian-kai Wang, Han Zhang, An-le Lu

DOI: 10.1631/jzus.A1500228 Downloaded: 5476 Clicked: 6471 Cited: 9 Commented: 0(p.54-64) <Full Text> <PPT> 2207

Chinese summary <52> 先導式截止閥在不同閥芯位置下(xià)流動和汽蝕特性的數值分(fēn)析

目的：先導式截止閥可通過一(yī)個先導閥，利用流體(tǐ)在閥門前後自身的壓差控制主閥的啓閉，是一(yī)種新型節能型截止閥。本文探讨該閥在開(kāi)啓和關閉狀态下(xià)、不同入口速度情況下(xià)和不同閥芯位置下(xià)的流動和汽蝕特性，爲後期結構優化提供設計建議。
創新點：1. 分(fēn)析先導式截止閥的閥芯上下(xià)表面壓差的變化情況，驗證其可行性和模型準确性；2. 建立數值模型，對先導式截止閥在不同啓閉狀态和不同閥芯位移情況下(xià)進行流動和汽蝕分(fēn)析。
方法：1. 通過數值模拟，分(fēn)析閥芯上下(xià)表面的壓差，并與現有文獻進行比較，驗證模型的準确性（圖3）；2. 建立開(kāi)啓和關閉條件下(xià)的閥門模型，比較兩種狀态下(xià)該閥的流動和汽蝕特性（圖4和5）；3. 建立不同入口速度條件下(xià)的閥門模型，比較分(fēn)析速度對該閥的汽蝕情況的影響（圖6）；4. 建立不同閥芯位置的閥門模型，比較分(fēn)析不同閥芯位置下(xià)的速度和壓力情況，進一(yī)步驗證該閥的可行性，并分(fēn)析閥芯位置對閥門汽蝕的影響（圖7）。
結論：1. 在開(kāi)啓和關閉狀态下(xià)，流速和汽含率在閥座底部靠近出口處達到峰值；2. 入口速度更高的情況下(xià)，閥的開(kāi)啓速度更快，但汽含率并不一(yī)定同步上升；3. 當閥芯處于低位置時，雖然對閥門出口處影響位置較小(xiǎo)，但其壓力梯度較大(dà)、汽含率較高，選取合适的彈簧剛度非常重要。

關鍵詞組：計算流體(tǐ)動力學；先導式截止閥；閥芯位移；汽蝕

Evaluation of the critical stress of anodized coating-AZ91D substrate using SEM in-situ technology

Xi-shu Wang, Xing-wu Guo, Yuzo Nakamura, Hui-hui Yang, Pan Pan

DOI: 10.1631/jzus.A1500178 Downloaded: 2566 Clicked: 3759 Cited: 0 Commented: 0(p.65-75) <Full Text> <PPT> 1959

Chinese summary <215> 氧化塗層與基體(tǐ)臨界失效應力的掃描電鏡原位試驗研究

目的：以典型的氧化塗層-AZ91D基體(tǐ)材料爲背景，開(kāi)展塗層-基體(tǐ)結構的損傷行爲研究，在掃描電鏡原位試驗基礎上定量地評價這種結構材料的臨界彎曲失效應力值。
創新點：在Stoney方程基礎上首次用試驗方法定量地表征氧化塗層與鎂鋁合金基體(tǐ)材料的彎曲失效應力值；建立梁或闆最大(dà)彎曲擾度與臨界失效應力之間的關系，彌補Stoney方程中(zhōng)沒有考慮二維效應及塗層材料特性引起的不足，使之更加适合工(gōng)程中(zhōng)常見塗層-基體(tǐ)結構的損傷特點。
方法：将如圖1所示的塗層-基體(tǐ)結構試件斷面仔細抛光後置于掃描電鏡的真空腔内；邊加載邊觀察斷面中(zhōng)損傷行爲的變化，特别是界面附近的變形和開(kāi)裂狀态；比較所對應的加載點位移和載荷大(dà)小(xiǎo)，并把其作爲評價損傷行爲的力學參數。
結論：本試驗方法定量表征的塗層-基體(tǐ)結構臨界彎曲失效應力值和失效位置與掃描電鏡損傷演化圖形的數字散斑分(fēn)析結果一(yī)緻，适合二維塗層-基體(tǐ)結構損傷應力的評價。

關鍵詞組：氧化塗層；彎曲應力；界面力學；掃描電鏡原位觀測技術

An efficient parameter identification procedure for soft sensitive clays

Liang Ye, Yin-fu Jin, Shui-long Shen, Ping-ping Sun, Cheng Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1500031 Downloaded: 2651 Clicked: 3583 Cited: 2 Commented: 0(p.76-88) <Full Text> <PPT> 1936

Chinese summary <49> 一(yī)個結構性軟土參數的确定方法

目的：軟土流變和結構破壞的相互耦合導緻結構性軟土的參數難以準确得到。本文拟建立一(yī)個有效的參數确定方法，期望僅基于常規的室内試驗得到可靠的、合理的本構參數。
創新點：1. 通過采用優化方法來實現結構性軟土參數的确定；2. 僅基于常規的室内試驗得到本構參數；3. 采用最近提出的考慮各向異性、流變和結構破壞的超應力本構模型。
方法：1. 建立數值模拟和試驗數據之間的誤差計算公式；2. 通過流變本構模拟室内常規試驗，并計算模拟誤差；3. 采用下(xià)山單純形法（simplex）優化方法，尋找模拟誤差的最小(xiǎo)值；此最小(xiǎo)值對應的這組模拟參數即爲土體(tǐ)的最優參數；4. 利用最優參數模拟其他類型的試驗，驗證參數的合理性和可靠性。
結論：本文提出的優化程序可以有效的找到結構性土體(tǐ)的流變和結構破壞參數，并且找到的參數非常的合理。

關鍵詞組：黏土；流變；結構破壞；優化；參數确定