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.6 P.417-496

<<< CONTENTS >>>

Articles

Rate dependence of ultra high toughness cementitious composite under direct tension

He-dong Li, Shi-lang Xu

DOI: 10.1631/jzus.A1600031 Downloaded: 2164 Clicked: 3729 Cited: 1 Commented: 0(p.417-426) <Full Text> <PPT> 1673

Chinese summary <50> 超高韌性水泥基複合材料直接拉伸特性應變率效應研究

目的：水泥基材料的拉伸性能會随着荷載速率的變化而變化。本文旨在探讨加載速率爲4×10^-6~ 1×10^-1 s^-1時，超高韌性水泥基複合材料直接拉伸初裂抗拉強度、初裂抗拉應變、彈性模量、極限抗拉應變、極限抗拉強度、多縫開(kāi)裂特性和耗能能力的變化規律，爲超高韌性水泥基複合材料在抗震工(gōng)程中(zhōng)的應用提供必要的科學依據和參考。
創新點：1. 通過直接拉伸試驗較爲全面地測定超高韌性水泥基複合材料在4×10^-6~1×10^-1 s^-1應變速率範圍内的直接拉伸性能；2. 建立适宜的拟合方程，可直觀反映多種直接拉伸性能指标随應變率的變化規律。
方法：1. 通過直接拉伸試驗，确定加載速率對超高韌性直接拉伸特性的影響（圖2和4）；2. 通過對實驗結果的拟合，簡單直觀地反映應變率對拉伸彈性模量、初裂抗拉強度和極限抗拉強度的影響規律（圖3、5和7）。
結論：基于超高韌性水泥基複合材料薄闆直接拉伸試驗，當應變速率在4×10^-6~1×10^-1 s^-1的範圍内變化時：1. 材料的初裂抗拉強度、初裂抗拉應變、拉伸彈性模量、極限抗拉強度和耗能能力都具有應變速率敏感性，其中(zhōng)除初裂抗拉應變随應變率升高而減小(xiǎo)外(wài)，其它幾項性能指标都顯示出明顯的動态強化效應；2. 多縫開(kāi)裂模式和極限抗拉應變對應變率不敏感，極限裂縫寬度始終在100 μm以内，極限抗拉應變保持在3.7%左右；3. 應變率對初裂抗拉強度、拉伸彈性模量、極限抗拉強度和耗能能力的動态增強效應都存在一(yī)個阈值（皆在1×10^-3 s^-1附近），在應變率達到阈值之後，動态效應才更加顯著；4. 超高韌性水泥基複合材料具有明顯優于混凝土的耗能能力，在地震荷載（對應應變率在1×10^-4~1×10^-2 s^-1）作用下(xià)其耗能能力可達C20混凝土的1000倍。

關鍵詞組：超高韌性水泥基複合材料；率效應；直接拉伸；應變硬化；多縫開(kāi)裂

Design procedure for thin three-layer plates made of a depleted material

Gianpaolo Perrella, Giovanni Maria Montuori, Massimiliano Fraldi, Elena Mele

DOI: 10.1631/jzus.A1500051 Downloaded: 2472 Clicked: 4531 Cited: 0 Commented: 0(p.427-442) <Full Text> <PPT> 1692

Chinese summary <48> 基于中(zhōng)空單元的夾層平闆結構設計方法研究

目的：大(dà)型的桁架結構或空間剛架結構可以認爲是用中(zhōng)空單元組合而成的宏觀結構，在結構初步設計時，如何設計排布中(zhōng)空基本單元以滿足結構的性能要求是設計的關鍵。本文旨在探讨夾層平闆結構，在給定豎向變形控制指标後，如何使用簡化的方法快速設計各層中(zhōng)空基本單元的尺寸和空隙程度。
創新點：1. 對于水立方這種複雜(zá)的空間多面體(tǐ)網格結構，本文将其理想化爲連續的中(zhōng)空介質，利用微觀力學中(zhōng)的均質化分(fēn)析方法，将結構分(fēn)解爲多個基本單元（RVE）進行分(fēn)析，從而推導出結構性能指标與單元參數之間的關系。2. 對于大(dà)跨度平闆結構，本文提出一(yī)種基于RVE重複疊加組合的設計方法，并利用有限元法對該方法進行檢驗。
方法：1. 對夾層平闆結構的彎曲特性進行理論分(fēn)析，根據Kirchhoff-Love理論，得到闆彎曲剛度與各層的截面慣性矩之間的關系；2. 通過理論推導出結構彎曲剛度（圖3）、材料使用量（圖4）随層厚度和層密度的變化關系；3. 從基本單元出發，利用均質化分(fēn)析方法分(fēn)别對中(zhōng)空立方體(tǐ)（圖5）和空間桁架結構（圖6）進行分(fēn)析，得到結構抗彎剛度随單元中(zhōng)空程度和距截面中(zhōng)性軸距離(lí)的函數關系（圖7和8），進而推導出結構參數化設計的拟合公式；4. 利用該設計公式，針對一(yī)個90 m×90 m×2.5 m的平闆結構，以跨中(zhōng)撓度爲跨度的1/500爲設計指标，分(fēn)别設計由兩種基本單元組成的夾層平闆結構，并将結構撓度的有限元計算結果與設計指标進行比較（圖12）。
結論：1. 本文提出的利用中(zhōng)空單元組成的夾層平闆結構的設計方法，通過優化設計中(zhōng)空單元的各項參數，可以在保證性能指标的同時最大(dà)化降低結構質量，得到最優剛度質量比。2. 本設計方法和有限元法得到的結果之間差異非常小(xiǎo)，說明該設計方法準确可靠。
（感謝浙江大(dà)學建築工(gōng)程學院博士生(shēng)王煜成提供中(zhōng)文概要）

關鍵詞組：薄闆；多層闆；中(zhōng)空材料；均質化分(fēn)析方法；剛度設計

A numerical study on the high-velocity impact behavior of pressure pipes

Zhen-yu Wang, Yang Zhao, Guo-wei Ma, Zhi-guo He

DOI: 10.1631/jzus.A1500112 Downloaded: 2981 Clicked: 4829 Cited: 1 Commented: 0(p.443-453) <Full Text> <PPT> 1881

Chinese summary <41> 高速沖擊作用下(xià)壓力管道力學行爲的數值研究

目的：壓力管道是海洋石油化工(gōng)等領域的常用構件，但經常受到洩漏、爆炸和沖擊等事件的威脅。本文旨在探讨壓力管道在高速沖擊作用下(xià)的力學響應及失效機理。
創新點：1. 開(kāi)發考慮金屬大(dà)變形和高應變率的非線性模型，通過基于表面的流體(tǐ)腔模型來模拟管道氣體(tǐ)和管道的耦合作用，簡化計算模型，提高計算效率；2. 通過非線性有限元模型，對管道高速沖擊響應的影響因素進行研究分(fēn)析。
方法：1. 采用Johnson-Cook模型模拟金屬的大(dà)應變及大(dà)應變率；2. 采用基于表面的流體(tǐ)腔模拟管道與内部氣體(tǐ)的耦合作用；3. 與實驗結果對比驗證模型的準确性；4. 分(fēn)析影響管道抗沖擊性能的參數。
結論：1. 管道壁厚顯著影響管道的抗沖擊性能；2. 在相同沖量下(xià)，沖擊頭與管道的接觸面積越小(xiǎo)，管道越容易被穿透；3. 在管道受到沖擊時，管道内壓越大(dà)，管道抗穿透能力越小(xiǎo)；4. 在管道未被破壞時，管道内壓能夠增加管道的彈性，減小(xiǎo)管道受沖擊後的凹陷深度。

關鍵詞組：高速沖擊；流固耦合；抗沖擊性；數值模拟

A novel multi-objective optimization method for the pressurized reservoir in hydraulic robotics

Xiao-ping Ouyang, Bo-qian Fan, Hua-yong Yang, Shuo Ding

DOI: 10.1631/jzus.A1600034 Downloaded: 2402 Clicked: 3770 Cited: 1 Commented: 0(p.454-467) <Full Text> <PPT> 1910

Chinese summary <41> 液壓機器人增壓油箱的多目标優化方法研究

目的：增壓油箱是提高液壓機器人動力源功率密度的一(yī)個關鍵元件。高集成度的增壓油箱設計涉及6個設計變量和6個性能指标，必須采用合适的方法進行多目标優化。
創新點：1. 提出一(yī)種在設計變量平面上投影性能曲面的多目标優化方法，通過設定性能阈值縮小(xiǎo)可行解範圍并獲得決策；2. 将增壓油箱應用于液壓機器人，提高液壓機器人的功率密度和性能。
方法：1. 采用活塞-彈簧增壓的原理來實現機器人液壓系統增壓，分(fēn)析增壓油箱的容量、質量和增壓壓力等性能，确定增壓油箱設計爲多目标優化問題。2. 通過在設計變量平面上的投影曲面，分(fēn)析增壓油箱性能指标與設計變量之間的關系；将目标函數阈值引入設計限制條件，通過控制待優化的指标縮小(xiǎo)可行域，獲得油箱設計的最終解。3. 按優化設計參數加工(gōng)油箱樣機，并在液壓機器人動力源上進行測試。
結論：1. 增壓油箱優化結果表明本文提出的設計方法可幫助設計者獲得所需的最優解；2. 增壓油箱樣機的應用測試結果表明所研制的增壓油箱在液壓機器人系統中(zhōng)運行可靠。

關鍵詞組：液壓機器人；多目标優化；交互式決策；增壓油箱

Investigation of a ship’s hydroelasticity and seakeeping performance by means of large-scale segmented self-propelling model sea trials

Jia-long Jiao, Hui-long Ren, Shu-zheng Sun, Christiaan Adika Adenya

DOI: 10.1631/jzus.A1500218 Downloaded: 2699 Clicked: 4181 Cited: 2 Commented: 0(p.468-484) <Full Text> <PPT> 1938

Chinese summary <43> 實際海浪環境中(zhōng)大(dà)尺度自航船模的水彈性與耐波性試驗研究

目的：爲研究船舶在實際海浪環境中(zhōng)的水彈性與耐波性，本文提出一(yī)種新型模型試驗技術。将相同船型不同尺度的模型分(fēn)别在近海環境和水池環境中(zhōng)測量的試驗數據進行比較，分(fēn)析兩種試驗方法所得結果的差異，以說明水池模型試驗方法所存在的問題，從而進一(yī)步證明新型試驗技術的優越性。
創新點：1. 提出大(dà)尺度自航模型在實際海浪環境中(zhōng)實施水動力試驗的技術和方法；2. 将大(dà)尺度模型試驗結果與傳統水池模型試驗結果進行比較，分(fēn)析二者的差異。
方法：針對某母型船，分(fēn)别建造縮尺比爲1:25和1:50的大(dà)尺度模型和小(xiǎo)尺度模型。大(dà)尺度模型在自然海域的三維海浪中(zhōng)進行試驗測量，而小(xiǎo)尺度模型在水池長峰不規則波中(zhōng)進行試驗測量。測量過程中(zhōng)保證兩者的控制參數相似，并分(fēn)析試驗結果存在的差異。将數值計算的結果與大(dà)尺度模型試驗的結果進行比較，并基于數值計算分(fēn)析海浪的方向分(fēn)布函數對結果的影響。
結論：在近海海域中(zhōng)開(kāi)展的大(dà)尺度模型耐波性與波浪載荷試驗表明，本文提出的試驗測試系統和試驗方案是可行的。大(dà)尺度模型試驗是在自然海浪環境中(zhōng)進行的，比水池環境更接近實船的實際航行環境，所得數據對于船舶設計和研發具有更高的參考價值和意義。

關鍵詞組：水彈性；耐波性；分(fēn)段模型試驗；大(dà)尺度模型試驗；海試；尺度效應

Numerical investigation on thermal effects by adding thin compartmental plates into cooling enclosures with heat-leaking walls

Yong-hua Huang, Qiang Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1500319 Downloaded: 2288 Clicked: 3790 Cited: 0 Commented: 0(p.485-496) <Full Text> <PPT> 1742

Chinese summary <37> 壁面漏熱的冷卻腔體(tǐ)内增加薄壁隔闆引起的熱效應數值研究

目的：評估增加薄壁隔闆對于降低封閉腔中(zhōng)漏熱面的作用，爲在實際系統中(zhōng)采用薄壁隔闆提高溫度均勻性的可行性提供理論依據。
創新點：提出一(yī)種新的非平衡态外(wài)推邊界處理方法；提出在封閉冷卻牆體(tǐ)内增加薄壁隔闆的有效漏熱控制方法。
方法：采用熱格子波爾茲曼（Boltzmann）方法以及針對薄壁隔闆的改進型非平衡态熱邊界條件處理方法，将數值計算與理論分(fēn)析相結合，研究漏熱冷卻腔體(tǐ)内的動态過程。
結論：1. 在漏熱壁面附近增加薄壁隔闆可使壁面漏熱的冷卻箱體(tǐ)内降溫時間縮短，并且最終達到更好的溫度均勻性。2. 薄壁隔闆的位置靠近漏熱面可增強其效果，隔闆尺寸越大(dà)效果越好。3. 在更大(dà)的努塞爾數（Nu）或更小(xiǎo)的瑞利數（Ra）條件下(xià)，增加隔闆所起到的效果更加明顯。

關鍵詞組：隔闆；封閉腔；自然對流；格子波爾茲曼；冷卻速率；溫度均勻性