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.12 P.923-1012

<<< CONTENTS >>>

Report

Report: Sustainability development strategy of China’s high speed rail

Ping Tan, Ji-en Ma, Jing Zhou, You-tong Fang

DOI: 10.1631/jzus.A1600747 Downloaded: 7490 Clicked: 13882 Cited: 2 Commented: 0(p.923-932) <Full Text> <PPT> 5934

Chinese summary <1789> 中(zhōng)國高速鐵路的可持續發展戰略

概要：2008年以來，通過引進和消化國外(wài)高速鐵路先進技術，聯合設計生(shēng)産和在此基礎上的再創新，中(zhōng)國高速鐵路技術進入了世界前列，并建成了世界上規模最大(dà)，技術水平最高的高速鐵路網，大(dà)幅改善了中(zhōng)國的交通狀況，帶動了區域經濟和裝備制造業的發展。新的中(zhōng)長期鐵路網規劃的發布和"一(yī)帶一(yī)路"及中(zhōng)國鐵路"走出去(qù)"戰略的實施，給高速鐵路技術提出了新的要求。未來需要将現代科學的最新進展與高速鐵路建設、運營、維護和管理的工(gōng)程進一(yī)步結合，通過創新支撐中(zhōng)國乃至世界高速鐵路的可持續發展。

關鍵詞組：高速鐵路；技術創新；可持續發展

Articles

A growth-based topology optimizer for stiffness design of continuum structures under harmonic force excitation

Bao-tong Li, Su-na Yan, Jun Hong

DOI: 10.1631/jzus.A1500328 Downloaded: 2504 Clicked: 4804 Cited: 0 Commented: 0(p.933-946) <Full Text> <PPT> 1851

Chinese summary <27> 簡諧力激勵下(xià)結構的生(shēng)長式拓撲優化方法

目的：振動在機械結構的工(gōng)作中(zhōng)難以避免，且會顯著降低機械結構的工(gōng)作性能。因此，結構動力響應優化設計就顯得尤爲重要。本文旨在提出一(yī)種有效的簡諧力激勵下(xià)的結構拓撲優化方法，通過合理設計結構内加強筋的布局，減小(xiǎo)結構特定位置處的位移響應幅值，提高結構的固有頻(pín)率。
概要：植物(wù)葉脈可以有效地支撐葉片以抵抗自然界中(zhōng)的風載。本文将植物(wù)葉脈分(fēn)叉構型的最優性用于簡諧力激勵下(xià)結構的加強筋布局設計。首先對簡諧力激勵下(xià)結構的位移響應進行分(fēn)析。在此基礎上，構建以最小(xiǎo)化結構特定位置處位移響應幅值爲目标的生(shēng)長式拓撲優化模型。然後，從數學優化的角度，分(fēn)析加強筋的生(shēng)長應遵循的規律，提出生(shēng)長式拓撲優化的數值實現算法。最後通過數值算例證明了本文所提方法的有效性。

關鍵詞組：拓撲優化；适應性生(shēng)長；剛度設計；加強筋布局；簡諧力激勵

Investigation of high-speed rubbing behavior of labyrinth-honeycomb seal for turbine engine application

Na Zhang, Hai-jun Xuan, Xiao-jun Guo, Chao-peng Guan, Wei-rong Hong

DOI: 10.1631/jzus.A1600367 Downloaded: 5506 Clicked: 4220 Cited: 1 Commented: 0(p.947-960) <Full Text> <PPT> 2062

Chinese summary <25> 渦輪發動機中(zhōng)篦齒-蜂窩封嚴結構的高速碰磨行爲研究

目的：航空渦輪發動機中(zhōng)篦齒-蜂窩封嚴結構能有效降低轉動部件之間的氣路間隙，提高發動機效率。在高溫高速可磨耗試驗機上進行模拟試驗，研究篦齒葉尖與金屬蜂窩之間的高速碰磨行爲，分(fēn)析篦齒葉片和金屬蜂窩的磨耗機理，驗證金屬蜂窩的可磨耗性能，爲蜂窩封嚴在航空發動機中(zhōng)的應用提供參考。
創新點：1. 成功研制了模拟封嚴材料高速碰磨行爲的可磨耗試驗機，最高葉尖線速度可達520 m/s；2. 進行了不同試驗條件下(xià)的高速碰磨試驗，驗證了蜂窩材料的可磨耗性能；3. 通過高速碰磨試驗，掌握篦齒葉片和金屬蜂窩的磨耗機理；4. 獲得了高速碰摩力和沖擊加速度數據，對應用具有指導作用。
方法：1. 研制高速可磨耗試驗機；徑向進給系統驅動封嚴試樣主動與高速旋轉的模拟葉片接觸并發生(shēng)高速碰磨作用；試驗機可模拟的最高葉尖線速度爲520 m/s，進給速率爲5~1000 μm/s。2. 在可磨耗試驗機上進行不同葉尖線速度和進給速率條件下(xià)的高速碰磨試驗，通過對試驗現象以及試驗後金屬蜂窩和篦齒葉片的磨損形貌進行分(fēn)析，了解高速碰磨過程中(zhōng)的磨損機理。3. 通過三向測力傳感器對試驗中(zhōng)的高速碰磨力進行測量，分(fēn)析碰摩力的變化規律。4. 通過加速度傳感器測量瞬時沖擊響應，了解沖擊作用的大(dà)小(xiǎo)。
結論：1. 高速碰磨時，金屬蜂窩會發生(shēng)切削和擠壓變形，進給速率對擠壓變形具有重要影響。2. 高速碰磨時篦齒與蜂窩的接觸區域會産生(shēng)摩擦火(huǒ)花，導緻篦齒葉尖發生(shēng)燒蝕和氧化，摩擦熱的聚集會導緻蜂窩材料在被切削時發生(shēng)塗抹，同時伴随有蜂窩材料向篦齒葉尖的轉移。3. 随着碰磨時間的延長，摩擦熱逐漸增多，且在高葉尖線速度條件下(xià)更加明顯。4. 測試到的碰摩力曲線可以分(fēn)爲四個典型階段：碰磨前、碰磨中(zhōng)、停留和退出；試驗測試到的最大(dà)徑向和切向碰摩力分(fēn)别爲716 N和871 N，不會對轉子部件造成損壞。5. 在最大(dà)葉尖線速度和最大(dà)進給速率參數下(xià)測得的沖擊加速度最大(dà)，約爲341g。

關鍵詞組：篦齒-蜂窩封嚴；航空發動機帶冠渦輪葉片；可磨耗性；碰磨機理；碰磨作用

A structural reliability-based sensitivity analysis method using particles swarm optimization: relative convergence rate

Cheng-ming Lan , Hui Li, Jun-Yi Peng , Dong-Bai Sun

DOI: 10.1631/jzus.A1500255 Downloaded: 3395 Clicked: 5350 Cited: 0 Commented: 0(p.961-973) <Full Text> <PPT> 1948

Chinese summary <33> 基于粒子群優化算法的結構可靠度敏感性分(fēn)析方法：相對收斂率

目的：采用粒子群優化算法（PSO）提高可靠指标計算效率，探讨PSO求解過程中(zhōng)粒子群在不同維上統計特性及其收斂速率表征的物(wù)理含義，研究優化過程中(zhōng)粒子收斂速率與随機變量敏感性的關系，提出可靠度敏感性分(fēn)析新方法。
創新點：1. 根據PSO尋優過程中(zhōng)粒子在不同維上收斂速率不同，提出采用收斂速率表征随機變量的敏感性；2. 建立最優化策略組避免粒子群收斂過程中(zhōng)産生(shēng)波動，保證最優化策略組内粒子在不同維上連續收斂，定義相對收斂率表征随機變量敏感性。
方法：1. 根據Hasofer-Lind可靠指标的幾何意義，建立可靠指标的優化模型，提出采用改進的PSO求解可靠指标與驗算點，采用可行策略方法處理約束條件；2. 通過理論推導，構造PSO叠代過程的最優評價函數集（公式（18）），建立最優化策略組保證粒子在不同維上連續收斂，提出表征随機變量敏感性的相對收斂率計算公式（公式（19））；3. 通過數值模拟并與傳統基于梯度的敏感性分(fēn)析計算結果比較，驗證本文所提方法的可行性和有效性。
結論：1. 相對收斂率可以表征随機變量的敏感性；2. 最優化策略組避免相對收斂率的波動，保證候選粒子變異系數曲線在解空間内連續收斂；3. 最優化策略組内随機變量候選解的變異系數越小(xiǎo)則其表征的随機變量越敏感；4. 基于PSO的可靠度及敏感性分(fēn)析對複雜(zá)問題更有效。

關鍵詞組：敏感性分(fēn)析；優化；結構可靠度；随機變量

Vertical vibration of a large diameter pile embedded in inhomogeneous soil based on the Rayleigh-Love rod theory

Zhen-ya Li, Kui-hua Wang, Wen-bing Wu, Chin Jian Leo

DOI: 10.1631/jzus.A1500341 Downloaded: 2803 Clicked: 4673 Cited: 0 Commented: 0(p.974-988) <Full Text> <PPT> 2043

Chinese summary <25> 基于Rayleigh-Love杆理論的非均質土中(zhōng)大(dà)直徑樁縱向振動

目的：研究大(dà)直徑樁橫向慣性效應對其動力響應的影響以及與土體(tǐ)徑向非均質性的關系。
創新點：1. 采用Rayleigh-Love杆模型模拟大(dà)直徑樁，考慮其橫向慣性效應；2. 所建立的樁土相互作用模型能同時考慮土體(tǐ)的豎向成層性和徑向非均質性。
方法：1. 采用Rayleigh-Love杆模型模拟大(dà)直徑樁，建立樁土體(tǐ)系縱向振動控制方程（公式（1）和（4））；2. 通過求解方程，得到樁頂縱向振動頻(pín)域響應解析解（公式（15））和時域響應半解析解（公式（16））；3. 通過參數分(fēn)析的方法，研究橫向慣性效應對樁頂響應的影響以及與樁身參數和樁周土徑向非均質性的關系（圖2~9）；4. 通過與工(gōng)程實例的對比，證明本文解的合理性（圖11）。
結論：1. 考慮橫向慣性效應時，樁底反射信号後移，導緻樁的計算長度大(dà)于其實際值；2. 橫向慣性效應的影響程度随着樁身半徑、泊松比、樁周土軟化範圍和軟化程度的增大(dà)而增強，随着樁身混凝土強度等級、樁周土硬化範圍和硬化程度的增大(dà)而減弱；3. 考慮橫向慣性效應時的計算曲線與實測曲線更爲吻合。

關鍵詞組：大(dà)直徑樁；縱向振動；橫向慣性效應；Rayleigh-Love杆模型；非均質土

Finite element modeling of superplastic co-doped yttria-stabilized tetragonal-zirconia polycrystals

Hsuan-Teh Hu, Shih-Tsung Tseng, Alice Hu

DOI: 10.1631/jzus.A1500159 Downloaded: 2517 Clicked: 4554 Cited: 0 Commented: 0(p.989-999) <Full Text> <PPT> 1918

Chinese summary <20> 超塑性Y-TZP基陶瓷之有限元分(fēn)析

目的：通過調整非常精細的顆粒，四方晶氧化锆多晶（TZP）在室溫下(xià)保持穩态四方相，并且具有優異的塑性。然而，當材料變形時，我(wǒ)們必須對超塑性陶瓷在機械應力分(fēn)布和斷裂機制方面有更多的理解。
創新點：1. 通過材料彈塑性模型；2. 使用胡克定律、塑性應變硬化及von Mises降伏準則；3. 結合等向性硬化規則及相關聯的流動規則。
方法：1. 開(kāi)發一(yī)個高溫超塑性材料在不同應變率拉伸條件下(xià)具備不同應力-應變關系的組成律模型及有限元分(fēn)析模型；2. 通過有限元法仿真模拟與實驗結果比對；3. 驗證所提方法的可行性和精确性。
結論：1. 有限元仿真模拟的應力-應變關系與實驗數據吻合較好，對于所研究的四種組合物(wù)，最大(dà)應力和應變的誤差均小(xiǎo)于1%。2. 有限元仿真模拟的最終變形形狀（寬度和厚度）與拉伸試驗的結果一(yī)緻；這些驗證證實了所提有限元分(fēn)析模型的可靠性。

關鍵詞組：有限元分(fēn)析；Y-TZP基陶瓷；超塑性

Green epoxidation of cyclooctene with molecular oxygen over an ecofriendly heterogeneous polyoxometalate-gold catalyst Au/BW₁₁/Al₂O₃

Umsa Jameel, Ming-qiao Zhu, Xin-zhi Chen, Yi Liu, Zhang-fa Tong

DOI: 10.1631/jzus.A1500332 Downloaded: 3466 Clicked: 4424 Cited: 2 Commented: 0(p.1000-1012) <Full Text> <PPT> 1703

Chinese summary <22> 環境友好非均相多金屬氧酸鹽-金催化劑Au/BW₁₁/Al₂O₃上環辛烯分(fēn)子氧綠色環氧化研究

目的：環氧化物(wù)是多種有機合成反應的重要中(zhōng)間體(tǐ)，也可作爲環氧樹(shù)脂、染料和表面活性劑的原料。傳統的環氧化存在催化劑分(fēn)離(lí)難、氧化劑成本高和過程含有溶劑等缺點。本文旨在探讨納米金和多金屬氧酸鹽負載非均相催化劑用于無溶劑條件下(xià)環辛烯環氧化的反應條件對催化性能的影響。
創新點：1. 把納米金顆粒和多金屬氧酸鹽（即BW₁₁）結合并負載在固體(tǐ)載體(tǐ)上制備出了一(yī)種新型複合催化劑材料；2. 采用分(fēn)子氧作爲氧化劑而不是傳統的有機酸或者過氧酸；3. 在溫和條件下(xià)可獲得良好的轉化率和較高的環氧化物(wù)選擇性；4. 催化反應體(tǐ)系未使用有機溶劑；5. 催化劑穩定并可循環使用。
方法：1. 根據文獻中(zhōng)所述方法制備BW₁₁；2. 采用标準沉積沉澱法合成Au/Al₂O₃；3. 采用濕式浸漬法制備催化劑Au/BW₁₁/Al₂O₃；4. 環辛烯環氧化使用叔丁基過氧化氫（TBHP）作爲引發劑，氧氣作爲氧化劑，在高壓反應釜中(zhōng)進行反應；5. 采用掃描電鏡和X射線衍射等對催化劑進行表征。
結論：1. 提高焙燒溫度可改善催化反應性能；2. 随着催化劑量增加到0.2 g，轉化率也随之增加（圖8）；3. 反應的最佳溫度爲80 °C（表1）；4. 随着反應時間的增加直到24 h，轉化率逐漸增加，環氧化物(wù)選擇性也增加到約87%（圖9）；5. 催化劑可适用于多種氧化劑（表2）；6. 無溶劑下(xià)轉化率和選擇性相對較大(dà)（表3）；7. 催化劑可以有效活化分(fēn)子氧和環辛烯；8. 催化劑可以再生(shēng)，在使用三次後，其活性損失不大(dà)。

關鍵詞組：納米金；多金屬氧酸鹽；環辛烯；環氧化；分(fēn)子氧