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

2022 Vol.23 No.6 P.421-504

Cover:

<213>

Contents:

<233>

<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Identification of ductile fracture model parameters for three ASTM structural steels using particle swarm optimization

Ya-zhi ZHU, Shi-ping HUANG, Hao HONG

DOI: 10.1631/jzus.A2100369 Downloaded: 983 Clicked: 1175 Cited: 0 Commented: 0(p.421-442) <Full Text> <PPT> 285

Chinese summary <30> 基于粒子群算法的ASTM結構鋼延性斷裂模型參數識别研究

作者：朱亞智¹，黃仕平^2,3，洪浩⁴
機構：¹同濟大(dà)學，建築工(gōng)程系，中(zhōng)國上海，200092；²華南(nán)理工(gōng)大(dà)學，土木與交通學院，中(zhōng)國廣州，510640；³中(zhōng)新國際聯合研究院，中(zhōng)國廣州，510700；⁴上海市政工(gōng)程設計研究總院（集團）有限公司，中(zhōng)國上海，200092
目的：準确預測延性斷裂需要确定材料參數（包括本構參數和延性斷裂模型參數），以反映真實的材料響應。傳統的材料參數标定方法往往依賴于試錯法，需手動調整參數，直到相應的有限元模型得到與實驗結果相匹配的材料力學響應。參數估計的過程通常是主觀的。爲了解決這一(yī)問題，本文将材料斷裂參數辨識問題轉化爲優化問題，并引入粒子群優化（PSO）算法作爲優化方法。
創新點：1.基于粒子群優化算法，給出了自動識别鋼材應變硬化參數的方法；2.建立了ASTM結構鋼材Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）損傷模型的參數識别方法。
方法：1.通過圓形缺口杆件的拉伸試驗，以試驗和有限元模拟的載荷-位移曲線差值爲目标方程，采用PSO優化算法及參數自動校準程序，以最小(xiǎo)化目标方程确定應變硬化準則和非耦合斷裂模型的參數；2.基于文獻調研的結果，确定GTN模型各參數的合理取值範圍，以此确定PSO算法中(zhōng)參數的取值，從而能夠高效、準确地确定GTN參數。
結論：1. PSO算法能夠準确地預測V形缺口試件的載荷-位移響應和延性斷裂萌發，是一(yī)種識别延性斷裂模型參數的有效算法；2.PSO在識别其他具有更多參數的斷裂模型（如剪切修正GTN模型）方面具有很好的潛力，這些模型可以更準确地預測延性斷裂。

關鍵詞組：參數校準；孔洞增長模型；GTN模型；A36鋼；A572 Gr. 50鋼；A992鋼；粒子群優化

Analysis of dynamic stresses in ballasted railway track due to train passages at high speeds

Jing HU, Xue-cheng BIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2100305 Downloaded: 1446 Clicked: 1213 Cited: 0 Commented: 0(p.443-457) <Full Text> <PPT> 382

Chinese summary <25> 高速列車(chē)荷載作用下(xià)的有砟軌道動應力分(fēn)析

作者：胡靜¹，邊學成^2,3
機構：¹福州大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國福州，350108；²浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；³浙江大(dà)學，軟弱土與環境土工(gōng)教育部重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058
目的：研究高速列車(chē)荷載作用下(xià)有砟軌道路基和地基内部的動應力特征。
創新點：1.推導有砟軌道的2.5維有限元求解方程。2.從應力的角度出發，确定已有分(fēn)析模型适用的列車(chē)速度範圍。3.揭示軌道不平順對路基和地基内部應力大(dà)小(xiǎo)和應力路徑的重要作用。
方法：1.基于2.5維有限元理論推導出有砟軌道的動力控制方程（公式(20)）。2.利用秦沈客運專線的現場測試結果驗證模型的準确性（圖5）。3.基于驗證後的模型，分(fēn)析列車(chē)速度、扣件性能及軌道不平順對動應力的影響。
結論：1.Boussinesq解無法考慮列車(chē)速度和實際路基結構對應力的影響。2.平順軌道模型隻适用于列車(chē)速度不超過100km/h的情況。3.軌道不平順不僅會增大(dà)動應力的強度還會引起多次主應力旋轉，使得土體(tǐ)更加容易被破壞。

關鍵詞組：有砟軌道；應力分(fēn)析；軌道不平順；應力路徑；高速列車(chē)

Towards autonomous and optimal excavation of shield machine: a deep reinforcement learning-based approach

Ya-kun ZHANG, Guo-fang GONG, Hua-yong YANG, Yu-xi CHEN, Geng-lin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2100325 Downloaded: 1410 Clicked: 1861 Cited: 0 Commented: 0(p.458-478) <Full Text> <PPT> 306

Chinese summary <29> 邁向盾構機自主最優掘進：一(yī)種基于深度強化學習的方法

作者：張亞坤¹，龔國芳¹，楊華勇¹，陳玉羲¹，陳更林²
機構：¹浙江大(dà)學，流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027；²中(zhōng)國礦業大(dà)學，電氣與動力工(gōng)程學院，中(zhōng)國徐州，221116
目的：自主掘進作業是新一(yī)代智能隧道掘進機（TBM）發展的趨勢。然而，現有技術局限于有監督機器學習和靜态優化，其性能無法超越人工(gōng)操作，也難以處理不斷變化的地質條件和長期掘進性能指标。本文旨在解決盾構機掘進性能的動态優化問題，實現自主最優掘進。
創新點：1.針對掘進過程的盾構機-環境交互作用動力學，提出了一(yī)種基于第一(yī)性原理分(fēn)析和深度神經網絡相結合的高精度混合建模方法，改善模型的可解釋性并簡化了特征選擇過程；2.提出了一(yī)種适用于盾構機智能操作系統的無量綱多目标綜合掘進性能指标；3.提出了一(yī)種深度學習與最優控制結合的盾構自主最優掘進方法，實現盾構掘進參數的智能決策與長期綜合掘進性能的多目标動态優化。
方法：1.通過理論推導，揭示掘進過程的多系統耦合作用關系，得到自主最優掘進系統設計的兩個自由度（圖8）；2.通過機理與數據聯合驅動的混合建模，構建深度強化學習智能體(tǐ)的高精度訓練環境；3.通過仿真模拟，利用施工(gōng)現場數據，對自主最優掘進系統與人工(gōng)操作的性能進行比較，驗證所提方法的可行性和有效性（圖11~13）。
結論：1.人類司機在進行掘進參數決策時，掘進比速度和掘進比能耗的相對權重比接近6:4。2.不同的地質條件應采用不同的掘進參數決策策略：常規地質應采用k₁值較高的自主最優掘進系統，而在掘進比速度明顯降低的困難地質則應采用k₂值較高的自主最優掘進系統。3.盡管訓練深度強化學習智能體(tǐ)非常耗時，但與培訓熟練的盾構司機相比仍具有巨大(dà)的優勢。

關鍵詞組：盾構機；泥水盾構；TBM；智能盾構/TBM；深度強化學習；最優控制；動态優化；深度學習

Design method for hypersonic bump inlet based on transverse pressure gradient

Shang-cheng XU, Yi WANG, Zhen-guo WANG, Xiao-qiang FAN, Bing XIONG

DOI: 10.1631/jzus.A2100532 Downloaded: 1244 Clicked: 1526 Cited: 0 Commented: 0(p.479-494) <Full Text> <PPT> 369

Chinese summary <24> 基于橫向壓力梯度的高超聲速鼓包進氣道設計方法

作者：徐尚成，王翼，王振國，範曉樯，熊冰
機構：國防科技大(dà)學，空天科學學院，中(zhōng)國長沙，410073
目的：在超/高超聲速進氣道中(zhōng)，橫向壓力梯度是鼓包對邊界層氣流産生(shēng)排移的關鍵，然而目前基于橫向壓力梯度的鼓包設計方法還有待進一(yī)步發展。本文旨在提出一(yī)種橫向壓力梯度驅動的高超聲速鼓包進氣道設計方法，以實現鼓包型面上橫向壓力梯度完全可控。在此基礎上分(fēn)析鼓包對進氣道性能的影響，并從流動層面解釋其原因。
創新點：1.提出了一(yī)種由橫向壓力梯度驅動的高超聲速鼓包進氣道設計方法，實現了鼓包與進氣道完全一(yī)體(tǐ)化的設計；2.明晰了鼓包型面對不起動進氣道大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區的三維重構作用，進而解釋了鼓包進氣道起動性能改善的原因。
方法：1.通過對鼓包工(gōng)作原理的分(fēn)析，提出一(yī)種基于橫向壓力梯度的高超聲速鼓包進氣道設計方法；2.通過數值仿真，研究鼓包進氣道在設計點下(xià)對邊界層氣流的排移效果（圖14）；3.通過數值仿真和風洞實驗相結合的方法，研究鼓包對不起動進氣道大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區的三維重構作用，進而分(fēn)析鼓包對進氣道起動過程的作用機理。
結論：1.采用本文提出的方法實現了由橫向壓力梯度驅動的鼓包型面設計，且該型面與進氣道外(wài)壓縮面完全一(yī)體(tǐ)化；2.在橫向壓力梯度的作用下(xià)，一(yī)部分(fēn)邊界層氣流被排移出進氣道，使得進氣道流量系數稍有下(xià)降，但總壓恢複性能明顯提高；3.鼓包型面對不起動狀态下(xià)的進氣道大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區具有三維重構作用，使得進氣道起動性能得到提高；4.采用本文提出的流量修正方法可使鼓包進氣道實現全流量捕獲。

關鍵詞組：高超聲速鼓包進氣道；橫向壓力梯度；邊界層氣流；總壓恢複；起動性能；流量修正

Flow-induced vibration characteristics of the U-type Coriolis mass flowmeter with liquid hydrogen

Xiang-xiang PEI, Xiang LI, Hao-hao XU, Xuan-hong YE, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100560 Downloaded: 1078 Clicked: 1171 Cited: 0 Commented: 0(p.495-504) <Full Text> <PPT> 355

Chinese summary <26> 液氫U型科裏奧利質量流量計的流緻振動特性研究

作者：裴祥翔¹，李想²，許好好²，葉宣宏¹，張小(xiǎo)斌¹
機構：¹浙江大(dà)學，制冷與低溫研究所，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江能源技術研究院有限公司，中(zhōng)國杭州，310003
目的：氫能因其清潔高效等優點正逐漸被用作減少二氧化碳排放(fàng)的替代能源，而質量流量是氫能在使用、運輸和交易過程中(zhōng)的重要控制參數。科裏奧利質量流量計因其精度高、結構簡單等優點而受到廣泛關注。本研究基于歐拉梁和一(yī)維穩定流動模型對液氫科裏奧利質量流量計的流緻振動特性展開(kāi)研究，分(fēn)别對液氫科氏流量計的頻(pín)率、時滞、流速、傳感器位置以及測量管結構等影響因素展開(kāi)讨論，并與水和液氮工(gōng)質的結果進行對比，爲專門開(kāi)發用于測量液氫的科氏流量計提供參考。
創新點：1.本研究對液氫爲工(gōng)質的U型科裏奧利質量流量計的流緻振動特性展開(kāi)了深入研究，同時對比了水和液氮兩種工(gōng)質的計算結果。2.研究分(fēn)别從激振系統、時滞量級以及不同工(gōng)質标定産生(shēng)的誤差進行分(fēn)析，爲研究開(kāi)發測量液氫的科裏奧利質量流量計提供理論支持。3.該研究探究了傳感器的位置以及結構尺寸對時滞的影響，爲科氏流量計的結構優化提供了參考。
方法：1.基于歐拉梁和一(yī)維穩定流動模型構建直管和彎管的面外(wài)流緻振動方程，并對構建的控制方程進行驗證（表1，圖3和4）。2.探讨流速對結構固有頻(pín)率的影響（圖5和6）、流速對U型管兩臂相位差及時滞的影響（圖7和8）、傳感器位置以及結構尺寸對時滞的影響（圖9和10）。3.将液氫、液氮和水三種工(gōng)質的計算結果進行對比，得出用于測量液氫的科氏流量計的獨有特性。
結論：1.相比于水和液氮工(gōng)質，液氫密度低的特點導緻液氫對結構固有頻(pín)率的影響更小(xiǎo)；同時，也導緻在相同流速下(xià)，液氫科氏流量計對應的時滞比水和液氮兩種工(gōng)質對應的時滞小(xiǎo)一(yī)個量級，這對于相位差的提取明顯是不利的。2.采用水和液氮标定的科氏流量計用于測量液氫，将分(fēn)别産生(shēng)-6.84%和0.63%的誤差；如果用水标定的科氏流量計用于測量液氮，将會産生(shēng)-7.42%的誤差。3.随着相位檢測器遠離(lí)固支端，對應的時滞将會顯著降低；改變結構的彎管尺寸可以顯著提升時滞的大(dà)小(xiǎo)。

關鍵詞組：科裏奧利質量流量計；液氫；低溫流體(tǐ)；流緻振動