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.9 P.669-756

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Environmental impact assessment of aircraft elevator made with new lightning protection material

Shao-ce DONG, Cheng-gao LI, Gui-jun XIAN, Zhong-jie ZHAO, Xu-feng ZHANG, Qing-wen YUN

DOI: 10.1631/jzus.A2200105 Downloaded: 709 Clicked: 805 Cited: 0 Commented: 467(p.669-682) <Full Text> <PPT> 265

Chinese summary <29> 使用新型雷擊防護材料的飛機升降舵環境影響評價

作者：董少策^1,2,3，李承高^1,2,3，鹹貴軍^1,2,3，趙中(zhōng)傑⁴，張旭鋒⁴，雲慶文⁵
機構：¹哈爾濱工(gōng)業大(dà)學，結構工(gōng)程災變與控制教育部重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱，150090；²哈爾濱工(gōng)業大(dà)學，土木工(gōng)程智能防災減災工(gōng)業和信息化部重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱，150090；³哈爾濱工(gōng)業大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國哈爾濱，150090；⁴中(zhōng)國航空工(gōng)業集團公司複合材料技術中(zhōng)心，中(zhōng)國北(běi)京，101300；⁵中(zhōng)國航空工(gōng)業集團公司哈爾濱飛機工(gōng)業集團有限責任公司，中(zhōng)國哈爾濱，150066
目的：非金屬雷擊防護材料取代傳統雷擊防護材料應用在飛機上具備減小(xiǎo)飛機重量和燃油消耗的潛力。本文旨在探讨使用新型非金屬雷擊防護材料的飛機升降舵相較于傳統升降舵是否具有環保優勢，以及明确影響新型非金屬雷擊防護材料制備的環境影響因素。
創新點：1.通過生(shēng)命周期評價方法，研究了使用和未使用新型非金屬雷擊防護材料飛機升降舵的全生(shēng)命周期環境；2.明确了影響新型非金屬雷擊防護材料制備的主要環境影響因素。
方法：1.通過數據搜集，利用荷蘭萊頓大(dà)學環境研究中(zhōng)心（CML）提出的環境影響評價方法和11個影響指标，研究使用和未使用新型非金屬雷擊防護材料的飛機升降舵整個生(shēng)命周期的環境影響；2.計算升降舵整個生(shēng)命周期各個階段對其整體(tǐ)環境影響的貢獻；3.分(fēn)析新型非金屬雷擊防護材料與傳統雷擊防護材料環境影響的大(dà)小(xiǎo)，并考慮不同的買飛比和回收工(gōng)藝對傳統雷擊防護材料環境影響的作用。
結論：1.使用新型雷擊防護材料可降低升降舵相關環境影響指标值0.83%到3.83%；2.使用階段對傳統和新型飛機升降舵的環境影響貢獻分(fēn)别超過了96%和97%；3.當不考慮導電鋁網的回收時，相較于傳統雷擊防護材料，新型雷擊防護材料的環境影響更小(xiǎo)，而當考慮回收和買飛比爲1時，新型雷擊防護材料隻在淡水和水生(shēng)生(shēng)态毒性潛能、人體(tǐ)毒性潛力、海洋和水生(shēng)生(shēng)态毒理潛力和光化學臭氧生(shēng)成潛力等環境影響指标上表現更差；4.對制備新型導電複合材料的環境影響而言，碳纖維複合材料預浸料、加工(gōng)用電能和雷擊防護膜的貢獻分(fēn)别爲58.67%、33.52%和7.81%。

關鍵詞組：環境影響評價；雷擊防護材料；飛機升降舵；生(shēng)命周期評價；非金屬雷擊防護材料

Elastoplastic behavior of frozen sand–concrete interfaces under cyclic shear loading

Jian CHANG, Jian-kun LIU, Ya-li LI, Qi WANG, Zhong-hua HAO

DOI: 10.1631/jzus.A2100667 Downloaded: 758 Clicked: 890 Cited: 0 Commented: 0(p.683-703) <Full Text> <PPT> 265

Chinese summary <25> 循環剪切荷載作用下(xià)凍結砂-混凝土接觸面的彈塑性分(fēn)析

作者：常鍵¹，劉建坤^1，2，3，李亞利¹，王麒¹，郝中(zhōng)華¹
機構：¹北(běi)京交通大(dà)學，土木建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國北(běi)京，100044；²中(zhōng)山大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國珠海，519082；³南(nán)方海洋科學與工(gōng)程廣東實驗室（珠海），中(zhōng)國珠海，591082
目的：凍結砂-混凝土結構接觸面在循環剪切荷載作用下(xià)的彈性剪切模量和累積塑性應變是決定凍土區結構承載力的關鍵因素。本文旨在探讨凍結砂-混凝土接觸面在循環加載條件下(xià)的變量（循環加載次數、法向應力、凍結溫度和循環加載幅值）對初始彈性剪切模量、循環彈性剪切模量、累積塑性變形和剪切強度的影響，了解凍結接觸面在循環剪切過程中(zhōng)的彈塑性，爲建立循環剪切荷載作用下(xià)凍結接觸面本構模型提供重要的試驗數據支撐。
創新點：1.對凍結接觸面施加兩種不同邊界條件（常法向應力和常法向位移），并通過對凍結接觸面施加循環剪切荷載得到不同試驗條件下(xià)凍結接觸面的彈性特性、塑性變形特性以及強度特性；2.建立凍結接觸面塑性變形模型，探讨不同因素對塑性變形的影響。
方法：1.通過試驗分(fēn)析，得到不同條件下(xià)的塑性變形值、強度值以及不同階段的彈性剪切模量，并對其進行定性分(fēn)析；2.構建累積塑性體(tǐ)應變-累積塑性剪應變經驗公式（公式(5)），并通過理論推導，得到累積塑性應變方向（公式(6)）；3.繪制不同參數與法向應力、溫度和循環加載幅值的關系曲線，并研究不同因素對累計塑性應變方向的影響（圖11、13和15）。
結論：1.溫度和法向應力對初始彈性剪切模量和循環彈性剪切模量影響很大(dà)；2.凍結接觸面塑性剪應變和累積塑性體(tǐ)應變随着循環剪切次數的增加、溫度的降低和法向應力的增大(dà)而增大(dà)，但其增量随着循環次數的增加而逐漸減小(xiǎo)；3.累積塑性剪應變與累積塑性體(tǐ)應變呈指數關系；4.峰值剪應力随法向應力的增大(dà)、溫度的降低和循環幅值的增大(dà)而增大(dà)。

關鍵詞組：凍結砂-混凝土接觸面；循環直剪試驗；彈塑性分(fēn)析；累積塑性應變方向；邊界條件

Influence of wettability in immiscible displacements with lattice Boltzmann method

Chen ZHOU, Wen-yuan WANG, Ke-xin CHEN, Ze-jian CHEN, Jongwon JUNG, Shuai ZHANG, Yun-min CHEN, Bate BATE

DOI: 10.1631/jzus.A2200047 Downloaded: 767 Clicked: 733 Cited: 0 Commented: 1(p.704-720) <Full Text> <PPT> 290

Chinese summary <24> 基于格子波爾茲曼方法研究潤濕性對非混相驅替的影響

作者：周宸¹，王文遠¹，陳可心¹，陳澤健²，Jongwon JUNG³，張帥¹，陳雲敏¹，巴特¹
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，岩土工(gōng)程研究所，中(zhōng)國杭州，310058；²香港理工(gōng)大(dà)學，土木與環境工(gōng)程系，中(zhōng)國香港，九龍紅磡；³忠北(běi)國立大(dà)學，土木工(gōng)程學院，韓國忠北(běi)清州市，28644
目的：研究潤濕性對于多孔介質驅替的影響，以提高驅替效率。
創新點：1.同時考慮了潤濕性、毛細管數和粘滞比三者對驅替的影響并建立了三維相圖；2.采用可以準确模拟接觸角的邊界條件算法，且模拟範圍包含所有潤濕性條件。
方法：采用格子波爾茲曼方法（LBM）對不同毛細管數-粘滞比組合下(xià)的19組接觸角進行模拟，建立其與驅替形态和效率的影響。
結論：1.存在最優接觸角使得擊穿時的驅替效率最高；2.三維驅替相圖包含了傳統相圖，反映了潤濕性會使二維相圖的驅替區域整體(tǐ)偏移。

關鍵詞組：潤濕性；多孔介質；格子波爾茲曼方法（LBM）；多相流

Static control method using gradient–genetic algorithm for grillage adaptive beam string structures based on minimal internal force

Yan-bin SHEN, Hao-song SUN, An-dong LEI, Xiao-yuan YING, Guang YANG, Yao-zhi LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200003 Downloaded: 710 Clicked: 922 Cited: 0 Commented: 0(p.721-732) <Full Text> <PPT> 283

Chinese summary <24> 采用梯度遺傳算法的自适應交叉張弦梁結構最小(xiǎo)内力目标靜态控制方法

作者：沈雁彬，孫浩淞，雷安東，應蕭遠，楊光，羅堯治
機構：浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058
目的：傳統控制算法随着自适應結構空間與作動器數量的增加變得低效。本文旨在讨論适用于自适應交叉張弦結構等大(dà)空間多變量問題的主動控制算法，并提出自适應雙向交叉張弦梁的主動控制模型，探究其在不同環境工(gōng)況下(xià)的承載表現。
創新點：1.以梯度算子改進傳統遺傳算法，改善其早熟與收斂速度慢(màn)的缺陷；2.針對雙向交叉張弦梁這一(yī)複雜(zá)空間結構提出控制方法，并建模驗證。
方法：1.在傳統遺傳算法的選擇、交叉和變異算子後加入梯度搜索算子，增強其局部搜索能力與快速收斂能力；2.以作動器作動量作爲優化變量，上部梁最小(xiǎo)内力工(gōng)作系數作爲目标函數，撐杆與下(xià)部索的許用應力作爲約束條件，建立自适應雙向張弦梁結構的靜态主動控制方法；3.通過2×2與3×3的兩個算例進行建模控制，以結構内力與位移評價其三種工(gōng)況下(xià)的控制效率，驗證所提方法的可行性和有效性。
結論：1.梯度遺傳算法具有良好的局部搜索能力和全局優化能力，并且收斂速度快；2.相對傳統靜态結構，在文中(zhōng)的三種設計工(gōng)況下(xià)，自适應交叉張弦梁結構的承載能力顯著提高；3.對于張弦梁結構，風荷載有可能使拉索松弛，造成不利影響，而自适應張弦梁可以使拉索保持受拉狀态，并使所有部件協同工(gōng)作以達到更好的性能。

關鍵詞組：交叉張弦梁結構；梯度遺傳算法；結構控制；自适應結構；作動器

Effects of the mixing degree upstream of the diverging area on the pollutant allocation characteristics of a braided river

Jun ZOU, Jian-min ZHANG, Chang-yuan LI

DOI: 10.1631/jzus.A2100540 Downloaded: 701 Clicked: 716 Cited: 0 Commented: 5(p.733-744) <Full Text> <PPT> 271

Chinese summary <23> 分(fēn)流區前混合度對分(fēn)汊河流分(fēn)污特性的影響

作者：鄒俊^1,2，張建民¹，李昌垣²
機構：¹四川大(dà)學，水利水電學院，中(zhōng)國成都，610065；²江西省水利科學院，中(zhōng)國南(nán)昌，330029
目的：分(fēn)汊河流支汊間的污染物(wù)分(fēn)配規律具有重要意義。同時，分(fēn)污特性受諸多因素影響，因此較爲複雜(zá)。本文旨在探讨在具有分(fēn)汊結構的河流中(zhōng)，分(fēn)流區前污染物(wù)混合度對下(xià)遊支汊分(fēn)污比的影響。研究與排放(fàng)位置相關的混合度的定義、量化以及與分(fēn)污比的規律關系，以進一(yī)步認識分(fēn)汊河流污染物(wù)擴散影響因素的作用機制。
創新點：1.建立水質物(wù)理模型，得到在排放(fàng)位置影響下(xià)支汊分(fēn)污比的變化情況。2.基于高斯分(fēn)布，定義分(fēn)流區前混合度，并得到無量綱化的混合度與分(fēn)污比偏離(lí)量的線性關系。3.得出在線性關系中(zhōng)線性系數受分(fēn)汊角的影響情況。
方法：1.建立包含6種分(fēn)汊形式與多種排放(fàng)位置的水質物(wù)理模型，得到排放(fàng)位置與分(fēn)污比的關系（圖9~14）；2.基于分(fēn)流區前斷面濃度分(fēn)布的試驗成果，借助高斯分(fēn)布公式定義分(fēn)流區前混合度（圖16）；3.通過無量綱化處理，得到分(fēn)流區前混合度與分(fēn)污比偏離(lí)量的關系（圖18~29）。4.通過數據分(fēn)析，構建線性關系中(zhōng)的系數與分(fēn)汊角的關系。
結論：1.與縱向排放(fàng)距離(lí)高度相關的分(fēn)流區前混合度顯著影響分(fēn)污比；混合度越低，分(fēn)污比偏離(lí)相應分(fēn)流比的幅度越大(dà)。2.無量綱化的混合度與無量綱化的分(fēn)污比偏離(lí)量呈現近似線性關系。3.線性關系中(zhōng)的截距和斜率與分(fēn)汊角相關，并以對稱分(fēn)汊角爲界呈現相反的單調性。

關鍵詞組：混合度；分(fēn)流區；縱向距離(lí)；分(fēn)污比偏離(lí)量；标準差；線性規律

Mask R-CNN and multifeature clustering model for catenary insulator recognition and defect detection

Ping TAN, Xu-feng LI, Jin DING, Zhi-sheng CUI, Ji-en MA, Yue-lan SUN, Bing-qiang HUANG, You-tong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100494 Downloaded: 701 Clicked: 812 Cited: 0 Commented: 463(p.745-756) <Full Text> <PPT> 323

Chinese summary <26> 基于Mask R-CNN和多特征聚類模型的接觸網絕緣子識别和缺陷檢測

作者：譚平¹，李旭峰²，丁進¹，崔志(zhì)晟¹，馬吉恩²，孫月蘭¹，黃炳強¹，方攸同²
機構：¹浙江科技學院，自動化與電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310023；²浙江大(dà)學，電氣工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310027
目的：絕緣子是高速鐵路接觸網的重要組成部分(fēn)。絕緣子的故障會導緻絕緣劣化，甚至會導緻接觸網斷電，所以絕緣子缺陷檢測對高速列車(chē)運行具有重要意義。本文旨在分(fēn)析巡檢車(chē)拍攝的接觸網絕緣子的圖像特點，結合絕緣子破損、污垢、異物(wù)和閃絡四類主要缺陷，研究一(yī)種智能圖像處理方法，以期有效識别絕緣子及其缺陷。
創新點：1.通過MaskR-CNN模型，實現絕緣子區域像素級切割及旋正；2.提出垂直投影技術，實現絕緣子單片區域快速準确定位；3.通過多特征融合和聚類分(fēn)析模型，檢測絕緣子破損、污垢、異物(wù)和閃絡。
方法：1.通過分(fēn)析接觸網圖像的特點，采用Mask R-CNN方法實現絕緣子區域定位、前後景像素分(fēn)割以及傾斜修正（圖5）；2.通過垂直投影方法，得到絕緣子各片空間坐标信息（圖6）；3.通過提取圖像梯度、紋理和灰度特征（公式(2)~(4)），運用特征融合聚類方法（公式(5)~(7)），計算其相鄰片之間的特征分(fēn)布差異（公式(8)）；4.基于實際拍攝圖片構建實驗測試樣本，并分(fēn)析實驗過程及結果，驗證所提方法的可行性和有效性。
結論：1.Mask R-CNN是一(yī)種高效的目标識别和實例分(fēn)割深度學習模型；它在絕緣子識别方面展現了魯棒性和高精度。2.實驗表明，本文提出的絕緣子像素區域切割和傾斜校正具有較高精度。3.對于絕緣子缺陷檢測，本文提出的多特征融合聚類分(fēn)析模型測試結果顯示其具有較高的缺陷識别精确度。

關鍵詞組：高鐵接觸網絕緣子；MaskR-CNN；多特征融合；K均值聚類分(fēn)析模型；缺陷檢測