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

2023 Vol.24 No.9 P.749-840

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Finite-time path following control of a sailboat with actuator failure and unknown sideslip angle

Yujin WU, Kangjian SHAO, Ning WANG, Zhongchao DENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300184 Downloaded: 340 Clicked: 458 Cited: 0 Commented: 0(p.749-761) <Full Text> <PPT> 110

Chinese summary <15> 具有執行器故障和未知(zhī)側滑角的帆船有限時間路徑跟蹤控制

作者：吳玉金¹，邵康建¹，王甯²，鄧忠超¹
機構：¹哈爾濱工(gōng)程大(dà)學，水下(xià)機器人重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱，150001；²大(dà)連海事大(dà)學，海洋工(gōng)程學院，中(zhōng)國大(dà)連，116026
目的：在實際航行中(zhōng)，無人帆船存在執行器故障問題以及未知(zhī)漂角，使得帆船的路徑跟蹤變得極具挑戰性。本文考慮了無人帆船的執行器故障，并設計了一(yī)種有限時間漂角觀測器來觀測未知(zhī)漂角，以提高無人帆船的路徑跟蹤精度。
創新點：1.設計雙有限時間漂角觀測器，能夠觀測時變的漂角，适用于更複雜(zá)的工(gōng)況；2.設計一(yī)種參數自适應調整的非奇異終端滑模，用以增強系統的魯棒性；3.采用RBF神經網絡最小(xiǎo)參數估計法對無人帆船模型的不确定性部分(fēn)進行估計，設計一(yī)種基于自适應參數調整滑模的容錯控制方法，并證明航向控制系統的誤差具有有限時間收斂性。
方法：1.設計雙有限時間漂角觀測器，用于觀測未知(zhī)漂角；2.考慮執行器故障，利用反步法與滑模控制法，推導出合适的控制律；3.通過仿真模拟，中(zhōng)途增加故障的方式來證實所設計方案的魯棒性和可靠性。
結論：1.所設計的雙有限時間漂角觀測器能夠精确觀測對未知(zhī)漂角；2.所提出的IDFLOS-FC方案能在執行器失效、漂角随時間變化和未知(zhī)外(wài)部擾動的條件下(xià)實現無人駕駛帆船的精确路徑跟蹤，并能在添加故障時精确跟蹤所需的路徑，這充分(fēn)證明了IDFLOS-FC方案的可靠性和優越性。

關鍵詞組：漂角觀測器；視線制導；有限時間控制；帆船；路徑跟蹤

Theoretical and experimental investigation on the efficiency of a novel roller piston pump

Chenchen ZHANG, Yiren ZANG, Heyuan WANG, Bin MENG, Sheng LI, Jian RUAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200378 Downloaded: 537 Clicked: 717 Cited: 0 Commented: 0(p.762-781) <Full Text> <PPT> 196

Chinese summary <8> 新型滾子柱塞泵效率特性的理論與實驗研究

作者：張晨晨，臧一(yī)人，王河緣，孟彬，李勝，阮健
機構：浙江工(gōng)業大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310023
目的：由于其固有的三大(dà)滑動摩擦副，傳統軸向柱塞泵在高轉速及變轉速工(gōng)況下(xià)的機械和容積效率受到制約。如何降低摩擦副的摩擦損失和洩漏損失成爲高性能燃油泵設計中(zhōng)首要關注的問題。本文提出一(yī)種新型滾子柱塞泵，探讨了其在不同負載壓力與轉速下(xià)的機械效率與容積效率。
創新點：1.提出一(yī)種新型滾子柱塞泵，其采用凸輪導軌-滾子式的滾動支撐替代斜盤-滑靴副的滑動副支撐來實現柱塞腔的吸排油，采用軸配流代替原有的配流盤配流，傳動軸兼作配流軸以免去(qù)配流盤結構，從而極大(dà)地簡化了軸向柱塞泵的設計；2.建立機械效率與容積效率的數學模型與仿真模型，模拟了滾子柱塞泵在變工(gōng)況下(xià)的運行狀态。
方法：1.對滾子泵進行受力分(fēn)析與洩漏分(fēn)析，建立滾子泵機械效率與容積效率的數學模型（第3節）；2.基于MATLAB與AMESim仿真研究負載壓力與轉速對機械效率和容積效率的影響（第4節）；3.設計與加工(gōng)滾子泵的原理樣機，并在專用的試驗台上測得其扭矩與流量，得出其在不同負載壓力與轉速下(xià)的機械效率與容積效率，并将實驗結果與仿真結果的比較分(fēn)析，從而驗證滾子泵的高效率（第5節）。
結論：1.新型滾子柱塞泵采用凸輪導軌式滾動支承代替斜盤-滑靴副的滑動副支承，實現活塞腔的吸油和排油。研究結果表明該新結構可以成爲航空航天燃油泵的一(yī)種潛在解決方案。另外(wài)，采用軸配流代替原來的配流盤，以傳動軸兼作配流軸，大(dà)大(dà)簡化了軸向柱塞泵的設計。通過結構的對稱設計，實現了泵的慣性力平衡，實現了無結構流量脈動，滿足了航空液壓泵集成度高、壓力脈動小(xiǎo)的要求。2.理論與實驗結果表明，通過結構創新去(qù)除配流盤可減少洩漏，大(dà)大(dà)提高容積效率。滾子泵最高轉速可達10000 r/min以上，滿足航天燃油泵高速、變速的需要。

關鍵詞組：滾子柱塞泵；軸配流機構；機械效率；容積效率；航空航天泵

Noise robustness of an operational modal-based structural damage-detection scheme using impact-synchronous modal analysis

Pei Yi SIOW, Zhi Chao ONG, Shin Yee KHOO, Kok-Sing LIM

DOI: 10.1631/jzus.A2200620 Downloaded: 601 Clicked: 792 Cited: 0 Commented: 0(p.782-800) <Full Text> <PPT> 133

Chinese summary <11> 使用沖擊同步模态分(fēn)析的基于運行模态的結構損傷檢測方案的噪聲魯棒性

作者：蕭珮怡¹，翁志(zhì)超¹，邱峰義¹，林國生(shēng)²
機構：¹馬來亞大(dà)學，工(gōng)程學院機械工(gōng)程系，馬來西亞吉隆坡，50603；²馬來亞大(dà)學，副校長（研究與創新）辦公室，光子學研究中(zhōng)心，馬來西亞吉隆坡，50603
目的：來自環境或外(wài)部來源的噪聲，如風、運行中(zhōng)的機器或來自在役系統本身的噪聲，如果不加以注意或處理，會降低模态數據對損傷的敏感性，從而影響損傷檢測的準确性。爲了生(shēng)成用于損傷診斷的幹淨、類靜态頻(pín)率響應函數（FRF），本研究提出了一(yī)種使用沖擊同步模态分(fēn)析（ISMA）的基于噪聲魯棒操作模态的結構損傷檢測方案。
創新點：結合ISMA、主成分(fēn)分(fēn)析（PCA）-FRF和基于無監督學習的方法對運行結構的損傷檢測進行去(qù)噪和提取對損傷敏感的主要特征。
方法：所提出的損傷檢測方案的總體(tǐ)框架包括三個階段：1.首先使用ISMA對信号進行去(qù)噪，以生(shēng)成僅包含結構動态信息的幹淨FRF。2.應用PCA清理FRF，生(shēng)成的前兩個主成分(fēn)用于構造單線PCA-FRF，提取PCA-FRF的峰作爲無監督的特征基于機器學習的損傷檢測。3.采用無監督機器學習k-means算法進行損傷檢測。鄧恩指數用作損壞指标，當鄧恩指數超過基線/未損壞的鄧恩指數時，就會檢測到損壞。
結論：結果表明，與在靜态條件下(xià)通過實驗模态分(fēn)析（EMA）獲得的FRF相比，通過ISMA在噪聲條件下(xià)獲得的FRF具有大(dà)于0.9的頻(pín)率響應保證準則（FRAC）和交叉簽名保證準則（CSAC）分(fēn)數，這驗證了ISMA的去(qù)噪功能。當去(qù)噪的FRF減少到PCA-FRF并用于無監督的基于學習的損傷檢測方案時，顯示零誤報。

關鍵詞組：沖擊同步模态分(fēn)析；頻(pín)率響應函數；主成分(fēn)分(fēn)析；無監督學習；損傷檢測

A data-driven approach for modeling and predicting the thrust force of a tunnel boring machine

Lintao WANG, Fengzhang ZHU, Jie LI, Wei SUN

DOI: 10.1631/jzus.A2200516 Downloaded: 632 Clicked: 767 Cited: 0 Commented: 0(p.801-816) <Full Text> <PPT> 127

Chinese summary <11> 一(yī)種數據驅動隧道掘進機推力的建模與預測方法

作者：王林濤¹，朱沣樟¹，李傑^1.2，孫偉¹
機構：¹大(dà)連理工(gōng)大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國大(dà)連，116024；²北(běi)方自動控制技術研究所，中(zhōng)國太原，030006
目的：爲克服隧道掘進機（TBM）本身因素（掘進速度、盾構機岩壓和刀盤水壓力等）以及随機地質條件等複雜(zá)工(gōng)況對于TBM推力建模的挑戰，本文期望通過将現場質量記錄數據與代理模型技術相結合建立高精度TBM推力預測模型，以提高TBM推力預測的精度并有效改善開(kāi)挖計劃。
創新點：1.現場記錄數據與代理模型技術相結合構建高精度預測模型；2.使用莫裏斯法進行因素篩選從而提高建模精度；3.通過相似工(gōng)況建模并适當增加建模樣本有效提高了TBM推力預測精度。
方法：1.通過對現場數據進行篩選并對TBM推力的來源進行分(fēn)析，得出可能影響推力的21個因素；2.基于上述影響因素構建4種代理模型并比較精度；3.使用莫裏斯法進行主因素篩選，并選用精度最高的克裏金模型進行TBM推力建模和預測；4.構建三種不同工(gōng)況條件下(xià)的推力預測模型并比較預測誤差。
結論：1.現場記錄數據與代理模型技術相結合構建的高精度預測模型爲TBM在複雜(zá)工(gōng)況下(xià)推力的建模和預測提供了一(yī)種可行的方式。2.經過莫裏斯法進行主因素篩選後，代理模型的精度得到有效提高。3.采用相似工(gōng)況建模以及合理增加建模成本可以有效提高預測的精度；基于數據驅動的TBM推力預測模型可作爲掘進過程中(zhōng)控制推力的重要依據。

關鍵詞組：隧道掘進機；推力預測；代理模型；莫裏斯法

Molecular force mechanism of hydrodynamics in clay nanopores

Shengjie WEI, Yuchao LI, Peng SHEN, Yunmin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200427 Downloaded: 513 Clicked: 908 Cited: 0 Commented: 0(p.817-827) <Full Text> <PPT> 128

Chinese summary <8> 黏土納米孔内流動的分(fēn)子力機制

作者：魏聲傑，李育超，沈鵬，陳雲敏
機構：浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，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：連續介質方程在描述流體(tǐ)在黏土納米孔内流動時具有較大(dà)偏差。本文旨在通過非平衡動力學模拟揭示納米尺度下(xià)黏土邊界效應以及流體(tǐ)内部粘滞作用的力學機制，爲更好地控制黏土納米孔内流動提供新的分(fēn)析思路。
創新點：1.通過非平衡動力學模拟，計算了黏土納米孔内流動過程中(zhōng)黏土與陽離(lí)子對孔間受限水的作用力大(dà)小(xiǎo)，并揭示其空間分(fēn)布規律；2.建立了水分(fēn)子取向分(fēn)布、空間形态與其所受作用力間的微細觀聯系，成功揭示黏土邊界效應和流體(tǐ)粘滞作用的力學機制。
方法：1.通過非平衡動力學方法，模拟黏土納米孔内的流動過程（圖1和2），并通過流速、粘滞系數和滲透系數的計算驗證模型的正确性（表1）；2.通過對孔間受限水的受力分(fēn)析，計算各項分(fēn)子間作用力，得到作用力大(dà)小(xiǎo)和空間分(fēn)布（圖3和4）；3.計算水分(fēn)子平面分(fēn)布和取向角，建立與所受作用力間的微細觀聯系，揭示黏土邊界效應和流體(tǐ)粘滞作用的力學機制（圖5~7）。
結論：1.黏土和陽離(lí)子對孔内受限水的合力随時間波動滿足高斯分(fēn)布，且其時均值與施加的驅動力基本相等，以維持流動過程中(zhōng)純水的動态力學平衡。2.黏土對孔内水分(fēn)子的作用力類似于簡支梁上的支座反力，集中(zhōng)作用在Stern層的水分(fēn)子上；其中(zhōng)，範德華作用項與水氧原子平面分(fēn)布相關；由于範德華排斥勢壘與定向流動，所以水分(fēn)子更傾向于在阻力區滞留，而随着水力梯度的增大(dà)，阻力區與動力區分(fēn)布概率差增大(dà)，進而産生(shēng)更大(dà)的範德華阻力；庫侖作用項則與水分(fēn)子取向矢量的轉動相關；水力梯度的增大(dà)誘導水分(fēn)子取向轉動，進而導緻承受庫侖阻力的水分(fēn)子數量增多。3.由于相鄰水層間存在速度差，所以慢(màn)層中(zhōng)的水分(fēn)子有更高概率停留在中(zhōng)心水分(fēn)子的上遊，進而對中(zhōng)心水分(fēn)子産生(shēng)淨庫侖阻力和淨範德華動力，而随着速度梯度的增大(dà)，分(fēn)布概率差異進一(yī)步擴大(dà)，進而産生(shēng)了更強的粘滞阻力。

關鍵詞組：分(fēn)子動力學；流體(tǐ)力學；黏土納米孔；分(fēn)子力；邊界效應；粘滞力

Bifurcation control of solid angle car-following model through a time-delay feedback method

Qun JI, Hao LYU, Hang YANG, Qi WEI, Rongjun CHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300026 Downloaded: 536 Clicked: 784 Cited: 0 Commented: 0(p.828-840) <Full Text> <PPT> 128

Chinese summary <8> 通過延時反饋法對實角汽車(chē)跟馳模型進行分(fēn)叉控制

作者：季群¹，呂浩¹，楊航¹，魏麒²，程榮軍¹
機構：¹甯波大(dà)學，海運學院，中(zhōng)國甯波，315211；²甯波财經學院，中(zhōng)國甯波，315175
目的：随着城市化進程的不斷發展，交通事故和交通擁堵越來越成爲城市發展的障礙。本文旨在設計一(yī)種響應延遲反饋控制來抑制不穩定因素引起的分(fēn)岔，從而抑制交通流量振蕩并提高模型對車(chē)輛軌迹的拟合程度。
創新點：1.采用定積分(fēn)方法來确定反應延遲和反饋增益的穩定區間；2.設計一(yī)種抑制交通擁堵和穩定交通流量的控制策略。
方法：1.通過對線性分(fēn)析和分(fēn)岔分(fēn)析的比較，确定穩定區的臨界範圍；2.運用定積分(fēn)的方法模拟各參數聯合控制下(xià)的精确和穩定範圍；3.通過校準得到的最優反饋增益和時滞參數位于控制系統的穩定區域，從而驗證該控制系統的合理性和可行性。
結論：1.本文設計的響應延遲反饋控制系統可以用來抑制或削弱交通系統的分(fēn)岔，從而抑制交通擁堵；2.校準得到的最優反饋增益和時滞參數位于控制系統的穩定區域；3.合理的反饋增益和延遲設置可以有效地提高交通流量的穩定性。

關鍵詞組：視角模型；時延；Hopf分(fēn)岔；反饋控制；參數校準