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

2024 Vol.25 No.3 P.183-274

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Recent progress in the development of dielectric elastomer materials and their multilayer actuators

Shengchao JIANG, Junbo PENG, Lvting WANG, Hanzhi MA, Ye SHI

DOI: 10.1631/jzus.A2300457 Downloaded: 419 Clicked: 471 Cited: 0 Commented: 0(p.183-205) <Full Text> <PPT> 131

Chinese summary <13> 介電彈性體(tǐ)材料及其驅動器多層堆疊工(gōng)藝研究進展

作者：蔣升超^1,4，彭俊博^1,2,4，王呂婷^1,3，馬涵之¹，石烨¹
機構：¹浙江大(dà)學，伊利諾伊大(dà)學厄巴納香槟校區聯合學院，中(zhōng)國嘉興，314400；²浙江大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；³浙江大(dà)學，高分(fēn)子科學與工(gōng)程系，中(zhōng)國杭州，310058
概要：介電彈性體(tǐ)（DE）具有驅動應變大(dà)、響應快、能量密度高、可靈活處理各種配置等特點，已成爲最具前景的人工(gōng)肌肉技術之一(yī)。在過去(qù)的二十年中(zhōng)，研究人員(yuán)一(yī)直緻力于開(kāi)發性能改善的DE材料，并探索介電彈性體(tǐ)驅動器（DEA）的創新應用。本文重點讨論了兩大(dà)主題：介電彈性體(tǐ)的材料創新和介電彈性體(tǐ)驅動器多層堆疊工(gōng)藝的發展，這對推動介電彈性體(tǐ)的商(shāng)業化應用具有重要意義。本文對高性能介電彈性體(tǐ)材料和多層堆疊方法的最新進展進行了綜述，強調了在該領域取得的進展，并讨論了未來潛在的研究方向。在廣泛的商(shāng)業應用之前，DE仍有幾個問題需要解決。第一(yī)，設計能夠在高驅動頻(pín)率（100 Hz量級）下(xià)保持大(dà)而穩定驅動應變（超過100%）的DE材料。第二，解決DE和DEA長時間使用的穩定性。爲了提高壽命，應仔細研究失效機理，并根據機理适當調整DE材料的介電性能。第三，需要開(kāi)發具有高環境耐受性的DE材料。最後，需要解決高電壓驅動導緻的安全問題。疊層DE驅動器（MDEA）的開(kāi)發與DE的材料創新同樣重要，但MDEA的制備仍存在許多挑戰。适用于超薄DE薄膜堆疊的疊層工(gōng)藝需要被探索。此外(wài)，提高當前疊層方法的擴展性也很重要，以兼容大(dà)規模制造工(gōng)藝。

關鍵詞組：介電彈性體(tǐ)驅動器；介電彈性體(tǐ)；材料合成；疊層方法

Research Articles

A method for support stiffness failure identification in a steel spring floating slab track of urban railway: a case study in China

Junyuan ZHENG, Caiyou ZHAO, Duojia SHI, Ping WANG, Jian WANG, Bolong JIANG, Xi SHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300085 Downloaded: 489 Clicked: 611 Cited: 0 Commented: 0(p.206-222) <Full Text> <PPT> 87

Chinese summary <5> 城市軌道交通鋼彈簧浮置闆軌道支承剛度失效識别方法：一(yī)項中(zhōng)國的案例研究

作者：鄭鈞元^1,2，趙才友^1,2，師多佳^1,2，王平^1,2，王建³，姜博龍⁴，盛曦⁵
機構：¹西南(nán)交通大(dà)學，高速鐵路線路工(gōng)程教育部重點實驗室，中(zhōng)國成都，610031；²西南(nán)交通大(dà)學，土木工(gōng)程學院，中(zhōng)國成都，610031；³青島零一(yī)動測數據科技有限公司，中(zhōng)國青島，266000；⁴中(zhōng)國鐵路設計集團有限公司，城市軌道交通數字化建設與測評技術國家工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國天津，300308；⁵深圳大(dà)學，城市智慧交通與安全運維研究院，中(zhōng)國深圳，518060
目的：在列車(chē)往複動力作用和複雜(zá)環境因素耦合作用下(xià)，常出現諸如鋼彈簧隔振器斷裂、基底不均勻沉降誘發吊空等隔振器支承剛度失效的問題。本文提出一(yī)種鋼彈簧浮置闆軌道支承剛度失效的方法，能及時識别失效數量、失效程度、失效位置，以避免剛度失效引起的軌道結構劣化和行車(chē)安全威脅。
創新點：1.分(fēn)析隔振器支承剛度失效對浮置闆軌道系統各動力指标的影響，并構建一(yī)套浮置闆軌道鋼彈簧失效識别方法；2.結合具有噪聲的基于密度的聚類方法（DBSCAN）算法和統計分(fēn)析構建一(yī)套浮置闆軌道支承剛度智能監測系統，并應用于中(zhōng)國南(nán)部某線路。
方法：1.通過動力響應敏感性分(fēn)析，得出浮置闆自振頻(pín)率、動位移、轉角對支承剛度失效的敏感性較高（圖5和6）；2.通過分(fēn)析多種剛度失效的情況，得出敏感性指标和支承剛度失效的關系（表3和4，圖8）；3.基于上述成果，構建智能監測系統并應用到現場，驗證方法的有效性（圖13和15）。
結論：1.動力學模型的敏感性分(fēn)析表明，列車(chē)荷載下(xià)的浮置闆一(yī)階垂向自振頻(pín)率、最大(dà)垂向動位移、轉角有效值易受剛度失效影響。2.浮置闆的一(yī)階垂向頻(pín)率主要跟失效數量有關；浮置闆最大(dà)垂向動位移與失效高度具有較好的線性關系；浮置闆轉角之間的大(dà)小(xiǎo)關系對失效位置很敏感。3.以上述方法爲理論基礎構建浮置闆軌道支承剛度智能監測系統，成功識别出鋼彈簧失效。

關鍵詞組：浮置闆軌道；支承剛度；精細化模型；失效識别；監測系統

Non-uniform thermal behavior of single-layer spherical reticulated shell structures considering time-variant environmental factors: analysis and design

Wucheng XU, Xiaoqing ZHENG, Xuanhe ZHANG, Zhejie LAI, Yanbin SHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2300143 Downloaded: 491 Clicked: 535 Cited: 0 Commented: 0(p.223-237) <Full Text> <PPT> 76

Chinese summary <5> 考慮時變環境因素的單層球面網殼結構的非均勻熱行爲：分(fēn)析與設計

作者：許武成^1,3,4，鄭曉清²，張軒赫^1,3,4，來哲傑¹，沈雁彬^1,3,4
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；²浙江大(dà)學，平衡建築研究中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310028；³浙江大(dà)學，長三角智慧綠洲創新中(zhōng)心，中(zhōng)國嘉興，314100；⁴浙江大(dà)學，浙江省空間結構重點實驗室,中(zhōng)國杭州，310058
目的：由于多環境因素的動态耦合作用，單層球面網殼的溫度變化具有強時變性和顯著的非均勻特征。然而，傳統的設計觀念将結構的溫度變化等效爲氣溫的均勻升降，這可能導緻潛在的安全隐患。通過數值模拟、實驗研究和理論推導，本文旨在分(fēn)析單層球面網殼溫度的時變規律和分(fēn)布模式，研究非均勻熱效應及其影響因素，并針對該類結構提供非均勻熱荷載的設計方法。
創新點：1. 根據真實熱邊界條件，模拟單層球面網殼的長期溫度變化并剖析其時變規律和分(fēn)布模式；2. 基于理論推導、數值和實驗驗證，提出單層球面網殼非均勻熱荷載的設計方法；3. 對比結構均勻與非均勻熱效應，分(fēn)析影響熱效應的施工(gōng)因素。
方法：1. 通過仿真計算，運用真實熱邊界條件模拟單層球面網殼的長期溫度變化，分(fēn)析溫度場的時變規律與分(fēn)布模式；2. 通過理論推導，構建單層球面網殼非均勻熱荷載的設計方法，并通過現場試驗和數值模拟驗證方法的有效性；3. 通過應用熱荷載設計方法，研究結構的熱效應及其影響因素。
結論：1. 單層球面網殼溫度場具有強時變性和非均勻性特征，不均勻程度取決于熱邊界條件，分(fēn)布模式取決于太陽與結構之間的位置關系；2. 運用理論推導完成溫度場的簡化計算，實現非均勻熱荷載的設計，并通過實驗和模拟對方法的有效性進行驗證；3. 單層球面網殼的非均勻熱效應顯著強于均勻熱效應，施工(gōng)合攏時間是決定結構熱效應的關鍵因素，合理安排合攏時間可以有效降低結構的熱應力和變形。

關鍵詞組：非均勻溫度場；非均勻熱荷載；非均勻熱效應；單層球面網殼；時變環境因素

Development of underwater electric manipulator based on interventional autonomous underwater vehicle (AUV)

Xiaohui HU, Jiawang CHEN, Hang ZHOU, Ziqiang REN

DOI: 10.1631/jzus.A2200621 Downloaded: 548 Clicked: 622 Cited: 0 Commented: 0(p.238-250) <Full Text> <PPT> 65

Chinese summary <8> 應用于作業式水下(xià)自主潛航器的水下(xià)電動機械手研發

作者：胡曉輝^1,2，陳家旺^1,2,3，周航^1，2，任自強^1,2
機構：¹浙江大(dà)學，海洋學院，中(zhōng)國舟山，316000；²浙江大(dà)學海南(nán)研究院，中(zhōng)國三亞，572000；³教育部海洋傳感技術與裝備工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國舟山，316021
目的：1.以水下(xià)輕量化水下(xià)電動機械臂爲研究對象，探索水下(xià)電動機械臂和自主水下(xià)航行器（AUV）的集成技術，設計一(yī)套全新的适用于500m以上水深的水下(xià)機械臂。2.提高AUV的現場操作幹預能力和自主作業能力，爲海底探測取樣作業提供更加有效、經濟、方便、快速的手段，在海洋資(zī)源探測中(zhōng)發揮更大(dà)的作用。
創新點：1.以水下(xià)輕量化水下(xià)電動機械臂爲研究對象，探索水下(xià)電動機械臂和AUV的集成技術，設計了一(yī)款全新的适應AUV搭載的水下(xià)電動機械手。2.該水下(xià)電動機械手的密封方式借鑒了深海液壓系統的工(gōng)作原理，采用壓力補償的方式提升電動機械手本身的耐壓性和防水性，提升了電動機械手的适用水深和水下(xià)工(gōng)作的可靠性。
方法：1.基于機器人運動學與動力學理論，進行仿真驗證，并搭建水下(xià)電動機械手實驗平台。2.進行陸上和水下(xià)的實驗，完成軌迹的跟蹤實驗，并對水上水下(xià)和仿真實驗的數據進行對比分(fēn)析，得到水下(xià)電動機械手的軌迹跟蹤精度，以驗證該機械手的運行精度。
結論：1.在勻加速/減速過程中(zhōng)，機械手關節的運行更加穩定；在從勻減速到停止的過渡階段有微量的過沖；在勻速運動過程中(zhōng)，關節角度跟蹤不穩定，從波動幅度來看，誤差範圍約爲0.01 rad。2.通過進一(yī)步分(fēn)析機械手緻動器的運動軌迹誤差可以得出，機械手在空氣中(zhōng)的絕對跟蹤誤差峰值約爲18 mm，而在水下(xià)約爲14 mm；機械手在水下(xià)的末端運動精度比在水中(zhōng)高，勻速時産生(shēng)的振動幅度也比在空氣中(zhōng)小(xiǎo)得多。3.要提高機械臂系統的性能，需要設計更精确的控制系統；進行流體(tǐ)力學分(fēn)析，還需要搭載配備視覺系統的AUV，以便在水下(xià)環境和實際海洋環境中(zhōng)進行下(xià)一(yī)步的自主操作實驗。

關鍵詞組：水下(xià)電動操縱器；逆運動學；軌迹規劃；軌迹跟蹤精度

Churning loss characteristics of a wet three-phase high-speed reluctance motor

Zhenzhou ZHANG, Mingzhu DAI, Chenchen ZHANG, Yi CHEN, Bin MENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300053 Downloaded: 471 Clicked: 658 Cited: 0 Commented: 407(p.251-267) <Full Text> <PPT> 67

Chinese summary <5> 濕式三相高速磁阻電機攪拌損失的特性研究

作者：張震舟，戴銘柱，張晨晨，陳義，孟彬
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：傳統幹式電機在高速工(gōng)況下(xià)存在動密封磨損和油液洩露等問題。1.本文通過電機濕式化提出一(yī)種濕式三相高速磁阻電機泵的新結構以去(qù)除動密封。2.簡化電機泵結構并提高集成度，以通過油液的循環流動改善電機散熱問題。3.集中(zhōng)研究電機濕式化後所引起的攪拌損失問題，爲後續濕式電機攪油阻力矩的減阻優化提供一(yī)種較好的計算方法。
創新點：1.提出一(yī)種新型濕式三相高速磁阻電機泵，并通過O型密封圈來構成濕式耐高壓結構，避免了高速工(gōng)況下(xià)的動密封磨損、油液洩露和發熱嚴重等問題；2.通過理論分(fēn)析，推導出濕式電機攪油阻力矩的解析模型；3.基于計算流體(tǐ)力學（CFD）建立濕式電機攪油的仿真模型，并對其運行過程中(zhōng)所受到的阻力矩和内部流場狀态進行分(fēn)析；4.設計制造實驗樣機，搭建濕式電機攪油的實驗台架，并測試不同轉速和溫度下(xià)的攪油阻力矩。
方法：1.通過理論分(fēn)析，建立濕式電機攪油阻力矩的解析模型（公式(26)）；2.通過仿真模拟，對電機運行過程中(zhōng)内部流場狀态（圖9和10）與其受到的流體(tǐ)阻力矩（圖11和12）進行分(fēn)析，驗證解析模型的有效性（圖13和14）；3.通過濕式電機攪油樣機和實驗台架（圖15和16）測試不同轉速和溫度下(xià)的攪油阻力矩，驗證解析模型和仿真模拟的有效性（圖19和20）。
結論：1.濕式三相高速磁阻電機泵的新結構能夠去(qù)除傳統動密封，使其無需克服動密封摩擦力；這大(dà)大(dà)簡化了電機泵的結構，提高了集成度，使其可通過油液的循環流動改善電機散熱問題。2.電機攪油阻力矩與内部流場參數之間存在映射關系，因此可通過建立解析模型實現關聯表征；通過CFD對濕式電機攪油進行仿真模拟，能夠驗證解析模型的有效性，爲電機流場求解提供一(yī)種較好的方法。3.實驗結果驗證了解析模型和仿真模拟的有效性；三者的攪油阻力矩在不同轉速、不同溫度下(xià)的曲線趨勢吻合良好，爲後續濕式電機攪油阻力矩的減阻優化提供了一(yī)種較好的計算方法。4.在高速運轉過程中(zhōng)，電機的側面攪油阻力矩占總攪油阻力矩的比重很大(dà)，所以如何優化電機結構參數以減小(xiǎo)其側面攪油阻力矩是該濕式電機能否得以成功應用的關鍵所在。

關鍵詞組：電機泵；濕式電機；攪拌損失；解析模型；計算流體(tǐ)力學（CFD）

Synthesis and characterization of three new solid polyoxometalates based on Wells-Dawson-derived sandwich-type polyanions [Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-

Jijie YE, Xuan XU, Chuande WU

DOI: 10.1631/jzus.A2300250 Downloaded: 360 Clicked: 514 Cited: 0 Commented: 0(p.268-274) <Full Text> <PPT> 69

Chinese summary <7> 制備與表征基于Wells-Dawson三明治型多酸陰離(lí)子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-的三種新型固态雜(zá)多酸材料

作者：葉吉接，胥璇，吳傳德
機構：浙江大(dà)學，化學系，中(zhōng)國杭州，310058
目的：本文旨在研究Wells-Dawson三明治型雜(zá)多酸陰離(lí)子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-的配位能力、夾心金屬離(lí)子的穩定性以及氧化還原性質，以拓展有機-無機雜(zá)化材料的種類。
創新點：1.首次以Wells-Dawson三明治型雜(zá)多酸陰離(lí)子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-制備了有機-無機雜(zá)化材料；2.首次實現在溫和條件下(xià)取代Wells-Dawson三明治型雜(zá)多酸陰離(lí)子中(zhōng)的夾心金屬離(lí)子。
方法：1.在溫和條件下(xià)合成[Co₈(H₂O)₃₄(pz)₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·16H₂O，[H₃O]₄[Co₆(H₂O)₂₂(pz)₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·21H₂O和[H₃O]₄[Co₆(H₂O)₂₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·29H₂O三種雜(zá)多酸固态材料；2.利用X-射線單晶衍射、傅裏葉紅外(wài)譜圖、X-射線粉末衍射、熱重分(fēn)析和循環伏安曲線等測試與表征方法對合成的三種雜(zá)多酸固态材料進行結構和性質分(fēn)析。
結論：在溫和條件下(xià)制備由Wells-Dawson三明治型{Co₄P₄W₃₀}雜(zá)多酸構築的三種固态配位材料，發現夾心環帶中(zhōng)的金屬陽離(lí)子能夠影響雜(zá)化材料的骨架結構。此外(wài)，首次證明夾心環帶中(zhōng)的金屬陽離(lí)子在相對溫和的條件下(xià)容易被環境中(zhōng)的過渡金屬離(lí)子取代。本研究爲合理設計和組裝具有潛在應用前景的有機-無機雜(zá)化材料提供了有益參考。