Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

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Articles

Active structures integrated with wireless sensor and actuator networks: a bio-inspired control framework

Peng-cheng Yang, Yan-bin Shen, Yao-zhi Luo

DOI: 10.1631/jzus.A1500109 Downloaded: 923 Clicked: 1406 Cited: 0 Commented: 0(p.253-272) <Full Text>   <PPT>  338

Chinese summary   <11>  集成无线传感器-执行器网络的主动结构:一种仿生控制框架

目的:主动结构的几何形状控制一直是结构控制领域的研究前沿。为满足形状控制目标,一个主要问题就是如何求解主动构件的执行量。以随机搜索算法为核心的基于模型的控制方法逐渐成为主流,但仍存在若干需改善之处,如计算量大、实时性差、不能很好应对未知荷载作用以及实际结构与数值模型间存在差异等。本研究旨在寻求一种控制框架,使其能够在某些场合下具备更好的控制性能。
创新点:1. 提出一类主动结构混合系统--集成无线传感器-执行器网络的主动结构(WAS);2. 通过模仿动物反射活动以及节律运动,提出WAS的两层级仿生控制框架。
方法:1. 将无线传感器-执行器网络引入主动结构,组成混合系统,建立离散的基本模型(图1);2. 结合仿生思想,按照两层级控制框架编制基本控制流程(图3和4);3. 通过仿真模拟,将无线传感器-执行器网络嵌入主动三棱柱张拉整体结构,运用仿生控制框架对张拉整体结构在多种工况下进行形状控制,验证所提概念和方法的可行性与有效性(图7和13)。
结论:1. 与以随机搜索算法为主的基于模型的形状控制方法相比,本文所提出的混合系统及其仿生控制框架,计算量极小,因此可快速应对外部作用的变化;2. 对于未知荷载作用,本文提出的仿生控制框架无需进行荷载识别,因此适应性更强;3. 由于不依赖于有限元模型,该仿生控制框架避免了来自实际结构与数值模型的误差,因此控制精度更高。

关键词组:主动结构;无线传感器-执行器网络;形状控制;仿生控制

Bearing capacity of thin-walled shallow foundations: an experimental and artificial intelligence-based study

Hossein Rezaei, Ramli Nazir, Ehsan Momeni

DOI: 10.1631/jzus.A1500033 Downloaded: 1397 Clicked: 1614 Cited: 0 Commented: 0(p.273-285) <Full Text>   <PPT>  365

Chinese summary   <12>  基于人工智能的薄壁浅地基的承重能力研究

目的:薄壁扩展式地基已被广泛应用于土壤强度相对较低的沿海工程。目前,已有很多学者对其进行了人工神经网络的适用性研究,希望用此对地基的承重能力进行预测。但是这些研究多数是基于传统的人工神经网络,学习速度慢且受困于局部极小值。本文拟提出一种改进的基于人工神经网络的预测薄壁浅地基承重能力的 模型。
方法:1. 整合145组关于地基承重测试的文献数据和实验数据(包括承重能力、摩擦角、沙的单位重量、基脚宽度和长宽比等);除了承重能力,其他参数都是模型输入;2. 研究各参数对地基承重能力的影响,确定最优的人工神经网络模型参数,并对不同的人工神经网络模型进行 比较。
结论:1. 当基脚长宽比从0.5变为1.12时,地基的承重能力增加了大约一半;2. 基于粒子群优化算法的人工神经网络模型表现最好;在测试数据中,承重能力的预测值和测量值之间高达0.98的相关系数也表明,在无粘性土中,基于人工神经网络的预测模型适用于薄壁浅地基的承重能力预测。

关键词组:薄壁地基;沙;承重能力;人工神经网络;粒子群优化

An integrated cognitive computing approach for systematic conceptual design

Hao Zheng, Yi-xiong Feng, Jian-rong Tan, Zhi-feng Zhang, Zi-xian Zhang

DOI: 10.1631/jzus.A1500161 Downloaded: 705 Clicked: 1271 Cited: 0 Commented: 0(p.286-294) <Full Text>   <PPT>  293

Chinese summary   <14>  一种面向系统化概念设计的集成认知计算方法

目的:产品概念设计是一种复杂的认知活动过程,在产品生命周期中具有极其重要的作用。目前对产品概念设计的智能化方向主要集中在概念生成与评价等离散阶段,尚缺乏系统性的智能化概念设计方法。本文的目的是在形式化与系统化概念设计过程中,实现设计的计算化与智能化,支持计算机辅助设计的发展与应用。
创新点:1. 结合工程设计与认知科学,提出多阶段设计认知模型表达产品设计过程;2. 采用计算智能算法,实现设计认知模型的智能求解。
方法:1. 通过分析设计者的设计过程规律,结合认知心理学构建符合设计流程的多阶段设计认知模型(图1);2. 通过引入计算智能算法,分别对认知模型中概念联想、概念组合和方案评价进行认知计算,实现设计过程的正向求解(图2);3. 通过仿真模拟,运用认知计算方法对液压机产品进行概念设计求解,得到相关的设计方案,并验证所提方法的可行性和有效性(表3)。
结论:1. 产品概念设计过程可抽象为概念生成、概念组合和方案评价的认知过程;2. 认知过程可以引入计算智能方法对其进行分别模拟计算;3. 运用认知计算方法对产品进行概念设计,可以显著提高设计效率,同时有助于设计自动化的实现。

关键词组:概念设计;认知计算;遗传算法;优劣解距离法

Exact free vibration analysis of open circular cylindrical shells by the method of reverberation-ray matrix

Xiong-liang Yao, Dong Tang, Fu-zhen Pang, Shuo Li

DOI: 10.1631/jzus.A1500191 Downloaded: 1065 Clicked: 1570 Cited: 2 Commented: 0(p.295-316) <Full Text>   <PPT>  288

Chinese summary   <13>  开口圆柱壳的回传射线矩阵法精确自由振动分析

目的:开口圆柱壳作为板壳组合结构的组成部分被广泛应用于工程实践中。本文探讨开口圆柱壳结构参数(长度、半径、厚度和夹角等)和边界条件对其振动特性的影响,这对工程结构的减振设计具有重要意义。通过推导开口圆柱壳的解析解及其求解过程,建立加筋开口圆柱壳和板-壳耦合模型振动分析的理论基础。
创新点:1. 推导行波与驻波结合形式的解析解;2. 建立回传射线矩阵法分析开口圆柱壳结构振动的流程;3. 分析得到大模态数下开口圆柱壳固有频率随壳厚线性变化;直边简支时,曲边边界条件对固有频率影响不大。
方法:1. 基于Donnell-Mushtari-Vlasov (DMV)薄壳理论,推导两对边简支的开口圆柱壳行波与驻波结合形式的解析解;2. 基于回传射线矩阵法原理,推导出开口圆柱壳的固有频率方程;3. 采用黄金分割法求解开口圆柱壳的固有频率方程,得到精确的固有频率;4. 分析开口圆柱壳不同结构参数和边界条件对固有频率的影响。
结论:1. 回传射线矩阵法适用于开口圆柱壳的振动分析且具有很高的精度;2. 开口圆柱壳的固有频率随其长度的增加而减小;3. 对于绝大部分模态数,开口圆柱壳的固有频率随其半径的增加而减小;4. 开口圆柱壳的固有频率随壳厚的增加而增加,当周向模态数n=1和2时,不同壳厚的开口圆柱壳固有频率相差很小,当周向模态数n≥7时,开口圆柱壳的固有频率随壳厚线性变化;5. 对于绝大多数模态数,开口圆柱壳的固有频率随夹角的增大而快速减小;6. 对于两曲边简支的开口圆柱壳,其固有频率从高到低对应两直边的边界条件为固支、简支和自由;7. 对于两直边简支的开口圆柱壳,两曲边的边界条件对其固有频率的影响不大。

关键词组:开口圆柱壳;回传射线矩阵法;自由振动分析;DMV薄壳理论;解析波动形式解

Squeal noise in hydraulic poppet valves

Da-yun Yi, Liang Lu, Jun Zou, Xin Fu

DOI: 10.1631/jzus.A1400351 Downloaded: 1075 Clicked: 1461 Cited: 0 Commented: 0(p.317-324) <Full Text>   <PPT>  312

Chinese summary   <12>  液压锥阀中的啸叫噪声

目的:液压锥阀产生尖锐刺耳的啸叫噪声,严重地降低了液压锥阀的品质。本文探讨液压锥阀啸叫噪声的产生机理,揭示啸叫噪声对特定频率噪声信号的选择性放大原理,为啸叫噪声抑制提供理论依据。
创新点:观测到介质相变、锥阀开度及阀腔变化下啸叫噪声基频漂移现象,建立空化条件下锥阀流体共振分析模型,获得了锥阀啸叫噪声是对特定频率信号的选择性放大的结论。
方法:1. 通过实验分析,观测到液压锥阀中啸叫噪声基频的漂移规律(图5~7、10和11);2. 提出液压锥阀啸叫噪声是流声耦合引起的亥姆霍兹共振假设;3. 通过建立锥阀阀腔声学共振频率模型,运用实验与理论相结合的方法分析不同工况下的啸叫噪声基频漂移规律,通过大量实验验证所提假设的正确性(图7、10和11)。
结论:1. 液压锥阀流声共振产生啸叫噪声,完成对特定频率噪声信号的选择性放大;2. 液压锥阀只有在因流体不稳定而产生的周期性压力扰动信号的频率与阀腔声学共振频率接近时才产生啸叫噪声;3. 运用液压锥阀流声共振产生啸叫噪声的结论,通过改变阀腔声学共振频率,使之与流道内因流体不稳定引起的压力扰动频率错开,能有效地抑制液压锥阀中啸叫噪声的产生。

关键词组:锥阀;啸叫噪声;亥姆霍兹共振;流声共振;剪切层不稳定

Impact of diesel emission fluid soaking on the performance of Cu-zeolite catalysts for diesel NH3-SCR systems

Dong-wei Yao, Feng Wu, Xin-Lei Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1500215 Downloaded: 813 Clicked: 1451 Cited: 1 Commented: 0(p.325-334) <Full Text>   <PPT>  355

Chinese summary   <11>  尿素水溶液浸渍对柴油机NH3-SCR后处理铜基分子筛催化剂性能的影响

目的:柴油机NH3-SCR系统在实际使用中容易出现SCR催化剂被尿素水溶液(DEF)浸渍和催化剂表面尿素结晶的问题,导致催化剂失活和老化。以铜基小孔分子筛Cu-SAPO-34为对象,研究DEF浸渍和尿素结晶对催化剂性能的影响,并分析DEF浸渍和尿素结晶影响催化特性的深层机理。
创新点:1. 通过小样DEF浸泡和水热处理模拟柴油机NH3-SCR系统在实际使用中催化剂表面被DEF浸渍、尿素结晶生成及演变的情况;2. 采用四步法在流动反应器上对被DEF浸泡和水热处理后的催化剂小样进行性能评估和分析。
方法:1. 对全尺寸铜基分子筛SCR催化剂取小样并进行700 °C和4小时的水热预处理使其性能稳定;2. 通过1~2小时DEF浸泡和高达550 °C的水热处理,模拟柴油机NH3-SCR系统在实际使用中催化剂表面DEF浸渍、尿素结晶生成与演变情况;3. 采用四步法在流动反应器上对被DEF浸泡和水热处理后的催化剂小样进行NOx转化率、N2O选择性、NO和NH3氧化性以及NH3存储等性能评估;4. 以新鲜催化剂小样为参照,分析DEF浸渍和尿素结晶对铜基分子筛SCR催化剂性能的影响。
结论:1. DEF浸渍会轻微减小铜基分子筛SCR催化剂的铜载量;2. 铜载量的降低削弱了催化剂的氧化性,导致较低的NO/NH3氧化性和高温N2O选择性;3. 铜载量的降低减缓了催化剂表面硝酸氨的分解,导致较低的低温N2O选择性;4. DEF浸渍引起铜载量变化的同时增强了催化剂表面酸性,使更多NH3可以被吸附和参与SCR反应;5. DEF浸渍过的催化剂小样由于具有较低的NH3氧化性和较高的NH3存储能力,所以在400 °C以上具有更好的NOx转化率;6. 尿素结晶对催化剂性能影响不明显,主要是因为DEF浸泡后的高温水热处理已经去除了催化剂表面大部分的尿素结晶。

关键词组:柴油机排放控制;选择性催化还原;NOx还原;铜基分子筛催化剂;尿素水溶液浸渍

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