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

2016 Vol.17 No.12 P.923-1012

<<< CONTENTS >>>

Report

Report: Sustainability development strategy of China’s high speed rail

Ping Tan, Ji-en Ma, Jing Zhou, You-tong Fang

DOI: 10.1631/jzus.A1600747 Downloaded: 7447 Clicked: 13852 Cited: 2 Commented: 0(p.923-932) <Full Text> <PPT> 5908

Chinese summary <1789> 中国高速铁路的可持续发展战略

概要：2008年以来，通过引进和消化国外高速铁路先进技术，联合设计生产和在此基础上的再创新，中国高速铁路技术进入了世界前列，并建成了世界上规模最大，技术水平最高的高速铁路网，大幅改善了中国的交通状况，带动了区域经济和装备制造业的发展。新的中长期铁路网规划的发布和"一带一路"及中国铁路"走出去"战略的实施，给高速铁路技术提出了新的要求。未来需要将现代科学的最新进展与高速铁路建设、运营、维护和管理的工程进一步结合，通过创新支撑中国乃至世界高速铁路的可持续发展。

关键词组：高速铁路；技术创新；可持续发展

Articles

A growth-based topology optimizer for stiffness design of continuum structures under harmonic force excitation

Bao-tong Li, Su-na Yan, Jun Hong

DOI: 10.1631/jzus.A1500328 Downloaded: 2477 Clicked: 4773 Cited: 0 Commented: 0(p.933-946) <Full Text> <PPT> 1838

Chinese summary <27> 简谐力激励下结构的生长式拓扑优化方法

目的：振动在机械结构的工作中难以避免，且会显著降低机械结构的工作性能。因此，结构动力响应优化设计就显得尤为重要。本文旨在提出一种有效的简谐力激励下的结构拓扑优化方法，通过合理设计结构内加强筋的布局，减小结构特定位置处的位移响应幅值，提高结构的固有频率。
概要：植物叶脉可以有效地支撑叶片以抵抗自然界中的风载。本文将植物叶脉分叉构型的最优性用于简谐力激励下结构的加强筋布局设计。首先对简谐力激励下结构的位移响应进行分析。在此基础上，构建以最小化结构特定位置处位移响应幅值为目标的生长式拓扑优化模型。然后，从数学优化的角度，分析加强筋的生长应遵循的规律，提出生长式拓扑优化的数值实现算法。最后通过数值算例证明了本文所提方法的有效性。

关键词组：拓扑优化；适应性生长；刚度设计；加强筋布局；简谐力激励

Investigation of high-speed rubbing behavior of labyrinth-honeycomb seal for turbine engine application

Na Zhang, Hai-jun Xuan, Xiao-jun Guo, Chao-peng Guan, Wei-rong Hong

DOI: 10.1631/jzus.A1600367 Downloaded: 5262 Clicked: 4171 Cited: 1 Commented: 0(p.947-960) <Full Text> <PPT> 2038

Chinese summary <25> 涡轮发动机中篦齿-蜂窝封严结构的高速碰磨行为研究

目的：航空涡轮发动机中篦齿-蜂窝封严结构能有效降低转动部件之间的气路间隙，提高发动机效率。在高温高速可磨耗试验机上进行模拟试验，研究篦齿叶尖与金属蜂窝之间的高速碰磨行为，分析篦齿叶片和金属蜂窝的磨耗机理，验证金属蜂窝的可磨耗性能，为蜂窝封严在航空发动机中的应用提供参考。
创新点：1. 成功研制了模拟封严材料高速碰磨行为的可磨耗试验机，最高叶尖线速度可达520 m/s；2. 进行了不同试验条件下的高速碰磨试验，验证了蜂窝材料的可磨耗性能；3. 通过高速碰磨试验，掌握篦齿叶片和金属蜂窝的磨耗机理；4. 获得了高速碰摩力和冲击加速度数据，对应用具有指导作用。
方法：1. 研制高速可磨耗试验机；径向进给系统驱动封严试样主动与高速旋转的模拟叶片接触并发生高速碰磨作用；试验机可模拟的最高叶尖线速度为520 m/s，进给速率为5~1000 μm/s。2. 在可磨耗试验机上进行不同叶尖线速度和进给速率条件下的高速碰磨试验，通过对试验现象以及试验后金属蜂窝和篦齿叶片的磨损形貌进行分析，了解高速碰磨过程中的磨损机理。3. 通过三向测力传感器对试验中的高速碰磨力进行测量，分析碰摩力的变化规律。4. 通过加速度传感器测量瞬时冲击响应，了解冲击作用的大小。
结论：1. 高速碰磨时，金属蜂窝会发生切削和挤压变形，进给速率对挤压变形具有重要影响。2. 高速碰磨时篦齿与蜂窝的接触区域会产生摩擦火花，导致篦齿叶尖发生烧蚀和氧化，摩擦热的聚集会导致蜂窝材料在被切削时发生涂抹，同时伴随有蜂窝材料向篦齿叶尖的转移。3. 随着碰磨时间的延长，摩擦热逐渐增多，且在高叶尖线速度条件下更加明显。4. 测试到的碰摩力曲线可以分为四个典型阶段：碰磨前、碰磨中、停留和退出；试验测试到的最大径向和切向碰摩力分别为716 N和871 N，不会对转子部件造成损坏。5. 在最大叶尖线速度和最大进给速率参数下测得的冲击加速度最大，约为341g。

关键词组：篦齿-蜂窝封严；航空发动机带冠涡轮叶片；可磨耗性；碰磨机理；碰磨作用

A structural reliability-based sensitivity analysis method using particles swarm optimization: relative convergence rate

Cheng-ming Lan , Hui Li, Jun-Yi Peng , Dong-Bai Sun

DOI: 10.1631/jzus.A1500255 Downloaded: 3363 Clicked: 5293 Cited: 0 Commented: 0(p.961-973) <Full Text> <PPT> 1927

Chinese summary <33> 基于粒子群优化算法的结构可靠度敏感性分析方法：相对收敛率

目的：采用粒子群优化算法（PSO）提高可靠指标计算效率，探讨PSO求解过程中粒子群在不同维上统计特性及其收敛速率表征的物理含义，研究优化过程中粒子收敛速率与随机变量敏感性的关系，提出可靠度敏感性分析新方法。
创新点：1. 根据PSO寻优过程中粒子在不同维上收敛速率不同，提出采用收敛速率表征随机变量的敏感性；2. 建立最优化策略组避免粒子群收敛过程中产生波动，保证最优化策略组内粒子在不同维上连续收敛，定义相对收敛率表征随机变量敏感性。
方法：1. 根据Hasofer-Lind可靠指标的几何意义，建立可靠指标的优化模型，提出采用改进的PSO求解可靠指标与验算点，采用可行策略方法处理约束条件；2. 通过理论推导，构造PSO迭代过程的最优评价函数集（公式（18）），建立最优化策略组保证粒子在不同维上连续收敛，提出表征随机变量敏感性的相对收敛率计算公式（公式（19））；3. 通过数值模拟并与传统基于梯度的敏感性分析计算结果比较，验证本文所提方法的可行性和有效性。
结论：1. 相对收敛率可以表征随机变量的敏感性；2. 最优化策略组避免相对收敛率的波动，保证候选粒子变异系数曲线在解空间内连续收敛；3. 最优化策略组内随机变量候选解的变异系数越小则其表征的随机变量越敏感；4. 基于PSO的可靠度及敏感性分析对复杂问题更有效。

关键词组：敏感性分析；优化；结构可靠度；随机变量

Vertical vibration of a large diameter pile embedded in inhomogeneous soil based on the Rayleigh-Love rod theory

Zhen-ya Li, Kui-hua Wang, Wen-bing Wu, Chin Jian Leo

DOI: 10.1631/jzus.A1500341 Downloaded: 2783 Clicked: 4650 Cited: 0 Commented: 0(p.974-988) <Full Text> <PPT> 2027

Chinese summary <25> 基于Rayleigh-Love杆理论的非均质土中大直径桩纵向振动

目的：研究大直径桩横向惯性效应对其动力响应的影响以及与土体径向非均质性的关系。
创新点：1. 采用Rayleigh-Love杆模型模拟大直径桩，考虑其横向惯性效应；2. 所建立的桩土相互作用模型能同时考虑土体的竖向成层性和径向非均质性。
方法：1. 采用Rayleigh-Love杆模型模拟大直径桩，建立桩土体系纵向振动控制方程（公式（1）和（4））；2. 通过求解方程，得到桩顶纵向振动频域响应解析解（公式（15））和时域响应半解析解（公式（16））；3. 通过参数分析的方法，研究横向惯性效应对桩顶响应的影响以及与桩身参数和桩周土径向非均质性的关系（图2~9）；4. 通过与工程实例的对比，证明本文解的合理性（图11）。
结论：1. 考虑横向惯性效应时，桩底反射信号后移，导致桩的计算长度大于其实际值；2. 横向惯性效应的影响程度随着桩身半径、泊松比、桩周土软化范围和软化程度的增大而增强，随着桩身混凝土强度等级、桩周土硬化范围和硬化程度的增大而减弱；3. 考虑横向惯性效应时的计算曲线与实测曲线更为吻合。

关键词组：大直径桩；纵向振动；横向惯性效应；Rayleigh-Love杆模型；非均质土

Finite element modeling of superplastic co-doped yttria-stabilized tetragonal-zirconia polycrystals

Hsuan-Teh Hu, Shih-Tsung Tseng, Alice Hu

DOI: 10.1631/jzus.A1500159 Downloaded: 2492 Clicked: 4502 Cited: 0 Commented: 0(p.989-999) <Full Text> <PPT> 1903

Chinese summary <20> 超塑性Y-TZP基陶瓷之有限元分析

目的：通过调整非常精细的颗粒，四方晶氧化锆多晶（TZP）在室温下保持稳态四方相，并且具有优异的塑性。然而，当材料变形时，我们必须对超塑性陶瓷在机械应力分布和断裂机制方面有更多的理解。
创新点：1. 通过材料弹塑性模型；2. 使用胡克定律、塑性应变硬化及von Mises降伏准则；3. 结合等向性硬化规则及相关联的流动规则。
方法：1. 开发一个高温超塑性材料在不同应变率拉伸条件下具备不同应力-应变关系的组成律模型及有限元分析模型；2. 通过有限元法仿真模拟与实验结果比对；3. 验证所提方法的可行性和精确性。
结论：1. 有限元仿真模拟的应力-应变关系与实验数据吻合较好，对于所研究的四种组合物，最大应力和应变的误差均小于1%。2. 有限元仿真模拟的最终变形形状（宽度和厚度）与拉伸试验的结果一致；这些验证证实了所提有限元分析模型的可靠性。

关键词组：有限元分析；Y-TZP基陶瓷；超塑性

Green epoxidation of cyclooctene with molecular oxygen over an ecofriendly heterogeneous polyoxometalate-gold catalyst Au/BW₁₁/Al₂O₃

Umsa Jameel, Ming-qiao Zhu, Xin-zhi Chen, Yi Liu, Zhang-fa Tong

DOI: 10.1631/jzus.A1500332 Downloaded: 3441 Clicked: 4407 Cited: 2 Commented: 0(p.1000-1012) <Full Text> <PPT> 1692

Chinese summary <22> 环境友好非均相多金属氧酸盐-金催化剂Au/BW₁₁/Al₂O₃上环辛烯分子氧绿色环氧化研究

目的：环氧化物是多种有机合成反应的重要中间体，也可作为环氧树脂、染料和表面活性剂的原料。传统的环氧化存在催化剂分离难、氧化剂成本高和过程含有溶剂等缺点。本文旨在探讨纳米金和多金属氧酸盐负载非均相催化剂用于无溶剂条件下环辛烯环氧化的反应条件对催化性能的影响。
创新点：1. 把纳米金颗粒和多金属氧酸盐（即BW₁₁）结合并负载在固体载体上制备出了一种新型复合催化剂材料；2. 采用分子氧作为氧化剂而不是传统的有机酸或者过氧酸；3. 在温和条件下可获得良好的转化率和较高的环氧化物选择性；4. 催化反应体系未使用有机溶剂；5. 催化剂稳定并可循环使用。
方法：1. 根据文献中所述方法制备BW₁₁；2. 采用标准沉积沉淀法合成Au/Al₂O₃；3. 采用湿式浸渍法制备催化剂Au/BW₁₁/Al₂O₃；4. 环辛烯环氧化使用叔丁基过氧化氢（TBHP）作为引发剂，氧气作为氧化剂，在高压反应釜中进行反应；5. 采用扫描电镜和X射线衍射等对催化剂进行表征。
结论：1. 提高焙烧温度可改善催化反应性能；2. 随着催化剂量增加到0.2 g，转化率也随之增加（图8）；3. 反应的最佳温度为80 °C（表1）；4. 随着反应时间的增加直到24 h，转化率逐渐增加，环氧化物选择性也增加到约87%（图9）；5. 催化剂可适用于多种氧化剂（表2）；6. 无溶剂下转化率和选择性相对较大（表3）；7. 催化剂可以有效活化分子氧和环辛烯；8. 催化剂可以再生，在使用三次后，其活性损失不大。

关键词组：纳米金；多金属氧酸盐；环辛烯；环氧化；分子氧