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.6 P.421-504

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Identification of ductile fracture model parameters for three ASTM structural steels using particle swarm optimization

Ya-zhi ZHU, Shi-ping HUANG, Hao HONG

DOI: 10.1631/jzus.A2100369 Downloaded: 933 Clicked: 1141 Cited: 0 Commented: 0(p.421-442) <Full Text> <PPT> 269

Chinese summary <30> 基于粒子群算法的ASTM结构钢延性断裂模型参数识别研究

作者：朱亚智¹，黄仕平^2,3，洪浩⁴
机构：¹同济大学，建筑工程系，中国上海，200092；²华南理工大学，土木与交通学院，中国广州，510640；³中新国际联合研究院，中国广州，510700；⁴上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，中国上海，200092
目的：准确预测延性断裂需要确定材料参数（包括本构参数和延性断裂模型参数），以反映真实的材料响应。传统的材料参数标定方法往往依赖于试错法，需手动调整参数，直到相应的有限元模型得到与实验结果相匹配的材料力学响应。参数估计的过程通常是主观的。为了解决这一问题，本文将材料断裂参数辨识问题转化为优化问题，并引入粒子群优化（PSO）算法作为优化方法。
创新点：1.基于粒子群优化算法，给出了自动识别钢材应变硬化参数的方法；2.建立了ASTM结构钢材Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）损伤模型的参数识别方法。
方法：1.通过圆形缺口杆件的拉伸试验，以试验和有限元模拟的载荷-位移曲线差值为目标方程，采用PSO优化算法及参数自动校准程序，以最小化目标方程确定应变硬化准则和非耦合断裂模型的参数；2.基于文献调研的结果，确定GTN模型各参数的合理取值范围，以此确定PSO算法中参数的取值，从而能够高效、准确地确定GTN参数。
结论：1. PSO算法能够准确地预测V形缺口试件的载荷-位移响应和延性断裂萌发，是一种识别延性断裂模型参数的有效算法；2.PSO在识别其他具有更多参数的断裂模型（如剪切修正GTN模型）方面具有很好的潜力，这些模型可以更准确地预测延性断裂。

关键词组：参数校准；孔洞增长模型；GTN模型；A36钢；A572 Gr. 50钢；A992钢；粒子群优化

Analysis of dynamic stresses in ballasted railway track due to train passages at high speeds

Jing HU, Xue-cheng BIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2100305 Downloaded: 1401 Clicked: 1172 Cited: 0 Commented: 0(p.443-457) <Full Text> <PPT> 369

Chinese summary <25> 高速列车荷载作用下的有砟轨道动应力分析

作者：胡静¹，边学成^2,3
机构：¹福州大学，土木工程学院，中国福州，350108；²浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；³浙江大学，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058
目的：研究高速列车荷载作用下有砟轨道路基和地基内部的动应力特征。
创新点：1.推导有砟轨道的2.5维有限元求解方程。2.从应力的角度出发，确定已有分析模型适用的列车速度范围。3.揭示轨道不平顺对路基和地基内部应力大小和应力路径的重要作用。
方法：1.基于2.5维有限元理论推导出有砟轨道的动力控制方程（公式(20)）。2.利用秦沈客运专线的现场测试结果验证模型的准确性（图5）。3.基于验证后的模型，分析列车速度、扣件性能及轨道不平顺对动应力的影响。
结论：1.Boussinesq解无法考虑列车速度和实际路基结构对应力的影响。2.平顺轨道模型只适用于列车速度不超过100km/h的情况。3.轨道不平顺不仅会增大动应力的强度还会引起多次主应力旋转，使得土体更加容易被破坏。

关键词组：有砟轨道；应力分析；轨道不平顺；应力路径；高速列车

Towards autonomous and optimal excavation of shield machine: a deep reinforcement learning-based approach

Ya-kun ZHANG, Guo-fang GONG, Hua-yong YANG, Yu-xi CHEN, Geng-lin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2100325 Downloaded: 1382 Clicked: 1800 Cited: 0 Commented: 0(p.458-478) <Full Text> <PPT> 287

Chinese summary <29> 迈向盾构机自主最优掘进：一种基于深度强化学习的方法

作者：张亚坤¹，龚国芳¹，杨华勇¹，陈玉羲¹，陈更林²
机构：¹浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027；²中国矿业大学，电气与动力工程学院，中国徐州，221116
目的：自主掘进作业是新一代智能隧道掘进机（TBM）发展的趋势。然而，现有技术局限于有监督机器学习和静态优化，其性能无法超越人工操作，也难以处理不断变化的地质条件和长期掘进性能指标。本文旨在解决盾构机掘进性能的动态优化问题，实现自主最优掘进。
创新点：1.针对掘进过程的盾构机-环境交互作用动力学，提出了一种基于第一性原理分析和深度神经网络相结合的高精度混合建模方法，改善模型的可解释性并简化了特征选择过程；2.提出了一种适用于盾构机智能操作系统的无量纲多目标综合掘进性能指标；3.提出了一种深度学习与最优控制结合的盾构自主最优掘进方法，实现盾构掘进参数的智能决策与长期综合掘进性能的多目标动态优化。
方法：1.通过理论推导，揭示掘进过程的多系统耦合作用关系，得到自主最优掘进系统设计的两个自由度（图8）；2.通过机理与数据联合驱动的混合建模，构建深度强化学习智能体的高精度训练环境；3.通过仿真模拟，利用施工现场数据，对自主最优掘进系统与人工操作的性能进行比较，验证所提方法的可行性和有效性（图11~13）。
结论：1.人类司机在进行掘进参数决策时，掘进比速度和掘进比能耗的相对权重比接近6:4。2.不同的地质条件应采用不同的掘进参数决策策略：常规地质应采用k₁值较高的自主最优掘进系统，而在掘进比速度明显降低的困难地质则应采用k₂值较高的自主最优掘进系统。3.尽管训练深度强化学习智能体非常耗时，但与培训熟练的盾构司机相比仍具有巨大的优势。

关键词组：盾构机；泥水盾构；TBM；智能盾构/TBM；深度强化学习；最优控制；动态优化；深度学习

Design method for hypersonic bump inlet based on transverse pressure gradient

Shang-cheng XU, Yi WANG, Zhen-guo WANG, Xiao-qiang FAN, Bing XIONG

DOI: 10.1631/jzus.A2100532 Downloaded: 1216 Clicked: 1469 Cited: 0 Commented: 0(p.479-494) <Full Text> <PPT> 353

Chinese summary <24> 基于横向压力梯度的高超声速鼓包进气道设计方法

作者：徐尚成，王翼，王振国，范晓樯，熊冰
机构：国防科技大学，空天科学学院，中国长沙，410073
目的：在超/高超声速进气道中，横向压力梯度是鼓包对边界层气流产生排移的关键，然而目前基于横向压力梯度的鼓包设计方法还有待进一步发展。本文旨在提出一种横向压力梯度驱动的高超声速鼓包进气道设计方法，以实现鼓包型面上横向压力梯度完全可控。在此基础上分析鼓包对进气道性能的影响，并从流动层面解释其原因。
创新点：1.提出了一种由横向压力梯度驱动的高超声速鼓包进气道设计方法，实现了鼓包与进气道完全一体化的设计；2.明晰了鼓包型面对不起动进气道大尺度分离区的三维重构作用，进而解释了鼓包进气道起动性能改善的原因。
方法：1.通过对鼓包工作原理的分析，提出一种基于横向压力梯度的高超声速鼓包进气道设计方法；2.通过数值仿真，研究鼓包进气道在设计点下对边界层气流的排移效果（图14）；3.通过数值仿真和风洞实验相结合的方法，研究鼓包对不起动进气道大尺度分离区的三维重构作用，进而分析鼓包对进气道起动过程的作用机理。
结论：1.采用本文提出的方法实现了由横向压力梯度驱动的鼓包型面设计，且该型面与进气道外压缩面完全一体化；2.在横向压力梯度的作用下，一部分边界层气流被排移出进气道，使得进气道流量系数稍有下降，但总压恢复性能明显提高；3.鼓包型面对不起动状态下的进气道大尺度分离区具有三维重构作用，使得进气道起动性能得到提高；4.采用本文提出的流量修正方法可使鼓包进气道实现全流量捕获。

关键词组：高超声速鼓包进气道；横向压力梯度；边界层气流；总压恢复；起动性能；流量修正

Flow-induced vibration characteristics of the U-type Coriolis mass flowmeter with liquid hydrogen

Xiang-xiang PEI, Xiang LI, Hao-hao XU, Xuan-hong YE, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100560 Downloaded: 1060 Clicked: 1130 Cited: 0 Commented: 0(p.495-504) <Full Text> <PPT> 343

Chinese summary <26> 液氢U型科里奥利质量流量计的流致振动特性研究

作者：裴祥翔¹，李想²，许好好²，叶宣宏¹，张小斌¹
机构：¹浙江大学，制冷与低温研究所，中国杭州，310027；²浙江能源技术研究院有限公司，中国杭州，310003
目的：氢能因其清洁高效等优点正逐渐被用作减少二氧化碳排放的替代能源，而质量流量是氢能在使用、运输和交易过程中的重要控制参数。科里奥利质量流量计因其精度高、结构简单等优点而受到广泛关注。本研究基于欧拉梁和一维稳定流动模型对液氢科里奥利质量流量计的流致振动特性展开研究，分别对液氢科氏流量计的频率、时滞、流速、传感器位置以及测量管结构等影响因素展开讨论，并与水和液氮工质的结果进行对比，为专门开发用于测量液氢的科氏流量计提供参考。
创新点：1.本研究对液氢为工质的U型科里奥利质量流量计的流致振动特性展开了深入研究，同时对比了水和液氮两种工质的计算结果。2.研究分别从激振系统、时滞量级以及不同工质标定产生的误差进行分析，为研究开发测量液氢的科里奥利质量流量计提供理论支持。3.该研究探究了传感器的位置以及结构尺寸对时滞的影响，为科氏流量计的结构优化提供了参考。
方法：1.基于欧拉梁和一维稳定流动模型构建直管和弯管的面外流致振动方程，并对构建的控制方程进行验证（表1，图3和4）。2.探讨流速对结构固有频率的影响（图5和6）、流速对U型管两臂相位差及时滞的影响（图7和8）、传感器位置以及结构尺寸对时滞的影响（图9和10）。3.将液氢、液氮和水三种工质的计算结果进行对比，得出用于测量液氢的科氏流量计的独有特性。
结论：1.相比于水和液氮工质，液氢密度低的特点导致液氢对结构固有频率的影响更小；同时，也导致在相同流速下，液氢科氏流量计对应的时滞比水和液氮两种工质对应的时滞小一个量级，这对于相位差的提取明显是不利的。2.采用水和液氮标定的科氏流量计用于测量液氢，将分别产生-6.84%和0.63%的误差；如果用水标定的科氏流量计用于测量液氮，将会产生-7.42%的误差。3.随着相位检测器远离固支端，对应的时滞将会显著降低；改变结构的弯管尺寸可以显著提升时滞的大小。

关键词组：科里奥利质量流量计；液氢；低温流体；流致振动