Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000, Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed journal on applied physics and engineering, indexed by SCI-E, Ei Compendex, Scopus, CSCD, CNKI, INSPEC, CA, JST, AJ, 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), 1.490 (2019), 2.263 (2020), 2.485 (2021), 3.2 (2022), 3.4 (2023), 3.9 (2024).

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A

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

2026 Vol.27 No.2 P.87-182

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Review

Review: Review of the comprehensive utilization of regenerative braking energy in alternating-current electrified railways

Youtong FANG, Wenjing TIAN, Jien MA, Yuanlin GUO, Shifeng LIU, Zhenzhi LIN

DOI: 10.1631/jzus.A2500155 Downloaded: 1241 Clicked: 736 Cited: 0 Commented: 0(p.87-108) <Full Text> <PPT > 26

Chinese summary <2> 交流电气化铁路再生制动能量综合利用研究综述

作者：方攸同，田文婧，马吉恩，郭源霖，刘世锋，林振智
机构：浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027
概要：在全球积极脱碳战略部署及交流电气化铁路迅速发展的时代背景下，再生制动能量的高效利用已成为我国力推的能源政策之一，因为其不仅能够显著降低铁路系统能耗，而且具备为电力系统提供辅助服务的潜力，进而提高铁路和电力系统的协调性、经济性和稳定性。本文从再生制动能量的利用方案着手，对行车组织优化、能量存储介质、能量共享方式及能量回馈架构等方面进行了归纳。其次，从宏观视角探讨了再生制动能量控制系统的结构层次，发现再生制动上层能量管理系统主要呈现基于阈值、优化和学习的发展态势，而下层变流器控制系统倾向改善基于模块化多电平变流器的铁路功率调节器均压及环流结构性能、降低计算负担的控制方案策略选择。最后，结合现有的理论研究与实际工程应用给出提高再生制动能量利用率的合理化建议，为交流电气化铁路再生制动能量的高效利用、技术创新和经济发展提供支持。

关键词组：再生制动能量；行车组织优化；储能系统；能量共享及回馈；交流电气化铁路

Research Article

Finite element model updating methodology and application to flexible resonance of high-speed railway vehicles

Chao CHANG, Liang LING, Xiaoyi MA, Fansong LI, Tao LIU, Wanming ZHAI

DOI: 10.1631/jzus.A2400478 Downloaded: 1590 Clicked: 1479 Cited: 0 Commented: 0(p.109-127) <Full Text> <PPT > 35

Chinese summary <3> 高速列车整备状态车体有限元模型修正方法与应用研究

作者：昌超^1,2,3，凌亮²，马晓毅¹，李凡松²，刘涛³，翟婉明²
机构：¹华东交通大学，机电与车辆工程学院，中国南昌，330013；²西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031；³中车长春轨道客车股份有限公司，中国长春，130062
目的：车体柔性共振现象对高速列车的运行稳定性与行车安全具有显著影响。因此，建立精确的有限元（FE）模型对于构建刚柔耦合多体动力学模型并揭示高速列车车体柔性共振机理至关重要。首先，本文提出了一种基于实验模态分析（EMA）的高速列车整备状态车体有限元模型修正策略：构建充分考虑实际约束条件的整备状态精细化车体三位有限元模型，采用遗传算法（GA）结合实验模态数据对模型材料属性参数进行迭代优化。随后，基于更新后的车体有限元模型，构建高速列车车辆－轨道刚柔耦合动力学模型。研究表明：数值仿真结果与现场实测结果高度一致，能够准确再现车体柔性共振现象及其异常抖振频率。该研究工作为高速列车车体有限元模型更新与车体柔性振动机理提供了可参考的理论方法与应用场景。
创新点：1.结合实验模态分析与遗传算法，提出针对高速列车整备状态车体的有限元模型修正方法，实现车体有限元模型材料参数的精准优化；2.通过建立考虑实际约束的精细化三维车体有限元模型，并考虑车下附属设备及连接方式对模态特性的影响，提升模型准确度；3.通过将修正后的车体有限元模型应用于车辆－轨道耦合动力学分析，成功复现车体柔性共振现象，并验证模型在动态响应模拟中的有效性，为车体柔性振动问题的研究提供新的技术路径。
方法：1.构建三维车体有限元模型：将车体铝合金外壳、内部配件及底部设备考虑在内，并采用壳单元、梁单元、质量单元等模拟不同结构，定义材料参数并进行初始模态分析（表1和图5）。2.开展车体模态试验：通过电振动台施加随机激励，并布置196个测点采集振动信号，采用PolyMAX方法识别模态参数（频率、振型、阻尼比），并通过MAC、MPC指标验证试验有效性（图6~8）。3.模型修正与优化：基于拉丁超立方抽样进行灵敏度分析，并筛选对模态响应影响显著的参数（弹性模量、密度）；以遗传算法优化参数，使数值模态与实验模态的频率误差小于5%、MAC值大于0.8（图9~12）。4.动力学模型应用：基于修正后的车体模型建立车辆－轨道刚柔耦合动力学模型，通过模拟正常运行及共振工况下的动态响应，并与现场实测数据对比，验证模型对柔性共振的复现能力（图13~15）。
结论：1.修正后的整备状态车体有限元模型在模态参数模拟上与实验结果高度一致，其频率误差显著降低，MAC指标提升，这表明模型能准确反映车体动态特性；2.基于修正模型的车辆－轨道耦合动力学模型，其动态响应（如加速度时程、功率谱密度）与现场实测数据吻合良好，可有效复现车体柔性共振现象；3.该模型修正方法为高速列车车体柔性振动分析及解决共振问题提供了可靠的数值工具，可进一步用于故障识别和优化设计。

关键词组：高速列车；车体柔性共振；有限元；模型修正；模态频率

Efficient sensorimotor cues for training a glider to soar autonomously

Siyuan ZHENG, Jiachi ZHAO, Lifang ZENG, Zhouhong WANG, Jun LI

DOI: 10.1631/jzus.A2400567 Downloaded: 1773 Clicked: 1218 Cited: 0 Commented: 0(p.128-141) <Full Text> <PPT > 23

Chinese summary <2> 适用于滑翔机高效自主翱翔的感知线索研究

作者：郑思园¹，赵嘉墀¹，曾丽芳¹，王洲翃¹，黎军^1,2
机构：¹浙江大学，航空航天学院，中国杭州，310027；²浣江实验室，中国绍兴，311800
目的：本研究针对无动力滑翔机利用大气热气流进行自主翱翔这一课题，基于深度强化学习方法，通过对比分析不同感知线索及其组合策略，旨在确定能够最大化能量获取效率且兼具低感知依赖的最佳感知方案，从而提升滑翔机的长航时飞行能力。
创新点：1.建立了感知线索效能的系统化评估框架：针对强化学习自主翱翔中状态空间设计往往依赖经验试错、缺乏量化依据的问题，通过缺失分析、单一变量测试及多线索组合分析，系统性地揭示了12种感知线索对翱翔效能的独立贡献与协同耦合机制。2.提出了兼具低感知依赖与高效率的极简策略：突破了传统方法对多维复杂信息的依赖，发现并验证了仅利用左右翼尖垂直气流速度差（τ）与垂直气流速度（V_w）的双变量组合，即可实现高效自主翱翔，在保证飞行性能的同时显著降低了系统对传感器的感知依赖。
方法：本研究基于双延迟深度确定性策略梯度（TD3）强化学习算法，构建无动力滑翔机自主翱翔仿真框架。该框架由三个核心模型组成：上升气流环境模型、滑翔机动力学与控制模型以及强化学习智能体。在此平台上，选取包括垂直气流速度梯度（a_w）、τ及V_w在内的12种潜在感知线索。研究过程主要包括：1.敏感性分析：通过缺失特定线索及仅使用单一线索的测试，筛选出对翱翔效能最具影响力的核心变量（图8和10）；2.组合策略评估：以核心变量为基础，构建并评估将a_w或τ与其他线索结合的7种潜在组合策略在能量获取上的表现；3.轨迹特征对比：针对表现优异的组合策略（τ+a_w与τ+V_w），进一步对比分析其在不同初始位置下的飞行轨迹特征（特别是盘旋的向心性与偏心度），验证策略对气流中心的定位与跟踪能力（图17）。
结论：1.关键单一线索：a_w和τ是两个最核心的感知线索；相较于其他线索，它们能独立引导滑翔机实现自主翱翔，具有显著优势。2.最优组合策略：在所有测试的线索组合中，τ+V_w组合效果最好，可使滑翔机的自主翱翔效率达到最优。3.效能验证：轨迹分析表明，相比τ+a_w组合导致的偏心轨迹，τ+V_w组合能够引导滑翔机更紧密地围绕气流中心盘旋，从而采集更多能量，验证了该低感知依赖策略在长距离飞行中的高效性。

关键词组：自主翱翔；滑翔机；强化学习；双延迟深度确定性策略梯度（TD3）；感知线索

Numerical investigation of the flow pattern around a vertical cylinder under wave action

Ben HE, Junkang WENG, Yuan LIN, Yifan GAO, Maoxing WEI, Fang HE

DOI: 10.1631/jzus.A2500436 Downloaded: 1784 Clicked: 555 Cited: 0 Commented: 0(p.142-154) <Full Text> <PPT > 27

Chinese summary <1> 波浪作用下垂直圆柱周围流场数值研究

作者：何奔¹，翁俊康²，林源²，高祎凡¹，魏茂兴²，何方²
机构：¹中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，中国杭州，311100；²浙江大学，海洋学院，中国舟山，316021
目的：海洋工程中垂直圆柱体结构（如桥墩、海上风电基础等）在波浪作用下，其周围流场涡旋演化易引发床面冲刷，导致结构失稳。本文旨在通过数值模拟手段，系统研究垂直圆柱在波浪作用下的流场演化、涡结构发展及其对床面剪切应力和潜在冲刷的影响，为海洋圆柱结构的设计优化与稳定性提升提供理论支撑。
创新点：1.通过数值模拟解析圆柱周围三维涡旋相干结构，系统揭示了不同基奥根-卡彭特数下马蹄涡的演化规律；2.揭示涡结构演化与床面剪切应力之间的机制联系，提出了涡结构对潜在冲刷的关键控制作用；3.首次提出涡结构相位演化与床面剪切应力峰值之间的时空对应关系，为理解短期泥沙起动提供了新视角。
方法：1.构建三维数值波浪水槽，针对不同KC数进行多工况模拟；2.通过Q准则识别涡结构，分析马蹄涡与尾涡的生成、演化与相互作用；3.计算床面剪切应力分布，结合涡结构演化分析其对泥沙起动与潜在冲刷的影响。
结论：1.KC数对马蹄涡特性影响显著，低KC数下马蹄涡结构稳定单一，随着KC数的增加，开始出现多涡共存现象，流场结构变得更加复杂多变；2.上游马蹄涡活跃期对应床面切应力正峰值，可能加剧局部冲刷；而下游尾涡发展期则引发床面切应力负峰值，导致泥沙再分布；3.床面剪应力的分布与马蹄涡和尾迹涡的活动密切相关，随着KC数的增加，圆柱体附近整体床面剪应力显著增强，且峰值区域与涡结构紧贴床面的位置高度一致。

关键词组：马蹄涡；压力分布；KC数；涡旋强度；床面切应力

Axial compression performance and confinement mechanism of concrete-filled corrugated steel tubular columns

Jiaming ZHANG, Chaoqun YU, Genshu TONG, Jingzhong TONG

DOI: 10.1631/jzus.A2500090 Downloaded: 1927 Clicked: 1275 Cited: 0 Commented: 0(p.155-168) <Full Text> <PPT > 31

Chinese summary <2> 波形钢板-混凝土组合柱轴压性能与约束机理研究

作者：张家铭，俞超群，童根树，童精中
机构：浙江大学，高性能结构研究所，中国杭州，310058
目的：波形钢板-混凝土组合柱是一种兼具高承载效率与经济性的创新型组合构件。本文旨在揭示其在轴压作用下波形钢板与混凝土之间的协同工作机理，探讨关键设计参数对轴压承载性能及约束机理的影响，并提出简便可靠的设计公式。
创新点：1.通过弹性理论，给出组合柱截面任意位置的位移、侧向应力以及弯矩的解析解；2.提出轴压承载力设计公式，并给出有关截面尺寸及材料强度的设计建议。
方法：1.通过弹性理论，建立波形钢板-混凝土组合柱在轴压下的力学分析模型及相应的微分方程（公式(1)和(2)）并给出相应的解析解；2.通过参数分析，研究关键设计参数与位移、侧向应力以及弯矩分布之间的关系；3.引入割线模量且考虑塑性效应，提出轴压承载力计算公式（公式(33)），并结合已有试验结果验证所提公式的可行性和有效性（表1）。
结论：1.波形钢板-混凝土组合柱在轴压荷载下表现出显著的约束效应；2.增大波形钢板的抗弯刚度可显著提升其对混凝土的约束能力，其所承受最大负弯矩约为最大正弯矩的4.812倍；3.提出的轴压承载力计算公式与试验结果高度吻合，偏差小于±5%，适用于工程设计。

关键词组：波形钢板；组合柱；约束机理；轴压承载性能；理论分析

Mitigating pre-focal heating using a spherical Fibonacci lattice high-intensity focused ultrasound array and a near-field focusing strategy

Xiongfei QU, Nan WU, Yazhu CHEN, Guofeng SHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2400192 Downloaded: 2536 Clicked: 1615 Cited: 0 Commented: 0(p.169-182) <Full Text> <PPT > 14

Chinese summary <2> 使用球面斐波那契网格排布的聚焦超声阵列结合近场聚焦策略减轻焦域前场过热风险

作者：屈雄飞¹，吴楠²，陈亚珠¹，沈国峰¹
机构：¹上海交通大学，生物医学工程学院，中国上海，200030；²上海沈德无创时代医疗科技有限公司，中国上海，200233
目的：聚焦超声在临床治疗过程中可能会对声路径上的健康组织造成非预期加热风险。本文旨在讨论相控阵列排布设计对声场分布的影响，研究球面聚焦超声阵列排布的设计方法以及聚焦加热策略，以提高聚焦超声的治疗安全性。
创新点：1.提出基于斐波那契网格点的球面相控聚焦超声换能器阵列的设计方法；2.提出一种用于相控聚焦超声治疗的"近场聚焦"加热策略，以抑制焦点前场过热风险。
方法：1.通过分析已有的换能器设计思路，总结出相控聚焦超声换能器的设计准则，即让阵元在球面上分布尽量均匀的前提下避免任何形式的对称性，进而得到球面斐波那契网格排布设计方法（图1和2a）；2.通过对具有相同几何参数的斐波那契网格排布设计以及随机排布换能器进行声场仿真，评估基于球面斐波那契网格排布换能器的声学性能（图7~9）；3.使用球面斐波那契网格排布换能器并结合"近场聚焦"加热策略，进行体膜加热实验，验证其对焦点前场温升的抑制效果（图11）。
结论：1.使用球面斐波那契网格排布可以使阵元分布尽量均匀且无对称性；2.使用这种方法设计的相控聚焦超声换能器具有较好的偏焦点栅瓣抑制能力；3.使用这种方法设计的相控聚焦超声换能器结合"近场聚焦"策略，可以有效抑制聚焦超声治疗过程中声路径上的过热风险。

关键词组：高强度聚焦超声；阵元排布；焦点偏转；球面斐波那契网格