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), 1.490 (2019), 2.263 (2020), 2.485 (2021), 3.2 (2022).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

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

2025 Vol.26 No.5 P.393-498

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Research Article

Grid-growth method for the reconstruction of 3D rock joints with arbitrary joint roughness and persistence

Hanyu CHEN, Peng GUO, Guangyao LI, Lifeng FAN

DOI: 10.1631/jzus.A2400407 Downloaded: 582 Clicked: 548 Cited: 0 Commented: 0(p.393-406) <Full Text> <PPT > 15

Chinese summary <8> 重构任意节理粗糙度和贯通度三维岩石节理的网格生长方法

作者：陈含宇，郭鹏，李光耀，范立峰
机构：北京工业大学，建筑与土木工程学院，中国北京，100124
目的：岩石节理面的形貌对节理岩体的力学特性具有重要的影响。本文旨在提出一种重构真实三维岩石节理形貌的方法，实现快速重构任意节理粗糙度和贯通度下的三维岩石节理，为节理岩体力学特性分析提供更为精确的模型。
创新点：1.提出一种三维岩石节理重构的网格生长法；2.同时考虑三维岩石节理的节理粗糙度和贯通度；3.基于该方法成功重构人工劈裂节理。
方法：1.将节理模型划分为均匀的网格，通过调整网格位置，重构具有任意节理粗糙度和贯通度的岩石节理模型（图1~3）；2.建立不同节理粗糙度和贯通度的岩石节理模型，研究相关参数（如凸体的数量、高度和坡度，以及岩桥的数量和面积）对节理粗糙度系数（JRC）和贯通度的影响（图4~8）；3.重构人工劈裂节理，通过对比重构模型的JRC与人工劈裂节理的JRC，验证所提方法的准确性和有效性（图9~11）。
结论：1.本方法可以通过调节凸体的数量、高度和坡度来有效控制模型的节理粗糙度；2.本方法可以通过调节岩桥的数量和面积来有效控制模型的节理贯通度；3.基于本方法重构的节理模型与人工劈裂节理模型在节理粗糙度上吻合良好，本方法在三维岩石节理重构方面具有较高的准确性。

关键词组：三维岩石节理重构；节理粗糙度；节理贯通度；凸体；岩桥

Numerical investigation of the transient process of a cover-plate pre-swirl system

Yifu LUO, Qiang DU, Zengyan LIAN, Guang LIU, Lei XIE, Qingzong XU

DOI: 10.1631/jzus.A2400134 Downloaded: 919 Clicked: 985 Cited: 0 Commented: 0(p.407-423) <Full Text> <PPT > 28

Chinese summary <7> 过渡态下盖板式预旋系统的数值模拟研究

作者：罗一夫^1,2,3，杜强^1,2,3,4,5,6，廉曾妍^1,2,3，柳光^1,2,3，谢垒^1,2,3，徐庆宗⁴
机构：¹中国科学院工程热物理研究所，中国北京，100190；²中国科学院轻型涡轮动力全国重点实验室，中国北京，100190；³中国科学院大学，航空宇航学院，中国北京，100048；⁴青岛航空技术研究院，中国青岛，266400；⁵中国科学院先进燃气轮机实验室，中国北京，100190；⁶中国科学院先进能源动力重点实验室，中国北京，100190
目的：本文旨在探究过渡态下盖板式预旋系统内的流动换热规律和系统参数的响应特性，为过渡态下航空发动机预旋系统的设计提供参考。
创新点：1.针对盖板式预旋系统，建立了三维全瞬态数值模拟方法，成功模拟了过渡态下预旋系统的工作情况；2.对比分析了不同上游来流边界条件的影响，获得了过渡态下盖板式预旋系统内的参数响应特性。
方法：1.通过三维全瞬态数值模拟方法，模拟过渡过程中盖板式预旋系统内的流动情况；2.结合理论分析，探究过渡过程中预旋系统的流动换热机理。
结论：1.由于预旋系统入口和出口的波动，系统内的滞留流量经历振荡后才稳定到一个恒定值。2.在不同的进气函数条件下，系统内参数响应曲线的增长率有所不同；这表明在准稳态计算中，考虑非线性增长的影响至关重要。3.由于宏观质量输运波动引起的可压缩效应，预旋系统的实际温降表现出明显的超调现象。4.对于不同的进气压力脉动频率，低频脉动下预旋系统实际温降的最大偏差更大，这对涡轮叶片的供气品质有潜在影响。

关键词组：上游影响；非稳态流动；瞬态响应；盖板腔；预旋系统

Road pavement performance prediction using a time series long short-term memory (LSTM) model

Chuanchuan HOU, Huan WANG, Wei GUAN, Jun CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2300643 Downloaded: 554 Clicked: 826 Cited: 0 Commented: 0(p.424-437) <Full Text> <PPT > 24

Chinese summary <4> 基于时序长短期记忆模型的道路路面性能预测

作者：侯川川¹，王欢¹，关伟²，陈军¹
机构：¹北京航空航天大学，交通科学与工程学院，中国北京，100191；²交通运输部公路科学研究院，中国北京，100088
目的：提出一种道路路面性能指标（国际平整度指数和车辙深度）的准确预测方法，并提出一个道路路面使用性能的综合评价指标，以实现对路面综合性能的有效预测。
创新点：1.采用两条典型足尺道路的数据发展了一个高准确率的基于时序长短期记忆模型的道路路面性能预测模型；2.采用对路面技术参数数据进行小波降噪处理，验证了所提模型的鲁棒性。
方法：1.采用温度、降水量、交通量、沥青面层厚度、路龄、维修状况和初始路面技术参数作为影响变量分别建立自回归移动平均模型（ARIMAX）时间序列模型和长短期记忆（LSTM）神经网络模型，对路面各项技术参数进行预测，对收集的路面技术参数数据进行小波降噪处理后再次建立模型对其进行预测，并以此分析异常数据对不同模型精度的影响；2.综合设计规范法、熵权法和模糊评价法的优点对沥青路面的使用性能进行综合评价，选择评价最严格的结果作为最终评价结果，然后将最终评价结果作为输出变量，将平整度、车辙深度和横向力系数三种路面技术参数作为输入变量，并基于反向传播神经网络分类模型建立路面使用性能综合评价模型；3.基于路面使用性能综合评价模型和路面各项技术参数的预测结果得出路面使用性能综合指标的预测状态。
结论：1.相对于ARIMAX时间序列模型，LSTM模型在路面各项技术参数的预测方面表现明显更好，并且对原始数据中的噪声信号具有更强的容忍度和鲁棒性；2.所提出的路面使用性能综合指标预测方法的准确率较高，且整体预测精度可达93.8%。

关键词组：沥青路面性能模型；国际平整度指数；车辙深度；长短期记忆模型；路面管理系统

Aerodynamics and countermeasures of train-tail swaying inside single-line tunnels

Yadong SONG, Yanpeng ZOU, Yuan YAO, Ting QIN, Longjiang SHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2400039 Downloaded: 1526 Clicked: 1282 Cited: 0 Commented: 0(p.438-455) <Full Text> <PPT > 27

Chinese summary <5> 单线隧道内列尾晃车的空气动力学及对策研究

作者：宋亚东¹，邹延鹏²，姚远^1,3，秦汀¹，沈龙江³
机构：¹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；²中国中车长客股份有限公司基础服务部，中国长春，130062；³中国中车株洲电力机车有限公司重载、高速大功率电力机车国家重点实验室，中国株洲，412000
目的：近年来，正在运营的160 km/h动力集中动车组在单线隧道内的列尾晃车问题突出，亟待解决。本文旨在通过仿真与试验分析，研究列尾晃车的机理及气动特征，并提出有效的解决措施。
创新点：1.建立尾车流固耦合振动的仿真模型，复现单线隧道内列尾的气动晃车现象，并对其气动特征展开了研究；2.通过现场试验和比例模型的风洞实验，验证列尾晃车的涡激共振机理。
方法：1.通过现场试验，测得该实际运营的动车组通过单线隧道时列尾的晃车频率；2.通过尾车流固耦合振动的仿真分析，阐明列尾的气动晃车机理及影响因素，并提出缓解措施；3.通过列车比例模型的风洞实验与仿真分析，再次验证列尾涡激共振的晃车机理。
结论：1.列尾脱涡力频率与尾鼻外型及列车运行速度有关，且随着列车速度的增加而线性增大。2.对于该动力集中动车组，在130 km/h速度下运行时，列尾的气动脱涡力频率为1.7 Hz；随着列尾晃车幅值的增加，脱涡力频率变为1.3 Hz附近的车体蛇行频率，这表明出现了涡激振动的锁频特性；涡激共振导致了列尾的剧烈晃车现象。3.对于列尾动力车，通过改进抗蛇行减振器或优化尾鼻外型，两种措施均可有效改善列尾在单线隧道内的气动晃车问题。

关键词组：列尾晃车；涡激振动；列车尾流；列车空气动力学；车辆系统动力学

Load-measurement method for floating offshore wind turbines based on a long short-term memory (LSTM) neural network

Yonggang LIN, Xiangheng FENG, Hongwei LIU, Yong SUN

DOI: 10.1631/jzus.A2400097 Downloaded: 956 Clicked: 1201 Cited: 0 Commented: 0(p.456-470) <Full Text> <PPT > 32

Chinese summary <4> 基于长短周期记忆神经网络的浮式风电机组载荷测量方法

作者：林勇刚¹，冯香恒^1,2,3，刘宏伟¹，孙勇^2,3
机构：¹浙江大学，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，中国杭州，310058；²运达能源科技集团有限责任公司，中国杭州，310012；³浙江省风力发电技术重点实验室，中国杭州，310012
目的：浮式风电机组在实海况环境下的载荷数据对于结构降成本优化设计至关重要，但难以直接通过测量获取。本文旨在采用机器学习方法建立载荷黑箱模型，通过测量平台运动状态、波浪状态和系泊张力，实现对平台水动载荷、机组气动载荷的计算。
创新点：1.基于计算流体力学（CFD）仿真数据，训练了一套以波高序列、平台运动为输入，平台水动载荷为输出的长短周期记忆神经网络模型；2.建立浮式风电机组缩比模型，完成机组载荷测量实验。
方法：1.通过理论分析，推导出机组气动载荷和平台水动载荷之间的关系，得到机组载荷测量方案（图1）；2.通过CFD仿真模拟，分析平台水动载荷影响因素，并获取大量样本数据（图7）；3.通过模型实验，运用传感器对波高序列、平台运动和塔顶气动载荷进行测量，验证所提方法的可行性和有效性（图14）。
结论：1.最佳神经网络模型参数是两层网络单元，且每层128个神经元；2.模型实验测量中，水动载荷测量的均方根误差是4.20%，而机组气动载荷测量的均方根误差是10.68%。

关键词组：浮式风电机组；长短期记忆神经网络；机器学习技术；载荷测量；缩比模型实验

Experimental investigation on the stability of shield tunnel excavation face in upper loose and lower dense water-rich strata

Pengfei LI, Chuang WANG, Xiaopu CUI, Qing XU, Zhaoguo GE, Shaohua LI

DOI: 10.1631/jzus.A2400309 Downloaded: 888 Clicked: 1111 Cited: 0 Commented: 0(p.471-491) <Full Text> <PPT > 36

Chinese summary <4> 上松下密富水砂卵石地层盾构隧道开挖面的稳定模型试验

作者：李鹏飞¹，王闯¹，崔小普¹，徐晴¹，葛照国²，李少华³
机构：¹北京工业大学，城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，中国北京，100124；²中铁十四局集团大盾构工程有限公司，中国南京，211800；³中铁十五局集团有限公司，中国上海，200070
目的：确保水下盾构隧道施工安全的关键环节在于维持开挖面的稳定性，然而目前研究大多针对均质地层，很少有针对上部松散下部密实地层的开挖面稳定性研究。本文旨在探讨开挖面的水压比对隧道开挖面稳定性的影响，并针对上松下密富水砂卵石地层进行不同水压比条件下开挖面主动失稳的模型试验研究。
创新点：1.针对上松下密富水砂卵石地层进行了模型试验；2.结合数字图像相关技术，系统地分析了隧道开挖面的渐进失稳过程。
方法：1.通过模型试验，开展不同水压比条件下的开挖面主动失稳试验研究，并研究地表沉降、水压力、刀盘上的土压力和地层中的土压力随挡板后移距离的变化规律；2.通过数值模拟，建立与模型试验等大的数值模型，验证模型试验结果的准确性。
结论：1.在不同的水压比条件下，随着挡板后移距离的增加，地表沉降的峰值位移会经历三个阶段，即无沉降阶段、缓慢沉降阶段和快速沉降阶段；2.水压比的减小，会导致刀盘上土压力的变化更加迅速，并提前引起土体的整体失稳和位移；3.水压比的减小，会导致水的渗流路径范围和地层的失稳范围增大。

关键词组：盾构隧道；上松下密地层；开挖面稳定性；水压比

Correspondence

Correspondence: COM trajectory planning and disturbance-resistant control of a bipedal robot based on CP-ZMP-COM dynamics

Chunbiao GAN, Zijing LI, Yimin GE, Mengyue LU

DOI: 10.1631/jzus.A2400062 Downloaded: 749 Clicked: 1166 Cited: 0 Commented: 0(p.492-498) <Full Text> <PPT > 28

Chinese summary <4> 基于CP-ZMP-COM动力学的双足机器人质心轨迹规划及抗扰动控制

作者：甘春标^1,2，李子静^1,2，葛一敏^1,2，卢梦月^1,2
机构：¹浙江大学机械工程学院，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058;²浙江大学机械工程学院，浙江省先进制造技术重点实验室，中国杭州，310058
目的：通过对成人行走过程中矢状面与冠状面内质心轨迹的分析，本文探索双足机器人自由、灵活行走的步态规划方法，并实现对其受意外外力干扰下的稳定行走。
方法：在基于线性倒立摆模型的双足机器人运动控制中，质心、零力矩点和捕获点是实现双足机器人稳定行走的重要因素。1.通过对矢状面与冠状面内质心运动轨迹的分析，建立双足机器人CP-ZMP-COM动力学模型，由此计算期望的双足机器人质心、零力矩点和捕获点，进而提出一种改进的双足机器人质心轨迹规划方法；2.提出双足机器人在矢状面与冠状面内运动协调的抗扰动反馈补偿控制方法，对双足机器人质心和捕获点位置进行反馈补偿，使双足机器人质心和捕获点轨迹能够在后续支撑切换时逼近理想状态；3.通过小型双足机器人样机及其仿真模型，对改进的双足机器人质心轨迹规划方法及抗扰动反馈补偿控制方法进行行走仿真与实验验证。
结论：1.改进的双足机器人质心轨迹规划方法可用于实现小型双足机器人横行、斜行及原地转圈等灵活行走；2.基于所提出的抗扰动反馈补偿控制方法，小型双足机器人受随机脉冲外力下横行、斜行及原地转圈时仍能保持稳定而不摔倒。

关键词组：双足机器人；CP-ZMP-COM动力学；质心轨迹规划；反馈补偿控制