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), 3.4 (2023), 3.9 (2024).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

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

2025 Vol.26 No.8 P.707-810

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Research Article

High-performance milling of Ti-6Al-4V through rotary ultrasonic elliptical milling with anticlockwise elliptical vibration

Lianxing LIU, Xinggang JIANG, Enze YING, Zhefei SUN, Daxi GENG, Deyuan ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2500007 Downloaded: 745 Clicked: 658 Cited: 0 Commented: 0(p.707-722) <Full Text> <PPT > 101

Chinese summary <11> 基于逆时针椭圆振动的钛合金旋转超声椭圆铣削高性能加工方法

作者：刘连星^1,2，姜兴刚^1,2，应恩泽^1,2，孙哲飞^1,2，耿大喜^1,2，张德远^1,2
机构：¹北京航空航天大学，机械工程及自动化学院，中国北京，100191；²北京航空航天大学，仿生与微纳系统研究所，中国北京，100191
目的：针对顺时针旋转超声椭圆加工（CRUEM）中表面粗糙度较高的问题，本文提出一种逆时针椭圆振动方向的旋转超声椭圆加工（ARUEM）方法，旨在探究ARUEM的表面形成与亚表层强化机理，以提升钛合金（Ti-6Al-4V）铣削的表面质量和加工性能。
创新点：1.提出逆时针椭圆振动方向的新型旋转超声椭圆加工方法（ARUEM），揭示其表面形成机制；2.通过运动学分析与实验验证，阐明振动方向对表面粗糙度、残余应力和微观硬度的调控作用。
方法：1.建立ARUEM与CRUEM的刀具运动轨迹模型，推导切削速度与加速度的周期性变化规律（图S1和S2）；2.结合仿真与实验，分析表面形貌、残余应力、塑性变形层及微观硬度（图10~15）；3.通过对比不同振动幅值与切削速度下的加工效果，验证ARUEM的优化潜力。
结论：1.相较于CRUEM，ARUEM通过修正刀具轨迹降低表面残余高度，使表面粗糙度最大可降低50%；2. ARUEM显著提升表面完整性，使塑性变形层厚度、残余压应力和表面显微硬度分别提高122.6%、53.4%和19.3%；3. ARUEM在保留CRUEM间歇切削优势的同时，为对表面粗糙度要求严格的难加工材料强化场景提供了有效的新手段。

关键词组：超声椭圆振动切削；振动方向；旋转超声椭圆加工；表面形成机制；表面完整性；高速铣削

An energy-saving design method for additively manufactured integrated valve-controlled cylinders

Yang TANG, Dengting LI, Honghao LIU, Chao ZHANG, Wujun WANG, Jie CAI, Huayong YANG, Yi ZHU

DOI: 10.1631/jzus.A2400396 Downloaded: 1348 Clicked: 942 Cited: 0 Commented: 0(p.723-737) <Full Text> <PPT > 99

Chinese summary <8> 一体化阀控缸节能设计与增材制造

作者：唐洋¹，李登铤¹，刘宏毫¹，张超¹，Wujun WANG²，蔡杰³，杨华勇¹，祝毅^1,4
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瑞典皇家理工学院能源技术系，瑞典斯德哥尔摩，10044；³中国铁建重工集团股份有限公司，中国长沙，410023；⁴浙江大学宁波国际科创中心，中国宁波，315100
目的：目前对增材制造成形的阀控缸设计方法研究都停留在根据既有经验设计元件结构的层面，均未从科学层面提出增材设计准则及流程。本文旨在提出一种基于增材制造的一体化阀控缸轻量节能设计方法，通过对某传统加工成形的阀控缸进行基于增材制造的再设计、再制造，并对成形的一体化阀控缸进行性能验证，以实现轻量节能。
创新点：1.提出了管缸贴壁一体化设计准则，提出了增材制造成形方式下贴壁设计的最小设计间距；2.提出了一种低压损流道路径规划方法，并基于模拟退火算法和粒子群算法实现低压损流道路径规划。
方法：1.通过仿真和理论分析，推导出管缸贴壁一体化设计过程中管壁应力变化情况，比较不同直径比下流道承受的应力（图4），进而提出增材制造成形方式下贴壁设计的最小设计间距（公式（9））；2.通过仿真分析和插值计算，得出不同弯曲比、弯曲半径、流速下的流道压损模型（图6），基于此模型通过模拟退火算法和粒子群算法实现低压损流道路径规划（图11~13），并搭建试验台进行压损测试，验证所提方法的可行性和有效性（图17和18）。
结论：1.基于增材制造技术复现了原型液压原理，对阀控缸元件进行了重新设计，并去除了液压阀块以及连接接头；2.提出了管缸贴壁一体化设计准则，在避免应力集中的情况下缩短流道和缸筒距离，减少打印支撑；3.建立了不同工作流量、弯曲角度和弯曲比下拐弯流道的压损数据库，并基于此提出了以压损和拐弯数量为导向的阀控缸流道设计流程；4.相对于阀控缸原型，一体化阀控缸的重量减轻了31%，空间体积减小了55%，同时主功能流道的压力损失降低了30%以上；5.本研究提出了一套节能型阀控缸一体化设计流程，同时该设计方法适用于具有类似结构和类似连接方式的阀控缸、液压阀块等元件的增材制造设计。

关键词组：阀控缸；增材制造；流道路径设计；节能；一体化

Thermal-induced upwarp buckling analysis of CRTS II slab ballastless tracks experiencing joint damage

Chang XU, Tianci XU, Weixing LIU, Zhixuan WANG, Pingrui ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2400357 Downloaded: 1218 Clicked: 1082 Cited: 0 Commented: 0(p.738-754) <Full Text> <PPT > 103

Chinese summary <9> 接缝损伤状态下的CRTS II型板式无砟轨道热致上拱屈曲分析

作者：徐畅^1,2，徐天赐^1,2，刘卫星^1,2，王志璇^1,2，赵坪锐^1,2
机构：¹西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031；²西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031
目的：在持续高温条件下，CRTS II型轨道接缝部位极易损伤，导致轨道板存在上拱屈曲风险。本文旨在通过理论分析得到轨道板上拱屈曲平衡路径的解析公式，并探讨轨道板初始状态与结构参数（初拱幅值、初拱曲线型式、弹性模量、板厚和重力荷载等）对轨道板上拱屈曲响应的影响规律，为防治轨道板上拱提供参考。
创新点：1.开展模型试验，明确了轨道板上拱屈曲变形的特征；2.运用能量法原理，推导出轨道板上拱屈曲平衡路径的解析表达式。
方法：1.通过缩尺模型试验，得到轨道板在不同状态下的上拱屈曲变形曲线；2.通过理论推导，建立轨道板上拱幅值与温度荷载间的对应关系，验证理论方法的可行性和有效性；3.通过参数分析，量化表征轨道初始状态与结构参数对轨道板上拱屈曲的影响规律。
结论：1.轨道板在窄接缝损伤状态下的上拱变形曲线大致呈现两端下凹的倒"V"形状。2.轨道板上拱屈曲发展路径要经历稳定、上拱发展和后屈曲三个阶段；窄接缝缺损会导致上拱屈曲临界温升大幅下降。3.初拱幅值增大会导致轨道板上拱屈曲模式逐渐由"突跳屈曲"转变为"渐进屈曲"。4.轨道板上拱屈曲临界温升随初拱变形曲线边角约束的增强而减小。5.轨道板上拱屈曲临界温升与弹性模量、重力荷载以及板厚之间呈线性关系。

关键词组：CRTS II型板式轨道；接缝损伤；上拱屈曲；形变能；温度荷载

Continuous energy exchange between magnetic fields supporting memristive neuron firing

Zhao LEI, Qun GUO, Chunni WANG, Jun MA

DOI: 10.1631/jzus.A2500150 Downloaded: 628 Clicked: 407 Cited: 0 Commented: 0(p.755-770) <Full Text> <PPT > 92

Chinese summary <9> 持续的磁场能量交换维系忆阻神经元的放电

作者：雷召¹，郭群¹，王春妮²，马军^1,2
机构：¹兰州理工大学，自动化与电器工程学院，中国兰州，730050；²兰州理工大学，理学院，中国兰州，730050
目的：神经元电路的振荡源于其内部电场和磁场能量的持续交换。当电容器损坏或者缺失时，对神经元电路进行改造并产生连续的神经电信号非常关键。神经元电路通常包含电容器、电感线圈、电阻和非线性器件，且这些非线性电路的动力学分析必须在无量纲模型中进行。在对电路方程进行标度变化时需要引入时间标度和电压标度（时间标度一般包含电容参量），而当电容器缺失时，时间标度则无法直接定义。因此，定义新的时间标度就具有重要的科学意义。
创新点：1.在电容参量缺失时以电感参数和电阻参数的组合定义了新的时间基准和能量基准（标度变换的基准值）。2.神经元电路能量以磁场方式存储于磁控忆阻器和感应线圈支路，且持续的能量交换保障了神经元电路持续振荡。3.定义了场能量函数和对应的哈密顿能量函数，解释了放电模态对能量的依赖性，并进一步提出基于能量控制的自适应律来控制参数增长。
方法：1.采用单个磁控忆阻器并联两个电感线圈，并在线圈支路引入恒定电压源表示离子通道反转电位。2.计算神经元各个支路场能量，利用标度变换把神经元电路场能量函数转化为无量纲的形式，并进一步利用赫姆霍兹定理证明该能量函数。3.通过计算该忆阻神经元模型的变量序列进行分岔分析，进一步施加通道噪声诱发随机共振并利用哈密顿能量函数平均值来预测随机共振。4.基于能量流对神经元参数进行自适应调控，以实现对放电模态的控制。
结论：1.神经元电路的持续振荡源于各个支路器件持续的能量交换。2.电容器缺失时，基于磁控的元件如电感线圈和磁控忆阻器，在支路恒定电压源驱动下神经元电路依然能产生持续电信号。3.能量值决定着神经元的放电模态，且能量操控可以改变神经元的放电特征。4.没有时变电场的神经元电路和无电容性变量的忆阻神经元同样能有效展示神经元电活动的动力学特征。

关键词组：神经元电路；哈密顿能量；忆阻器；随机共振；自适应参数增长

Probabilistic analysis of settlement characteristics induced by shield tunnelling in sandy cobble soil considering spatial variability

Fan WANG, Pengfei LI, Xiuli DU, Jianjun MA, Lin WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2400427 Downloaded: 2150 Clicked: 1358 Cited: 0 Commented: 0(p.771-786) <Full Text> <PPT > 140

Chinese summary <9> 考虑空间变异性的砂卵石地层盾构隧道沉降特征概率分析

作者：王帆¹，李鹏飞²，杜修力²，马建军¹，王林¹
机构：¹河南科技大学，土木建筑学院，中国洛阳，471023；²北京工业大学，城市与工程安全减灾教育部重点实验室，中国北京，100124
目的：砂卵石地层具有显著的非均质性和随机性特点，因此在进行地层沉降研究时，有必要考虑土性参数的空间变异性。本文旨在探讨在不同含石量与不同隧道体积损失率情况下的砂卵石地层中，盾构隧道施工诱发的地表和地中沉降的概率统计特征。
创新点：1.考虑土性参数的空间变异性，对比分析了砂卵石地层中盾构隧道沉降特征的确定性分析结果与随机分析结果；2.讨论了随机场输入参数对地层沉降概率统计特征的影响。
方法：考虑内摩擦角和参考割线模量的空间变异性，基于非侵入式随机有限差分法和蒙特卡罗模拟策略，研究砂卵石地层中盾构隧道的地表最大沉降、地中沉降槽宽度、地中最大沉降和地中体积损失率的概率统计特征。
结论：1.地层含石量或隧道体积损失率越大，地层沉降随机分析结果的离散性越高；2.忽略土性参数空间变异性而仅采用参数均值进行确定性分析，有可能低估地层沉降；3.地层沉降随机分析结果的变异系数随着土性参数变异系数和波动范围的增大而增大，但随着内摩擦角与参考割线模量互相关系数的增大而减小。

关键词组：盾构隧道；砂卵石地层；沉降特征；空间变异性；概率分析

Dynamic response of the ground beneath a high-speed railway based on typical upper Shanghai clays involving water table change

Jing HU, Chengming YE, Juntao JIANG, Shujing WU, David THOMPSON, Xuecheng BIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2400345 Downloaded: 1457 Clicked: 1274 Cited: 0 Commented: 0(p.787-800) <Full Text> <PPT > 104

Chinese summary <10> 基于上海典型地层的水位抬升下高铁路基动力响应研究

作者：胡静¹，叶成名¹，江俊涛¹，吴淑婧¹，David THOMPSON²，边学成³
机构：¹福州大学，土木工程学院，中国福州，350108；²南安普顿大学，声学与振动研究所，英国南安普顿，SO17 1BJ；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：本研究旨在探讨地下水水位抬升对车辆-路基-地基系统动力响应的影响。研究主要聚焦于水位抬升如何改变路基和地基在列车荷载下的振动位移、有效应力和超静孔压，并分析水位抬升高度和列车运行速度对路基-地基动力响应及路基失稳风险的具体影响。
创新点：1.调研和收集了大量上海的地质信息和数据，建立了具有代表性的上海典型地层和水位抬升模型；2.建立了多层多相介质的2.5维有限元模型，并获得了不同地下水位条件下的动力响应。
方法：1.通过文献调研，建立上海典型地层；2.基于Biot理论建立多相介质动力问题的2.5维有限元求解方法，并通过改变单元参数，实现水位抬升的模拟；3.围绕列车速度和水位抬升高度进行数值模拟，揭示水位抬升对路基-地基动力响应的影响。
结论：1.水位抬升使得路基-地基的振动强度增大，且这种振动强度的放大作用并不是局限在水位变化的深度范围内，而是会导致整个路基和地基断面的振动增大，并且这种全断面式的振动放大效应随着列车速度的提高而增强。2.上海典型地层上建造的高速铁路，其临界速度大约为85 m/s；水位抬升虽然显著增加了位移响应，但对临界速度的影响很小。3.水位抬升使得路基和地基频域内的响应幅值增大，特别是当水位抬升至路基时，幅值增加最为显著。4.水位抬升不仅加剧了土体的变形，还会使饱和土体内出现超静孔压，使有效应力减小；这会导致土单元上的剪应力与有效应力比值增大，进一步造成显著的土体变形；当水位抬升至路基内部时，路基内部出现显著的超静孔压，导致有效应力大幅下降，使路基内土单元的应力路径向破坏线靠近，因此不利于路基的稳定。

关键词组：动力响应；超静孔压；水位抬升；高速铁路；2.5维有限元模型

A real-time adaptive signal control method for multi-intersections in mixed connected vehicle environments

Jianqi LI, Rongjun CHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2400488 Downloaded: 931 Clicked: 744 Cited: 0 Commented: 0(p.801-810) <Full Text> <PPT > 82

Chinese summary <8> 混合网联车辆环境下的多交叉实时自适应信号控制方法

作者：李建奇，程荣军
机构：宁波大学，海运学院，中国宁波，315211
目的：传统基于路侧交通传感器采集数据的信号配时参数优化方法不能及时地获取实时的交通流运行状况，而网联车辆收集的实时数据可用于优化交叉口的信号控制参数，从而提高交通运行效率。本研究设计了一种适用于低渗透率多交叉口主干道的实时自适应信号控制方法。通过利用部分网联车辆收集的车辆到达信息，以快速确定最优信号相位和时序（SPaT），优化干线上各交叉口信号配时参数以提升交通运行效率。
创新点：1.设计了适用于低网联车渗透水平条件下的干线自适应信号控制方法，有效利用部分网联车辆采集的实时交通流数据优化信号配时参数，减少干线上车辆行驶延误；2.所提出的自适应信号控制方法考虑了网联车辆的探测距离，并在SUMO仿真软件中进行了模拟实验验证其有效性。
方法：1.通过所设计的干线自适应信号控制策略的整体框架，建立完整的适用于部分网联车辆环境下的信号参数优化控制流程（图2）；2.通过建立的自适应信号控制优化模型，利用网联车辆采集到的实时交通流信息优化每个信号周期的信号配时方案（公式(1)~(5)）；3.通过微观交通仿真软件SUMO对所提出的干线自适应信号控制策略进行验证，并将所提信号控制策略的性能与传统方法进行比较（表2~4，图4）。
结论：1.利用网联车辆收集的实时交通流数据动态优化主干道上各交叉口的SPaT可以有效的减少干线上车辆的行驶延误；2.在智能网联环境下，只利用部分网联车辆采集的数据即可满足交叉口信号参数优化所需的数据量；3.网联车辆的探测距离比网联车辆的渗透率对所提策略控制性能的影响更大。

关键词组：自适应信号控制；网联车辆；行驶延误；干线交通控制