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

2024 Vol.25 No.7 P.525-604

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Research Articles

Effect of streamlined nose length on aerodynamic performance of high-speed train with a speed of 400 km/h

Nianxun LI, Tian LI, Zhiyuan DAI, Deng QIN, Jiye ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300301 Downloaded: 372 Clicked: 476 Cited: 0 Commented: 0(p.525-540) <Full Text> <PPT > 12

Chinese summary <4> 流线型车头长度对400 km/h高速列车气动性能的影响

作者：李念勋，李田，戴志远，秦登，张继业
机构：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
目的：通过对时速400 km/h、具有不同流线型车头长度的高速列车的空气动力性能进行数值模拟，分析其流线型长度对高速列车气动性能的影响，以期为高速列车的头型优化提供建议和参考。
创新点：1.考虑空气的可压缩性，研究列车以时速400 km/h运行时的气动性能；2.分析列车的气动力变化规律，得到适用于流线型长度在6.0m到18.0m之间的列车的气动力拟合公式。
方法：1.通过将仿真结果与已有的风洞试验数据进行对比，验证数值模拟的可行性与准确性；2.将采用可压缩气体和不可压缩气体进行数值模拟的结果进行对比，验证采用可压缩气体进行数值仿真的准确性；3对列车的气动力、边界层及周围流场进行分析，得到流线型长度对列车气动性能的影响规律。
结论：1.分别采用可压缩和不可压缩气体进行数值模拟，得到头车阻力相对误差为4.50%，验证了本研究中使用可压缩气体进行列车气动性能数值模拟的可行性和合理性。2.随着流线型长度的增大，头车和尾车的气动阻力都有所减小，且头车向下的力和尾车向上的升力均有所减小。3.当流线型长度从9.8 m减小到6.0m时，列车的气动阻力增加了10.8%，且头车和尾车的升力分别增加了35.7%和75.5%；相反，当流线型长度从9.8 m增加到18.0m时，列车的气动阻力下降了16.5%，且头车和尾车升力分别下降了21.9%和49.7%。4.流线型长度和气动力之间的关系可以使用拟合公式来表示。

关键词组：流线型车头长度；高速列车；空气动力学性能；数值模拟；流动结构

Large eddy simulation study of 3D wind field in a complex mountainous area under different boundary conditions

Yan LI, Lei YAN, Xuhui HE

DOI: 10.1631/jzus.A2300613 Downloaded: 197 Clicked: 250 Cited: 0 Commented: 0(p.541-556) <Full Text> <PPT > 17

Chinese summary <3> 不同边界条件下复杂山区三维风场的大涡模拟研究

作者：李妍¹，严磊^1，2，3，何旭辉^1，2，3
机构：¹中南大学，土木工程学院，中国长沙，410075；²高速铁路建造技术国家工程研究中心，中国长沙，410075；³轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室，中国长沙，410075
目的：探究利用大涡模拟研究山区桥址三维风场特征的适用性。研究计算域尺寸对模拟山区桥址风场特征的影响，并分析得出满足工程应用要求的最小计算域尺寸。研究大涡模拟中添加入口湍流的方法，并对比分析不同湍流入口条件对风场特征的影响。
创新点：1.设置了多种高度和长度的计算域进行计算和对比；2.研究了三种入口边界条件对风场特征的影响。
方法：1.使用大涡模拟计算与风洞试验设置完全一致的工况，验证大涡模拟的准确性；2.改变上述工况的计算域尺寸，并与之前的结果进行对比分析；3.分别使用谐波合成法和循环法生成入口边界的脉动风速序列，并将它们引入主计算域进行计算，对比分析两种湍流来流工况与均匀来流工况所得的桥址处风场特征。
结论：1.在山区风场的数值模拟中，计算域高度低于三倍模型高度时，顶部边界对风场影响很大；当计算域高度高于五倍模型高度时，顶部边界对风场影响微弱。2.计算域出口边界与桥址之间存在高山阻隔，故两者间距离对计算结果影响不大。3.入口边界的湍流特征对桥址处风剖面形状影响不大，但对桥址处湍流特征有明显影响；循环法产生的湍流入口边界能显著降低低空中的湍流强度。4.当地形坡度平缓时，入口湍流特征对后方风场影响较大，而当地形坡度陡峭时，入口湍流对后方风场影响较小。

关键词组：大涡模拟；谐波合成法；循环法；高山峡谷；风场特征；大气边界层；计算域

Influence of the penetration of adjacent X-section cast-in-place concrete (XCC) pile on the existing XCC pile in sand

Peng ZHOU, Jianhui XU, Changjie XU, Guangwei CAO, Jie CUI, Xuanming DING

DOI: 10.1631/jzus.A2300384 Downloaded: 278 Clicked: 391 Cited: 0 Commented: 498(p.557-572) <Full Text> <PPT > 13

Chinese summary <3> 砂土中相邻现浇X形混凝土（XCC）桩贯入对既有XCC桩的影响研究

作者：周鹏^1,2,3，徐建辉¹，徐长节¹，曹光伟⁴，崔杰²，丁选明³
机构：¹华东交通大学，土木建筑学院，轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，中国南昌，330013；²广州大学，工程抗震研究中心，广东省地震工程与应用技术重点实验室，中国广州，510006；³重庆大学，土木工程学院，中国重庆，400045；⁴福州大学，紫金地质与矿业学院，中国福州，350116
目的：在实际工程施工过程中，由于XCC桩属于挤土桩，其安装或沉桩过程将使桩周土体产生变形，而这种挤土荷载（尤其是侧向挤土位移）会对既有桩施加附加的桩身响应，从而导致桩基破坏。本文旨在探讨砂土中相邻XCC桩贯入对既有XCC桩的影响，研究贯入过程中不同土体相对密实度和既有桩截面几何形状的情形下既有桩侧向响应及桩周土体应力的发展规律。
创新点：1.探讨了相对密实度和截面几何形状对既有桩侧向响应的影响；2.揭示了贯入过程中既有桩桩周土体应力变化规律。
方法：1.基于沉桩加载模型试验系统，开展一系列砂土中相邻XCC桩贯入对既有XCC桩影响的1g模型试验；2.考虑土体相对密实度和既有桩截面几何效应的影响，获得砂土中相邻XCC桩贯入过程中既有XCC桩的侧向响应以及桩周土体应力变化的趋势。
结论：1.既有XCC桩侧向响应对相对密实度和截面几何效应的变化很敏感，主要表现为既有XCC桩的弯矩随着它们的增加而增大；2.既有XCC桩周围不同深度的土体径向应力随贯入深度的变化呈现出不同的发展趋势，而且由于既有桩的遮挡效应，土体的径向应力的变化不再表现出"h/R效应"；3.径向应力峰值σ’_{r_max}/σ’_v0随着径向距离r/R的增加而以指数函数的形式减小，松砂中σ’_{r_max}/σ’_v0随r/R的衰减指数要大于中密砂和密砂中的衰减指数。

关键词组：XCC桩；贯入；模型试验；侧向响应；径向应力

Time-synchronous-averaging-spectrum based on super-resolution analysis and application in bearing fault signal identification

Zengle REN, Yuan WANG, Huiyue TANG, Xin'an CHEN, Wei FENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300251 Downloaded: 252 Clicked: 439 Cited: 0 Commented: 0(p.573-585) <Full Text> <PPT > 16

Chinese summary <2> 基于超分辨率分析的同步平均频谱及其在轴承故障信号识别中的应用

作者：任增乐¹，王源²，汤辉玥³，陈欣安⁴，冯伟^1,5,6
机构：¹广东省建筑机器人与智能施工重点实验室，中国科学院深圳先进技术研究院，中国深圳，518055；²深圳市埃伯瑞科技有限公司，中国深圳，518038；³国家超级计算深圳中心，中国深圳，518055；⁴北京交通大学，轨道交通控制与安全国家重点实验室，中国北京，100044；⁵中国科学院大学，中国北京，100190；⁶深圳理工大学，中国深圳，518107
目的：本文旨在介绍一种基于超分辨率分析的时间同步平均（TSA）谱技术，用于提升准周期信号处理中的故障特征提取能力，尤其是在低信噪比的环境。
创新点：1.提出一种新颖的TSA谱分析方法；该方法基于超分辨率分析，无需借助基函数即可实现信号的周期分解，为准周期信号处理提供一种新的分析视角，可增强信号特征的解析度和敏感度。2.通过案例研究证明，改进的TSA谱能够有效识别轴承故障信号中的微弱周期性变化，揭示传统频域分析难以捕捉的交叉效应细节，为提高机械设备故障诊断的准确性和可靠性提供新的理论和技术支持。
方法：1.探讨时间同步平均法的数学原理，通过提出三个核心命题，深刻揭示TSA技术的基本性质；这些命题为理解TSA如何有效降噪并保持周期成分不失真提供理论支撑；通过理论推导，进一步阐明TSA如何从准周期信号中提取周期性成分而不改变原始波形结构。2.创新性地引入基于超分辨率分析的TSA频谱方法，可不依赖任何基函数直接对信号进行分解（图2和3）。3.为验证上述方法的有效性，选取具有代表性的西储大学轴承测试数据集进行应用实验；通过分析振动信号（图7和8），展示TSA如何在存在噪声的条件下，通过调节操作周期参数，显著提升信号提取能力。
结论：1.成功构建了一种基于超分辨率分析的TSA频谱方法，为分析准周期信号提供了一种新颖视角。2.通过数学推导和理论证明，确立了TSA的三个关键性质，揭示了其在保持周期信号结构完整性的同时，有效降噪并提取周期成分的能力；这一创新技术在实际应用中，特别是在旋转机械如轴承的故障诊断上，展示了卓越的性能，有效识别了不同类型的故障信号，包括滚珠与内外圈接触点的撞击信号。3.通过与DFT谱的对比，展现了TSA在处理信号的长周期（低频）成分时的独特优势：TSA谱作为周期域的表示，能更细致地揭示准周期信号中不同周期成分间的交叉效应，进而比DFT谱在呈现信号周期性细节上更为全面。这一发现强调了TSA在分析具有复杂周期结构信号时的补充作用，特别是在低信噪比环境中，其在保持信号周期性完整的同时，显著提升了信号特征的提取精度，进而为信号处理领域提供了新的研究方向和工具。

关键词组：时间同步平均；频谱；准周期信号处理；超分辨分析；轴承故障检测

Evolution mechanism and quantitative characterization of initial micro-cracks in marble under triaxial compression

Zhiliang WANG, Songyu LI, Jianguo WANG, Ao LI, Weixiang WANG, Chenchen FENG, Jingjing FU

DOI: 10.1631/jzus.A2300159 Downloaded: 525 Clicked: 881 Cited: 0 Commented: 0(p.586-595) <Full Text> <PPT > 15

Chinese summary <2> 大理岩三轴压缩初始微裂纹演化机理及定量表征

作者：王志亮¹，李松玉¹，王建国²，李傲¹，王伟祥¹，封陈晨¹，傅晶晶¹
机构：¹合肥工业大学，土木与水利工程学院，中国合肥，230009；²中国矿业大学，力学与土木工程学院，中国徐州，221116
目的：岩石宏观变形破坏演化特征受其内部初始微裂纹的影响，但在理论计算、数值模拟和力学实验中，这部分影响往往被忽略。本文旨在提出一个定量分析模型来研究初始微裂纹对岩石变形破坏演化过程的影响。
创新点：1.建立初始微裂纹占比定量分析的理论模型；2.揭示围压对大理岩模型参数演化的影响。
方法：1.通过理论推导，建立一种能进行岩石初始微裂纹占比定量分析的理论模型，并基于三轴压缩试样的应力分解改进该模型的表达式（公式(13)和(14)）；2.通过三轴压缩试验，确定岩石初始裂隙精确分析的拟合区间，并分析围压对大理岩试样模型参数演化的影响（图5~7）；3.结合微CT扫描技术，对受载岩样的裂隙演化特征进行讨论与分析（图10和11）。
结论：1.所建立的岩石初始微裂纹占比定量分析模型参数物理意义明确、确定方便；2.随着围压的增加，试样孔隙度和泊松比均以指数函数的形式递减，基质部分弹性模量先增大后趋于稳定，而微裂纹弹性模量呈指数增长；3.试样破坏是试样内部微裂纹扩展的结果，且宏观破坏角随着围压的增大而线性减小。

关键词组：大理岩；初始微裂纹；三轴压缩；本构关系；裂纹演化

Correspondence

Correspondence: Novel soft robotic finger model driven by electrohydrodynamic (EHD) pump

Xuehang BAI, Yanhong PENG, Dongze LI, Zhuochao LIU, Zebing MAO

DOI: 10.1631/jzus.A2300479 Downloaded: 258 Clicked: 473 Cited: 0 Commented: 0(p.596-604) <Full Text> <PPT > 15

Chinese summary <1> 电流体泵驱动的新型软机器人手指模型

作者：白雪航¹，彭彦鸿²，李东泽³，刘卓超⁴，毛泽兵⁵
机构：¹温莎大学，工程系，加拿大温莎，N9B 3P4；²名古屋大学，工程学院，日本名古屋，464-8601；³青岛大学，计算机科学与技术学院，中国青岛，266071；⁴北京科技大学设计研究院有限公司，中国北京，100083；⁵山口大学，工学部，日本山口，755-8611
目的：在机器人与人类交互领域，软机器人提供了增强的安全性和适应性。该领域的一个主要挑战是将软执行器与泵系统集成。本研究旨在通过电场感应的介电流体流动，使机器人手指结合嵌入纯软电流体动力学（EHD）泵的柔性橡胶板，从而引起机器人手指的受控弯曲运动；并推导全面的数学模型，以准确描述手指机器人的机械表现。
创新点：1.赋予EHD泵驱动机器手指更加便捷的结构，并进行测试；2.提出了一个全面的数学模型来弥合EHD泵系统和手指动力学之间的差距，使该模型能准确描述从EHD驱动机构到机器人机械动作的整个系统。
方法：1.介绍手指机器人的结构（图1）；2.详细阐述加工过程；3.通过数学建模，提出一个全面的数学模型来弥合EHD泵系统和手指动力学之间的误差，以准确描述从EHD驱动机构到机器人机械动作的整个系统（图2）；4.通过实验验证理论模型的有效性（图5）。
结论：1.本研究的模型将EHD泵的电气特性（电压输入）与机器人机构的几何约束（偏转角）联系起来，使该模型的有效性得到验证；2.机器手指关节在10 kV下实现的最大弯曲角度为37°，证明了所提出的设计和方法的有效性。

关键词组：理论建模；机器人手指；EHD驱动