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

2016 Vol.17 No.6 P.417-496

<<< CONTENTS >>>

Articles

Rate dependence of ultra high toughness cementitious composite under direct tension

He-dong Li, Shi-lang Xu

DOI: 10.1631/jzus.A1600031 Downloaded: 2457 Clicked: 4323 Cited: 1 Commented: 0(p.417-426) <Full Text> <PPT> 1902

Chinese summary <55> 超高韧性水泥基复合材料直接拉伸特性应变率效应研究

目的：水泥基材料的拉伸性能会随着荷载速率的变化而变化。本文旨在探讨加载速率为4×10^-6~ 1×10^-1 s^-1时，超高韧性水泥基复合材料直接拉伸初裂抗拉强度、初裂抗拉应变、弹性模量、极限抗拉应变、极限抗拉强度、多缝开裂特性和耗能能力的变化规律，为超高韧性水泥基复合材料在抗震工程中的应用提供必要的科学依据和参考。
创新点：1. 通过直接拉伸试验较为全面地测定超高韧性水泥基复合材料在4×10^-6~1×10^-1 s^-1应变速率范围内的直接拉伸性能；2. 建立适宜的拟合方程，可直观反映多种直接拉伸性能指标随应变率的变化规律。
方法：1. 通过直接拉伸试验，确定加载速率对超高韧性直接拉伸特性的影响（图2和4）；2. 通过对实验结果的拟合，简单直观地反映应变率对拉伸弹性模量、初裂抗拉强度和极限抗拉强度的影响规律（图3、5和7）。
结论：基于超高韧性水泥基复合材料薄板直接拉伸试验，当应变速率在4×10^-6~1×10^-1 s^-1的范围内变化时：1. 材料的初裂抗拉强度、初裂抗拉应变、拉伸弹性模量、极限抗拉强度和耗能能力都具有应变速率敏感性，其中除初裂抗拉应变随应变率升高而减小外，其它几项性能指标都显示出明显的动态强化效应；2. 多缝开裂模式和极限抗拉应变对应变率不敏感，极限裂缝宽度始终在100 μm以内，极限抗拉应变保持在3.7%左右；3. 应变率对初裂抗拉强度、拉伸弹性模量、极限抗拉强度和耗能能力的动态增强效应都存在一个阈值（皆在1×10^-3 s^-1附近），在应变率达到阈值之后，动态效应才更加显著；4. 超高韧性水泥基复合材料具有明显优于混凝土的耗能能力，在地震荷载（对应应变率在1×10^-4~1×10^-2 s^-1）作用下其耗能能力可达C20混凝土的1000倍。

关键词组：超高韧性水泥基复合材料；率效应；直接拉伸；应变硬化；多缝开裂

Design procedure for thin three-layer plates made of a depleted material

Gianpaolo Perrella, Giovanni Maria Montuori, Massimiliano Fraldi, Elena Mele

DOI: 10.1631/jzus.A1500051 Downloaded: 2774 Clicked: 4885 Cited: 0 Commented: 0(p.427-442) <Full Text> <PPT> 1878

Chinese summary <53> 基于中空单元的夹层平板结构设计方法研究

目的：大型的桁架结构或空间刚架结构可以认为是用中空单元组合而成的宏观结构，在结构初步设计时，如何设计排布中空基本单元以满足结构的性能要求是设计的关键。本文旨在探讨夹层平板结构，在给定竖向变形控制指标后，如何使用简化的方法快速设计各层中空基本单元的尺寸和空隙程度。
创新点：1. 对于水立方这种复杂的空间多面体网格结构，本文将其理想化为连续的中空介质，利用微观力学中的均质化分析方法，将结构分解为多个基本单元（RVE）进行分析，从而推导出结构性能指标与单元参数之间的关系。2. 对于大跨度平板结构，本文提出一种基于RVE重复叠加组合的设计方法，并利用有限元法对该方法进行检验。
方法：1. 对夹层平板结构的弯曲特性进行理论分析，根据Kirchhoff-Love理论，得到板弯曲刚度与各层的截面惯性矩之间的关系；2. 通过理论推导出结构弯曲刚度（图3）、材料使用量（图4）随层厚度和层密度的变化关系；3. 从基本单元出发，利用均质化分析方法分别对中空立方体（图5）和空间桁架结构（图6）进行分析，得到结构抗弯刚度随单元中空程度和距截面中性轴距离的函数关系（图7和8），进而推导出结构参数化设计的拟合公式；4. 利用该设计公式，针对一个90 m×90 m×2.5 m的平板结构，以跨中挠度为跨度的1/500为设计指标，分别设计由两种基本单元组成的夹层平板结构，并将结构挠度的有限元计算结果与设计指标进行比较（图12）。
结论：1. 本文提出的利用中空单元组成的夹层平板结构的设计方法，通过优化设计中空单元的各项参数，可以在保证性能指标的同时最大化降低结构质量，得到最优刚度质量比。2. 本设计方法和有限元法得到的结果之间差异非常小，说明该设计方法准确可靠。
（感谢浙江大学建筑工程学院博士生王煜成提供中文概要）

关键词组：薄板；多层板；中空材料；均质化分析方法；刚度设计

A numerical study on the high-velocity impact behavior of pressure pipes

Zhen-yu Wang, Yang Zhao, Guo-wei Ma, Zhi-guo He

DOI: 10.1631/jzus.A1500112 Downloaded: 3265 Clicked: 5268 Cited: 1 Commented: 0(p.443-453) <Full Text> <PPT> 2056

Chinese summary <46> 高速冲击作用下压力管道力学行为的数值研究

目的：压力管道是海洋石油化工等领域的常用构件，但经常受到泄漏、爆炸和冲击等事件的威胁。本文旨在探讨压力管道在高速冲击作用下的力学响应及失效机理。
创新点：1. 开发考虑金属大变形和高应变率的非线性模型，通过基于表面的流体腔模型来模拟管道气体和管道的耦合作用，简化计算模型，提高计算效率；2. 通过非线性有限元模型，对管道高速冲击响应的影响因素进行研究分析。
方法：1. 采用Johnson-Cook模型模拟金属的大应变及大应变率；2. 采用基于表面的流体腔模拟管道与内部气体的耦合作用；3. 与实验结果对比验证模型的准确性；4. 分析影响管道抗冲击性能的参数。
结论：1. 管道壁厚显著影响管道的抗冲击性能；2. 在相同冲量下，冲击头与管道的接触面积越小，管道越容易被穿透；3. 在管道受到冲击时，管道内压越大，管道抗穿透能力越小；4. 在管道未被破坏时，管道内压能够增加管道的弹性，减小管道受冲击后的凹陷深度。

关键词组：高速冲击；流固耦合；抗冲击性；数值模拟

A novel multi-objective optimization method for the pressurized reservoir in hydraulic robotics

Xiao-ping Ouyang, Bo-qian Fan, Hua-yong Yang, Shuo Ding

DOI: 10.1631/jzus.A1600034 Downloaded: 2685 Clicked: 4412 Cited: 1 Commented: 0(p.454-467) <Full Text> <PPT> 2089

Chinese summary <46> 液压机器人增压油箱的多目标优化方法研究

目的：增压油箱是提高液压机器人动力源功率密度的一个关键元件。高集成度的增压油箱设计涉及6个设计变量和6个性能指标，必须采用合适的方法进行多目标优化。
创新点：1. 提出一种在设计变量平面上投影性能曲面的多目标优化方法，通过设定性能阈值缩小可行解范围并获得决策；2. 将增压油箱应用于液压机器人，提高液压机器人的功率密度和性能。
方法：1. 采用活塞-弹簧增压的原理来实现机器人液压系统增压，分析增压油箱的容量、质量和增压压力等性能，确定增压油箱设计为多目标优化问题。2. 通过在设计变量平面上的投影曲面，分析增压油箱性能指标与设计变量之间的关系；将目标函数阈值引入设计限制条件，通过控制待优化的指标缩小可行域，获得油箱设计的最终解。3. 按优化设计参数加工油箱样机，并在液压机器人动力源上进行测试。
结论：1. 增压油箱优化结果表明本文提出的设计方法可帮助设计者获得所需的最优解；2. 增压油箱样机的应用测试结果表明所研制的增压油箱在液压机器人系统中运行可靠。

关键词组：液压机器人；多目标优化；交互式决策；增压油箱

Investigation of a ship’s hydroelasticity and seakeeping performance by means of large-scale segmented self-propelling model sea trials

Jia-long Jiao, Hui-long Ren, Shu-zheng Sun, Christiaan Adika Adenya

DOI: 10.1631/jzus.A1500218 Downloaded: 2981 Clicked: 4817 Cited: 2 Commented: 0(p.468-484) <Full Text> <PPT> 2137

Chinese summary <48> 实际海浪环境中大尺度自航船模的水弹性与耐波性试验研究

目的：为研究船舶在实际海浪环境中的水弹性与耐波性，本文提出一种新型模型试验技术。将相同船型不同尺度的模型分别在近海环境和水池环境中测量的试验数据进行比较，分析两种试验方法所得结果的差异，以说明水池模型试验方法所存在的问题，从而进一步证明新型试验技术的优越性。
创新点：1. 提出大尺度自航模型在实际海浪环境中实施水动力试验的技术和方法；2. 将大尺度模型试验结果与传统水池模型试验结果进行比较，分析二者的差异。
方法：针对某母型船，分别建造缩尺比为1:25和1:50的大尺度模型和小尺度模型。大尺度模型在自然海域的三维海浪中进行试验测量，而小尺度模型在水池长峰不规则波中进行试验测量。测量过程中保证两者的控制参数相似，并分析试验结果存在的差异。将数值计算的结果与大尺度模型试验的结果进行比较，并基于数值计算分析海浪的方向分布函数对结果的影响。
结论：在近海海域中开展的大尺度模型耐波性与波浪载荷试验表明，本文提出的试验测试系统和试验方案是可行的。大尺度模型试验是在自然海浪环境中进行的，比水池环境更接近实船的实际航行环境，所得数据对于船舶设计和研发具有更高的参考价值和意义。

关键词组：水弹性；耐波性；分段模型试验；大尺度模型试验；海试；尺度效应

Numerical investigation on thermal effects by adding thin compartmental plates into cooling enclosures with heat-leaking walls

Yong-hua Huang, Qiang Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1500319 Downloaded: 2609 Clicked: 4167 Cited: 0 Commented: 0(p.485-496) <Full Text> <PPT> 1905

Chinese summary <42> 壁面漏热的冷却腔体内增加薄壁隔板引起的热效应数值研究

目的：评估增加薄壁隔板对于降低封闭腔中漏热面的作用，为在实际系统中采用薄壁隔板提高温度均匀性的可行性提供理论依据。
创新点：提出一种新的非平衡态外推边界处理方法；提出在封闭冷却墙体内增加薄壁隔板的有效漏热控制方法。
方法：采用热格子波尔兹曼（Boltzmann）方法以及针对薄壁隔板的改进型非平衡态热边界条件处理方法，将数值计算与理论分析相结合，研究漏热冷却腔体内的动态过程。
结论：1. 在漏热壁面附近增加薄壁隔板可使壁面漏热的冷却箱体内降温时间缩短，并且最终达到更好的温度均匀性。2. 薄壁隔板的位置靠近漏热面可增强其效果，隔板尺寸越大效果越好。3. 在更大的努塞尔数（Nu）或更小的瑞利数（Ra）条件下，增加隔板所起到的效果更加明显。

关键词组：隔板；封闭腔；自然对流；格子波尔兹曼；冷却速率；温度均匀性