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

2022 Vol.23 No.3 P.157-242

Cover:

<501>

Contents:

<402>

<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Development of amphibious biomimetic robots

Xiang-juan BAI, Jian-zhong SHANG, Zi-rong LUO, Tao JIANG, Qian YIN

DOI: 10.1631/jzus.A2100137 Downloaded: 4485 Clicked: 18303 Cited: 0 Commented: 6209(p.157-187) <Full Text> <PPT> 2412

Chinese summary <3450> 水陆两栖仿生机器人的发展与展望

作者：白向娟，尚建忠，罗自荣，蒋涛，殷谦
机构：国防科技大学，智能科学学院，智能机械与仪器系，中国长沙，410073
目的：1.通过对仿生生物行进功能和结构特性等特征的研究，分析总结现有两栖仿生机器人的特征。2.分析总结探讨仿生生物的自身生物结构优势，并通过应用仿生学提高水陆两栖环境下的机器人性能。
创新点：1.从13种不同仿生原型的角度归纳了典型的两栖机器人，比较了目前两栖机器人的研究技术参数，并总结了两栖机器人10种不同的推进方法以及行驶速度、工作效率、机动性和稳定性。2.创新性地提出了两栖机器人运动能力评价指标和仿生机器人仿生化程度评价方法。
方法：1.通过查阅现有多种水陆两栖仿生机器人的研究技术参数，总结两栖机器人的功能和结构等特性。2.通过应用性验证，对提出的仿生机器人性能进行评价比较分析。
结论：1.应用仿生学的设计理念，可以有效地提高水陆两栖仿生机器人在复杂两栖环境中的机动性、灵活性和能效等性能。2.通过比较分析现有两栖机器人的推进方式、工作效率和机动性等性能，可以将该仿生学设计方法和机理应用到其他种类的机器人研究中，从而提高机器人在民用、科学和环境任务中的应用潜能。

关键词组：水陆两栖机器人；仿生机器人；仿生技术；智能机器人；机器人学

Research Articles

Leap trajectory tracking control based on sliding mode theory for hypersonic gliding vehicle

Kai AN, Zhen-yun GUO, Wei HUANG, Xiao-ping XU

DOI: 10.1631/jzus.A2100362 Downloaded: 2323 Clicked: 3955 Cited: 0 Commented: 0(p.188-207) <Full Text> <PPT> 638

Chinese summary <432> 基于滑模理论的高超声速飞行器跳跃轨迹跟踪控制

作者：安凯¹，郭振云¹，黄伟¹，徐小平²
机构：¹国防科技大学，空天科学学院，高超声速冲压发动机技术重点实验室，中国长沙，410073；²国防科技大学，北京学科交叉中心，中国北京，100101
目的：高超声速飞行器跳跃滑翔轨迹相比准平衡滑翔轨迹具有更远的飞行航程，但将其作为参考轨迹的跟踪控制器的设计具有较强的挑战性，因为设计需要兼具鲁棒性和精确性。本文旨在提出一种组合超螺旋滑模控制器来探讨跳跃滑翔轨迹的跟踪性能。
创新点：1.推导了三自由度条件下的阻力加速度误差跟踪控制模型；2.提出了一种组合超螺旋滑模控制算法，并与传统控制器进行了比较验证；3.对所提控制器的鲁棒性进行了充分的验证并证明了其有效性。
方法：1.首先以预测校正方法给出需要跟踪的参考状态剖面（纵向剖面、阻力加速度剖面和倾侧角剖面等）；2.推导以阻力加速度误差为状态变量的二阶误差动力学系统；3.根据滑模控制理论设计三种传统滑模控制器，并根据这三种控制器的优缺点设计一种组合超螺旋滑模控制器；4.通过仿真对比验证所提控制器的鲁棒性和精确性。
结论：1.相比于比例积分微分控制器以及其他三种传统滑模控制器，本文所提出的组合控制器具有较强的鲁棒性和跟踪剖面的精确性；2.可变参数相比于常值参数具有更强的自适应性，能够有效改善控制器跟踪的精确性。

关键词组：预测校正制导法；阻力跟踪控制；滑模控制；超螺旋滑模控制

A comparison study between 2D and 3D slope stability analyses considering spatial soil variability

Liang ZHANG, Wen-ping GONG, Xin-xin LI, Xiao-hui TAN, Chao ZHAO, Lei WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100139 Downloaded: 2429 Clicked: 3540 Cited: 0 Commented: 0(p.208-224) <Full Text> <PPT> 597

Chinese summary <330> 考虑土体参数空间变异性的二维与三维边坡稳定性分析对比研究

作者：张亮¹，龚文平¹，李馨馨¹，谭晓慧²，赵超¹，王磊³
机构：¹中国地质大学（武汉），工程学院，中国武汉，430074；²合肥工业大学，资源与环境工程学院，中国合肥，230009；³哥伦比亚特区大学，土木工程学院，美国华盛顿哥伦比亚特区，20008
目的：传统边坡稳定性评价通常基于典型横断面进行二维分析，忽略了边坡纵向长度对稳定性评价的影响。本文旨在研究两种边界条件下三维边坡稳定性分析和二维边坡稳定性分析结果的差异性及其原因，并探究土体参数水平波动范围和边坡纵向长度对边坡稳定性的影响规律。
创新点：1.从确定性和不确定性分析两个角度对比研究二维和三维边坡稳定性分析结果的差异性；2.揭示土体参数水平波动范围和边坡纵向长度对三维边坡稳定性的影响规律；3.分析三维边坡失稳的局部破坏统计特征。
方法：1.运用数值模拟方法，采用强度折减法分析计算边坡安全系数（公式(1)）；2.通过蒙特卡洛和矩估计法计算边坡失效概率（公式(9)~(12)）。
结论：1.确定性分析结果表明，全约束RR型边界条件下三维边坡稳定性分析结果更符合真实条件下边坡破坏形态；半约束SS型边界条件下三维边坡稳定性分析可视为二维边坡稳定性分析方法在边坡纵向长度的延展。2.考虑土体参数空间变异时，三维边坡稳定性分析得到的失效概率通常小于二维边坡稳定性分析计算结果，二者间的差异性在一定范围内随边坡纵向长度和土体参数水平波动范围增加而减小。3.考虑土体参数空间变异时，三维边坡稳定性分析会得到沿边坡纵向的多个局部破坏，这些局部破坏可很好地解释二维和三维边坡稳定性分析结果的差异性。

关键词组：边坡稳定性；空间变异性；失效概率；安全系数；纵向长度

Multi-objective aerodynamic shape optimization of a streamlined high-speed train using Kriging model

Le ZHANG, Zhi-yuan DAI, Tian LI, Ji-ye ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100329 Downloaded: 1765 Clicked: 2270 Cited: 0 Commented: 0(p.225-242) <Full Text> <PPT> 594

Chinese summary <319> 高速列车气动优化

作者：张乐，戴志远，李田，张继业
机构：西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，中国成都，610031
目的：研究列车流线型区域各设计变量对头尾车气动性能的影响。提出一种新型的优化方案，使得列车头车阻力、尾车阻力和尾车升力都比传统优化方案小。
创新点：1.结合代理模型法，研究列车头尾车外形优化方向不一致的原因；2.提出新的优化方案，使列车气动性能更优异。
方法：1.构建代理模型，结合帕累托解集的分布，确定对头尾车气动性能影响较大的设计变量；2.合理安排对照组，从机理的角度研究各设计变量对头尾车气动力的具体影响；3.提出新的列车外形优化方案，并与传统优化方案做比较。
结论：列车流线型区域的几何特征对头尾车气动性能的影响不同。若未来列车能依据自身运行状态主动调整到最佳外形，则列车气动性能仍有较大提升空间。鼻尖宽度对头车的阻力影响很大，较宽的鼻尖可降低头车的阻力。但是，随着鼻尖宽度增加，尾车的阻力和升力均先减小随后急剧增大。这导致降低头尾车阻力的优化方向不一致。然而，降低尾车阻力和降低尾车升力这两个目标在优化过程中具有较大的一致性。减小驾驶室车窗的曲率，减小流线型区域下部横向控制线的曲率，适当减小鼻尖宽度，都有助于降低尾车的阻力和升力。增加鼻端连接处的垂向高度也可以显著降低尾车的升力。

关键词组：高速列车；气动力；优化；代理模型；流线型区域