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.9 P.669-756

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Environmental impact assessment of aircraft elevator made with new lightning protection material

Shao-ce DONG, Cheng-gao LI, Gui-jun XIAN, Zhong-jie ZHAO, Xu-feng ZHANG, Qing-wen YUN

DOI: 10.1631/jzus.A2200105 Downloaded: 954 Clicked: 1189 Cited: 0 Commented: 467(p.669-682) <Full Text> <PPT> 449

Chinese summary <34> 使用新型雷击防护材料的飞机升降舵环境影响评价

作者：董少策^1,2,3，李承高^1,2,3，咸贵军^1,2,3，赵中杰⁴，张旭锋⁴，云庆文⁵
机构：¹哈尔滨工业大学，结构工程灾变与控制教育部重点实验室，中国哈尔滨，150090；²哈尔滨工业大学，土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室，中国哈尔滨，150090；³哈尔滨工业大学，土木工程学院，中国哈尔滨，150090；⁴中国航空工业集团公司复合材料技术中心，中国北京，101300；⁵中国航空工业集团公司哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，中国哈尔滨，150066
目的：非金属雷击防护材料取代传统雷击防护材料应用在飞机上具备减小飞机重量和燃油消耗的潜力。本文旨在探讨使用新型非金属雷击防护材料的飞机升降舵相较于传统升降舵是否具有环保优势，以及明确影响新型非金属雷击防护材料制备的环境影响因素。
创新点：1.通过生命周期评价方法，研究了使用和未使用新型非金属雷击防护材料飞机升降舵的全生命周期环境；2.明确了影响新型非金属雷击防护材料制备的主要环境影响因素。
方法：1.通过数据搜集，利用荷兰莱顿大学环境研究中心（CML）提出的环境影响评价方法和11个影响指标，研究使用和未使用新型非金属雷击防护材料的飞机升降舵整个生命周期的环境影响；2.计算升降舵整个生命周期各个阶段对其整体环境影响的贡献；3.分析新型非金属雷击防护材料与传统雷击防护材料环境影响的大小，并考虑不同的买飞比和回收工艺对传统雷击防护材料环境影响的作用。
结论：1.使用新型雷击防护材料可降低升降舵相关环境影响指标值0.83%到3.83%；2.使用阶段对传统和新型飞机升降舵的环境影响贡献分别超过了96%和97%；3.当不考虑导电铝网的回收时，相较于传统雷击防护材料，新型雷击防护材料的环境影响更小，而当考虑回收和买飞比为1时，新型雷击防护材料只在淡水和水生生态毒性潜能、人体毒性潜力、海洋和水生生态毒理潜力和光化学臭氧生成潜力等环境影响指标上表现更差；4.对制备新型导电复合材料的环境影响而言，碳纤维复合材料预浸料、加工用电能和雷击防护膜的贡献分别为58.67%、33.52%和7.81%。

关键词组：环境影响评价；雷击防护材料；飞机升降舵；生命周期评价；非金属雷击防护材料

Elastoplastic behavior of frozen sand–concrete interfaces under cyclic shear loading

Jian CHANG, Jian-kun LIU, Ya-li LI, Qi WANG, Zhong-hua HAO

DOI: 10.1631/jzus.A2100667 Downloaded: 1024 Clicked: 1286 Cited: 0 Commented: 0(p.683-703) <Full Text> <PPT> 466

Chinese summary <30> 循环剪切荷载作用下冻结砂-混凝土接触面的弹塑性分析

作者：常键¹，刘建坤^1，2，3，李亚利¹，王麒¹，郝中华¹
机构：¹北京交通大学，土木建筑工程学院，中国北京，100044；²中山大学，土木工程学院，中国珠海，519082；³南方海洋科学与工程广东实验室（珠海），中国珠海，591082
目的：冻结砂-混凝土结构接触面在循环剪切荷载作用下的弹性剪切模量和累积塑性应变是决定冻土区结构承载力的关键因素。本文旨在探讨冻结砂-混凝土接触面在循环加载条件下的变量（循环加载次数、法向应力、冻结温度和循环加载幅值）对初始弹性剪切模量、循环弹性剪切模量、累积塑性变形和剪切强度的影响，了解冻结接触面在循环剪切过程中的弹塑性，为建立循环剪切荷载作用下冻结接触面本构模型提供重要的试验数据支撑。
创新点：1.对冻结接触面施加两种不同边界条件（常法向应力和常法向位移），并通过对冻结接触面施加循环剪切荷载得到不同试验条件下冻结接触面的弹性特性、塑性变形特性以及强度特性；2.建立冻结接触面塑性变形模型，探讨不同因素对塑性变形的影响。
方法：1.通过试验分析，得到不同条件下的塑性变形值、强度值以及不同阶段的弹性剪切模量，并对其进行定性分析；2.构建累积塑性体应变-累积塑性剪应变经验公式（公式(5)），并通过理论推导，得到累积塑性应变方向（公式(6)）；3.绘制不同参数与法向应力、温度和循环加载幅值的关系曲线，并研究不同因素对累计塑性应变方向的影响（图11、13和15）。
结论：1.温度和法向应力对初始弹性剪切模量和循环弹性剪切模量影响很大；2.冻结接触面塑性剪应变和累积塑性体应变随着循环剪切次数的增加、温度的降低和法向应力的增大而增大，但其增量随着循环次数的增加而逐渐减小；3.累积塑性剪应变与累积塑性体应变呈指数关系；4.峰值剪应力随法向应力的增大、温度的降低和循环幅值的增大而增大。

关键词组：冻结砂-混凝土接触面；循环直剪试验；弹塑性分析；累积塑性应变方向；边界条件

Influence of wettability in immiscible displacements with lattice Boltzmann method

Chen ZHOU, Wen-yuan WANG, Ke-xin CHEN, Ze-jian CHEN, Jongwon JUNG, Shuai ZHANG, Yun-min CHEN, Bate BATE

DOI: 10.1631/jzus.A2200047 Downloaded: 1048 Clicked: 1114 Cited: 0 Commented: 1(p.704-720) <Full Text> <PPT> 452

Chinese summary <29> 基于格子波尔兹曼方法研究润湿性对非混相驱替的影响

作者：周宸¹，王文远¹，陈可心¹，陈泽健²，Jongwon JUNG³，张帅¹，陈云敏¹，巴特¹
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，岩土工程研究所，中国杭州，310058；²香港理工大学，土木与环境工程系，中国香港，九龙红磡；³忠北国立大学，土木工程学院，韩国忠北清州市，28644
目的：研究润湿性对于多孔介质驱替的影响，以提高驱替效率。
创新点：1.同时考虑了润湿性、毛细管数和粘滞比三者对驱替的影响并建立了三维相图；2.采用可以准确模拟接触角的边界条件算法，且模拟范围包含所有润湿性条件。
方法：采用格子波尔兹曼方法（LBM）对不同毛细管数-粘滞比组合下的19组接触角进行模拟，建立其与驱替形态和效率的影响。
结论：1.存在最优接触角使得击穿时的驱替效率最高；2.三维驱替相图包含了传统相图，反映了润湿性会使二维相图的驱替区域整体偏移。

关键词组：润湿性；多孔介质；格子波尔兹曼方法（LBM）；多相流

Static control method using gradient–genetic algorithm for grillage adaptive beam string structures based on minimal internal force

Yan-bin SHEN, Hao-song SUN, An-dong LEI, Xiao-yuan YING, Guang YANG, Yao-zhi LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200003 Downloaded: 1010 Clicked: 1387 Cited: 0 Commented: 0(p.721-732) <Full Text> <PPT> 441

Chinese summary <29> 采用梯度遗传算法的自适应交叉张弦梁结构最小内力目标静态控制方法

作者：沈雁彬，孙浩淞，雷安东，应萧远，杨光，罗尧治
机构：浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058
目的：传统控制算法随着自适应结构空间与作动器数量的增加变得低效。本文旨在讨论适用于自适应交叉张弦结构等大空间多变量问题的主动控制算法，并提出自适应双向交叉张弦梁的主动控制模型，探究其在不同环境工况下的承载表现。
创新点：1.以梯度算子改进传统遗传算法，改善其早熟与收敛速度慢的缺陷；2.针对双向交叉张弦梁这一复杂空间结构提出控制方法，并建模验证。
方法：1.在传统遗传算法的选择、交叉和变异算子后加入梯度搜索算子，增强其局部搜索能力与快速收敛能力；2.以作动器作动量作为优化变量，上部梁最小内力工作系数作为目标函数，撑杆与下部索的许用应力作为约束条件，建立自适应双向张弦梁结构的静态主动控制方法；3.通过2×2与3×3的两个算例进行建模控制，以结构内力与位移评价其三种工况下的控制效率，验证所提方法的可行性和有效性。
结论：1.梯度遗传算法具有良好的局部搜索能力和全局优化能力，并且收敛速度快；2.相对传统静态结构，在文中的三种设计工况下，自适应交叉张弦梁结构的承载能力显著提高；3.对于张弦梁结构，风荷载有可能使拉索松弛，造成不利影响，而自适应张弦梁可以使拉索保持受拉状态，并使所有部件协同工作以达到更好的性能。

关键词组：交叉张弦梁结构；梯度遗传算法；结构控制；自适应结构；作动器

Effects of the mixing degree upstream of the diverging area on the pollutant allocation characteristics of a braided river

Jun ZOU, Jian-min ZHANG, Chang-yuan LI

DOI: 10.1631/jzus.A2100540 Downloaded: 961 Clicked: 1070 Cited: 0 Commented: 5(p.733-744) <Full Text> <PPT> 446

Chinese summary <28> 分流区前混合度对分汊河流分污特性的影响

作者：邹俊^1,2，张建民¹，李昌垣²
机构：¹四川大学，水利水电学院，中国成都，610065；²江西省水利科学院，中国南昌，330029
目的：分汊河流支汊间的污染物分配规律具有重要意义。同时，分污特性受诸多因素影响，因此较为复杂。本文旨在探讨在具有分汊结构的河流中，分流区前污染物混合度对下游支汊分污比的影响。研究与排放位置相关的混合度的定义、量化以及与分污比的规律关系，以进一步认识分汊河流污染物扩散影响因素的作用机制。
创新点：1.建立水质物理模型，得到在排放位置影响下支汊分污比的变化情况。2.基于高斯分布，定义分流区前混合度，并得到无量纲化的混合度与分污比偏离量的线性关系。3.得出在线性关系中线性系数受分汊角的影响情况。
方法：1.建立包含6种分汊形式与多种排放位置的水质物理模型，得到排放位置与分污比的关系（图9~14）；2.基于分流区前断面浓度分布的试验成果，借助高斯分布公式定义分流区前混合度（图16）；3.通过无量纲化处理，得到分流区前混合度与分污比偏离量的关系（图18~29）。4.通过数据分析，构建线性关系中的系数与分汊角的关系。
结论：1.与纵向排放距离高度相关的分流区前混合度显著影响分污比；混合度越低，分污比偏离相应分流比的幅度越大。2.无量纲化的混合度与无量纲化的分污比偏离量呈现近似线性关系。3.线性关系中的截距和斜率与分汊角相关，并以对称分汊角为界呈现相反的单调性。

关键词组：混合度；分流区；纵向距离；分污比偏离量；标准差；线性规律

Mask R-CNN and multifeature clustering model for catenary insulator recognition and defect detection

Ping TAN, Xu-feng LI, Jin DING, Zhi-sheng CUI, Ji-en MA, Yue-lan SUN, Bing-qiang HUANG, You-tong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100494 Downloaded: 962 Clicked: 1345 Cited: 0 Commented: 463(p.745-756) <Full Text> <PPT> 520

Chinese summary <32> 基于Mask R-CNN和多特征聚类模型的接触网绝缘子识别和缺陷检测

作者：谭平¹，李旭峰²，丁进¹，崔志晟¹，马吉恩²，孙月兰¹，黄炳强¹，方攸同²
机构：¹浙江科技学院，自动化与电气工程学院，中国杭州，310023；²浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027
目的：绝缘子是高速铁路接触网的重要组成部分。绝缘子的故障会导致绝缘劣化，甚至会导致接触网断电，所以绝缘子缺陷检测对高速列车运行具有重要意义。本文旨在分析巡检车拍摄的接触网绝缘子的图像特点，结合绝缘子破损、污垢、异物和闪络四类主要缺陷，研究一种智能图像处理方法，以期有效识别绝缘子及其缺陷。
创新点：1.通过MaskR-CNN模型，实现绝缘子区域像素级切割及旋正；2.提出垂直投影技术，实现绝缘子单片区域快速准确定位；3.通过多特征融合和聚类分析模型，检测绝缘子破损、污垢、异物和闪络。
方法：1.通过分析接触网图像的特点，采用Mask R-CNN方法实现绝缘子区域定位、前后景像素分割以及倾斜修正（图5）；2.通过垂直投影方法，得到绝缘子各片空间坐标信息（图6）；3.通过提取图像梯度、纹理和灰度特征（公式(2)~(4)），运用特征融合聚类方法（公式(5)~(7)），计算其相邻片之间的特征分布差异（公式(8)）；4.基于实际拍摄图片构建实验测试样本，并分析实验过程及结果，验证所提方法的可行性和有效性。
结论：1.Mask R-CNN是一种高效的目标识别和实例分割深度学习模型；它在绝缘子识别方面展现了鲁棒性和高精度。2.实验表明，本文提出的绝缘子像素区域切割和倾斜校正具有较高精度。3.对于绝缘子缺陷检测，本文提出的多特征融合聚类分析模型测试结果显示其具有较高的缺陷识别精确度。

关键词组：高铁接触网绝缘子；MaskR-CNN；多特征融合；K均值聚类分析模型；缺陷检测