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

2023 Vol.24 No.9 P.749-840

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Finite-time path following control of a sailboat with actuator failure and unknown sideslip angle

Yujin WU, Kangjian SHAO, Ning WANG, Zhongchao DENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300184 Downloaded: 700 Clicked: 910 Cited: 0 Commented: 0(p.749-761) <Full Text> <PPT> 292

Chinese summary <26> 具有执行器故障和未知侧滑角的帆船有限时间路径跟踪控制

作者：吴玉金¹，邵康建¹，王宁²，邓忠超¹
机构：¹哈尔滨工程大学，水下机器人重点实验室，中国哈尔滨，150001；²大连海事大学，海洋工程学院，中国大连，116026
目的：在实际航行中，无人帆船存在执行器故障问题以及未知漂角，使得帆船的路径跟踪变得极具挑战性。本文考虑了无人帆船的执行器故障，并设计了一种有限时间漂角观测器来观测未知漂角，以提高无人帆船的路径跟踪精度。
创新点：1.设计双有限时间漂角观测器，能够观测时变的漂角，适用于更复杂的工况；2.设计一种参数自适应调整的非奇异终端滑模，用以增强系统的鲁棒性；3.采用RBF神经网络最小参数估计法对无人帆船模型的不确定性部分进行估计，设计一种基于自适应参数调整滑模的容错控制方法，并证明航向控制系统的误差具有有限时间收敛性。
方法：1.设计双有限时间漂角观测器，用于观测未知漂角；2.考虑执行器故障，利用反步法与滑模控制法，推导出合适的控制律；3.通过仿真模拟，中途增加故障的方式来证实所设计方案的鲁棒性和可靠性。
结论：1.所设计的双有限时间漂角观测器能够精确观测对未知漂角；2.所提出的IDFLOS-FC方案能在执行器失效、漂角随时间变化和未知外部扰动的条件下实现无人驾驶帆船的精确路径跟踪，并能在添加故障时精确跟踪所需的路径，这充分证明了IDFLOS-FC方案的可靠性和优越性。

关键词组：漂角观测器；视线制导；有限时间控制；帆船；路径跟踪

Theoretical and experimental investigation on the efficiency of a novel roller piston pump

Chenchen ZHANG, Yiren ZANG, Heyuan WANG, Bin MENG, Sheng LI, Jian RUAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200378 Downloaded: 865 Clicked: 1223 Cited: 0 Commented: 0(p.762-781) <Full Text> <PPT> 383

Chinese summary <15> 新型滚子柱塞泵效率特性的理论与实验研究

作者：张晨晨，臧一人，王河缘，孟彬，李胜，阮健
机构：浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023
目的：由于其固有的三大滑动摩擦副，传统轴向柱塞泵在高转速及变转速工况下的机械和容积效率受到制约。如何降低摩擦副的摩擦损失和泄漏损失成为高性能燃油泵设计中首要关注的问题。本文提出一种新型滚子柱塞泵，探讨了其在不同负载压力与转速下的机械效率与容积效率。
创新点：1.提出一种新型滚子柱塞泵，其采用凸轮导轨-滚子式的滚动支撑替代斜盘-滑靴副的滑动副支撑来实现柱塞腔的吸排油，采用轴配流代替原有的配流盘配流，传动轴兼作配流轴以免去配流盘结构，从而极大地简化了轴向柱塞泵的设计；2.建立机械效率与容积效率的数学模型与仿真模型，模拟了滚子柱塞泵在变工况下的运行状态。
方法：1.对滚子泵进行受力分析与泄漏分析，建立滚子泵机械效率与容积效率的数学模型（第3节）；2.基于MATLAB与AMESim仿真研究负载压力与转速对机械效率和容积效率的影响（第4节）；3.设计与加工滚子泵的原理样机，并在专用的试验台上测得其扭矩与流量，得出其在不同负载压力与转速下的机械效率与容积效率，并将实验结果与仿真结果的比较分析，从而验证滚子泵的高效率（第5节）。
结论：1.新型滚子柱塞泵采用凸轮导轨式滚动支承代替斜盘-滑靴副的滑动副支承，实现活塞腔的吸油和排油。研究结果表明该新结构可以成为航空航天燃油泵的一种潜在解决方案。另外，采用轴配流代替原来的配流盘，以传动轴兼作配流轴，大大简化了轴向柱塞泵的设计。通过结构的对称设计，实现了泵的惯性力平衡，实现了无结构流量脉动，满足了航空液压泵集成度高、压力脉动小的要求。2.理论与实验结果表明，通过结构创新去除配流盘可减少泄漏，大大提高容积效率。滚子泵最高转速可达10000 r/min以上，满足航天燃油泵高速、变速的需要。

关键词组：滚子柱塞泵；轴配流机构；机械效率；容积效率；航空航天泵

Noise robustness of an operational modal-based structural damage-detection scheme using impact-synchronous modal analysis

Pei Yi SIOW, Zhi Chao ONG, Shin Yee KHOO, Kok-Sing LIM

DOI: 10.1631/jzus.A2200620 Downloaded: 941 Clicked: 1278 Cited: 0 Commented: 0(p.782-800) <Full Text> <PPT> 335

Chinese summary <18> 使用冲击同步模态分析的基于运行模态的结构损伤检测方案的噪声鲁棒性

作者：萧珮怡¹，翁志超¹，邱峰义¹，林国生²
机构：¹马来亚大学，工程学院机械工程系，马来西亚吉隆坡，50603；²马来亚大学，副校长（研究与创新）办公室，光子学研究中心，马来西亚吉隆坡，50603
目的：来自环境或外部来源的噪声，如风、运行中的机器或来自在役系统本身的噪声，如果不加以注意或处理，会降低模态数据对损伤的敏感性，从而影响损伤检测的准确性。为了生成用于损伤诊断的干净、类静态频率响应函数（FRF），本研究提出了一种使用冲击同步模态分析（ISMA）的基于噪声鲁棒操作模态的结构损伤检测方案。
创新点：结合ISMA、主成分分析（PCA）-FRF和基于无监督学习的方法对运行结构的损伤检测进行去噪和提取对损伤敏感的主要特征。
方法：所提出的损伤检测方案的总体框架包括三个阶段：1.首先使用ISMA对信号进行去噪，以生成仅包含结构动态信息的干净FRF。2.应用PCA清理FRF，生成的前两个主成分用于构造单线PCA-FRF，提取PCA-FRF的峰作为无监督的特征基于机器学习的损伤检测。3.采用无监督机器学习k-means算法进行损伤检测。邓恩指数用作损坏指标，当邓恩指数超过基线/未损坏的邓恩指数时，就会检测到损坏。
结论：结果表明，与在静态条件下通过实验模态分析（EMA）获得的FRF相比，通过ISMA在噪声条件下获得的FRF具有大于0.9的频率响应保证准则（FRAC）和交叉签名保证准则（CSAC）分数，这验证了ISMA的去噪功能。当去噪的FRF减少到PCA-FRF并用于无监督的基于学习的损伤检测方案时，显示零误报。

关键词组：冲击同步模态分析；频率响应函数；主成分分析；无监督学习；损伤检测

A data-driven approach for modeling and predicting the thrust force of a tunnel boring machine

Lintao WANG, Fengzhang ZHU, Jie LI, Wei SUN

DOI: 10.1631/jzus.A2200516 Downloaded: 1023 Clicked: 1249 Cited: 0 Commented: 0(p.801-816) <Full Text> <PPT> 333

Chinese summary <20> 一种数据驱动隧道掘进机推力的建模与预测方法

作者：王林涛¹，朱沣樟¹，李杰^1.2，孙伟¹
机构：¹大连理工大学，机械工程学院，中国大连，116024；²北方自动控制技术研究所，中国太原，030006
目的：为克服隧道掘进机（TBM）本身因素（掘进速度、盾构机岩压和刀盘水压力等）以及随机地质条件等复杂工况对于TBM推力建模的挑战，本文期望通过将现场质量记录数据与代理模型技术相结合建立高精度TBM推力预测模型，以提高TBM推力预测的精度并有效改善开挖计划。
创新点：1.现场记录数据与代理模型技术相结合构建高精度预测模型；2.使用莫里斯法进行因素筛选从而提高建模精度；3.通过相似工况建模并适当增加建模样本有效提高了TBM推力预测精度。
方法：1.通过对现场数据进行筛选并对TBM推力的来源进行分析，得出可能影响推力的21个因素；2.基于上述影响因素构建4种代理模型并比较精度；3.使用莫里斯法进行主因素筛选，并选用精度最高的克里金模型进行TBM推力建模和预测；4.构建三种不同工况条件下的推力预测模型并比较预测误差。
结论：1.现场记录数据与代理模型技术相结合构建的高精度预测模型为TBM在复杂工况下推力的建模和预测提供了一种可行的方式。2.经过莫里斯法进行主因素筛选后，代理模型的精度得到有效提高。3.采用相似工况建模以及合理增加建模成本可以有效提高预测的精度；基于数据驱动的TBM推力预测模型可作为掘进过程中控制推力的重要依据。

关键词组：隧道掘进机；推力预测；代理模型；莫里斯法

Molecular force mechanism of hydrodynamics in clay nanopores

Shengjie WEI, Yuchao LI, Peng SHEN, Yunmin CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200427 Downloaded: 844 Clicked: 1406 Cited: 0 Commented: 0(p.817-827) <Full Text> <PPT> 312

Chinese summary <16> 黏土纳米孔内流动的分子力机制

作者：魏声杰，李育超，沈鹏，陈云敏
机构：浙江大学，建筑工程学院，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058
目的：连续介质方程在描述流体在黏土纳米孔内流动时具有较大偏差。本文旨在通过非平衡动力学模拟揭示纳米尺度下黏土边界效应以及流体内部粘滞作用的力学机制，为更好地控制黏土纳米孔内流动提供新的分析思路。
创新点：1.通过非平衡动力学模拟，计算了黏土纳米孔内流动过程中黏土与阳离子对孔间受限水的作用力大小，并揭示其空间分布规律；2.建立了水分子取向分布、空间形态与其所受作用力间的微细观联系，成功揭示黏土边界效应和流体粘滞作用的力学机制。
方法：1.通过非平衡动力学方法，模拟黏土纳米孔内的流动过程（图1和2），并通过流速、粘滞系数和渗透系数的计算验证模型的正确性（表1）；2.通过对孔间受限水的受力分析，计算各项分子间作用力，得到作用力大小和空间分布（图3和4）；3.计算水分子平面分布和取向角，建立与所受作用力间的微细观联系，揭示黏土边界效应和流体粘滞作用的力学机制（图5~7）。
结论：1.黏土和阳离子对孔内受限水的合力随时间波动满足高斯分布，且其时均值与施加的驱动力基本相等，以维持流动过程中纯水的动态力学平衡。2.黏土对孔内水分子的作用力类似于简支梁上的支座反力，集中作用在Stern层的水分子上；其中，范德华作用项与水氧原子平面分布相关；由于范德华排斥势垒与定向流动，所以水分子更倾向于在阻力区滞留，而随着水力梯度的增大，阻力区与动力区分布概率差增大，进而产生更大的范德华阻力；库仑作用项则与水分子取向矢量的转动相关；水力梯度的增大诱导水分子取向转动，进而导致承受库仑阻力的水分子数量增多。3.由于相邻水层间存在速度差，所以慢层中的水分子有更高概率停留在中心水分子的上游，进而对中心水分子产生净库仑阻力和净范德华动力，而随着速度梯度的增大，分布概率差异进一步扩大，进而产生了更强的粘滞阻力。

关键词组：分子动力学；流体力学；黏土纳米孔；分子力；边界效应；粘滞力

Bifurcation control of solid angle car-following model through a time-delay feedback method

Qun JI, Hao LYU, Hang YANG, Qi WEI, Rongjun CHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300026 Downloaded: 821 Clicked: 1145 Cited: 0 Commented: 0(p.828-840) <Full Text> <PPT> 312

Chinese summary <16> 通过延时反馈法对实角汽车跟驰模型进行分叉控制

作者：季群¹，吕浩¹，杨航¹，魏麒²，程荣军¹
机构：¹宁波大学，海运学院，中国宁波，315211；²宁波财经学院，中国宁波，315175
目的：随着城市化进程的不断发展，交通事故和交通拥堵越来越成为城市发展的障碍。本文旨在设计一种响应延迟反馈控制来抑制不稳定因素引起的分岔，从而抑制交通流量振荡并提高模型对车辆轨迹的拟合程度。
创新点：1.采用定积分方法来确定反应延迟和反馈增益的稳定区间；2.设计一种抑制交通拥堵和稳定交通流量的控制策略。
方法：1.通过对线性分析和分岔分析的比较，确定稳定区的临界范围；2.运用定积分的方法模拟各参数联合控制下的精确和稳定范围；3.通过校准得到的最优反馈增益和时滞参数位于控制系统的稳定区域，从而验证该控制系统的合理性和可行性。
结论：1.本文设计的响应延迟反馈控制系统可以用来抑制或削弱交通系统的分岔，从而抑制交通拥堵；2.校准得到的最优反馈增益和时滞参数位于控制系统的稳定区域；3.合理的反馈增益和延迟设置可以有效地提高交通流量的稳定性。

关键词组：视角模型；时延；Hopf分岔；反馈控制；参数校准