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

2024 Vol.25 No.3 P.183-274

Cover:

<213>

Contents:

<190>

<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Recent progress in the development of dielectric elastomer materials and their multilayer actuators

Shengchao JIANG, Junbo PENG, Lvting WANG, Hanzhi MA, Ye SHI

DOI: 10.1631/jzus.A2300457 Downloaded: 894 Clicked: 1223 Cited: 0 Commented: 0(p.183-205) <Full Text> <PPT> 372

Chinese summary <25> 介电弹性体材料及其驱动器多层堆叠工艺研究进展

作者：蒋升超^1,4，彭俊博^1,2,4，王吕婷^1,3，马涵之¹，石烨¹
机构：¹浙江大学，伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院，中国嘉兴，314400；²浙江大学，机械工程学院，中国杭州，310058；³浙江大学，高分子科学与工程系，中国杭州，310058
概要：介电弹性体（DE）具有驱动应变大、响应快、能量密度高、可灵活处理各种配置等特点，已成为最具前景的人工肌肉技术之一。在过去的二十年中，研究人员一直致力于开发性能改善的DE材料，并探索介电弹性体驱动器（DEA）的创新应用。本文重点讨论了两大主题：介电弹性体的材料创新和介电弹性体驱动器多层堆叠工艺的发展，这对推动介电弹性体的商业化应用具有重要意义。本文对高性能介电弹性体材料和多层堆叠方法的最新进展进行了综述，强调了在该领域取得的进展，并讨论了未来潜在的研究方向。在广泛的商业应用之前，DE仍有几个问题需要解决。第一，设计能够在高驱动频率（100 Hz量级）下保持大而稳定驱动应变（超过100%）的DE材料。第二，解决DE和DEA长时间使用的稳定性。为了提高寿命，应仔细研究失效机理，并根据机理适当调整DE材料的介电性能。第三，需要开发具有高环境耐受性的DE材料。最后，需要解决高电压驱动导致的安全问题。叠层DE驱动器（MDEA）的开发与DE的材料创新同样重要，但MDEA的制备仍存在许多挑战。适用于超薄DE薄膜堆叠的叠层工艺需要被探索。此外，提高当前叠层方法的扩展性也很重要，以兼容大规模制造工艺。

关键词组：介电弹性体驱动器；介电弹性体；材料合成；叠层方法

Research Articles

A method for support stiffness failure identification in a steel spring floating slab track of urban railway: a case study in China

Junyuan ZHENG, Caiyou ZHAO, Duojia SHI, Ping WANG, Jian WANG, Bolong JIANG, Xi SHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300085 Downloaded: 938 Clicked: 1105 Cited: 0 Commented: 0(p.206-222) <Full Text> <PPT> 258

Chinese summary <16> 城市轨道交通钢弹簧浮置板轨道支承刚度失效识别方法：一项中国的案例研究

作者：郑钧元^1,2，赵才友^1,2，师多佳^1,2，王平^1,2，王建³，姜博龙⁴，盛曦⁵
机构：¹西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031；²西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；³青岛零一动测数据科技有限公司，中国青岛，266000；⁴中国铁路设计集团有限公司，城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程研究中心，中国天津，300308；⁵深圳大学，城市智慧交通与安全运维研究院，中国深圳，518060
目的：在列车往复动力作用和复杂环境因素耦合作用下，常出现诸如钢弹簧隔振器断裂、基底不均匀沉降诱发吊空等隔振器支承刚度失效的问题。本文提出一种钢弹簧浮置板轨道支承刚度失效的方法，能及时识别失效数量、失效程度、失效位置，以避免刚度失效引起的轨道结构劣化和行车安全威胁。
创新点：1.分析隔振器支承刚度失效对浮置板轨道系统各动力指标的影响，并构建一套浮置板轨道钢弹簧失效识别方法；2.结合具有噪声的基于密度的聚类方法（DBSCAN）算法和统计分析构建一套浮置板轨道支承刚度智能监测系统，并应用于中国南部某线路。
方法：1.通过动力响应敏感性分析，得出浮置板自振频率、动位移、转角对支承刚度失效的敏感性较高（图5和6）；2.通过分析多种刚度失效的情况，得出敏感性指标和支承刚度失效的关系（表3和4，图8）；3.基于上述成果，构建智能监测系统并应用到现场，验证方法的有效性（图13和15）。
结论：1.动力学模型的敏感性分析表明，列车荷载下的浮置板一阶垂向自振频率、最大垂向动位移、转角有效值易受刚度失效影响。2.浮置板的一阶垂向频率主要跟失效数量有关；浮置板最大垂向动位移与失效高度具有较好的线性关系；浮置板转角之间的大小关系对失效位置很敏感。3.以上述方法为理论基础构建浮置板轨道支承刚度智能监测系统，成功识别出钢弹簧失效。

关键词组：浮置板轨道；支承刚度；精细化模型；失效识别；监测系统

Non-uniform thermal behavior of single-layer spherical reticulated shell structures considering time-variant environmental factors: analysis and design

Wucheng XU, Xiaoqing ZHENG, Xuanhe ZHANG, Zhejie LAI, Yanbin SHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2300143 Downloaded: 823 Clicked: 973 Cited: 0 Commented: 0(p.223-237) <Full Text> <PPT> 247

Chinese summary <17> 考虑时变环境因素的单层球面网壳结构的非均匀热行为：分析与设计

作者：许武成^1,3,4，郑晓清²，张轩赫^1,3,4，来哲杰¹，沈雁彬^1,3,4
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；²浙江大学，平衡建筑研究中心，中国杭州，310028；³浙江大学，长三角智慧绿洲创新中心，中国嘉兴，314100；⁴浙江大学，浙江省空间结构重点实验室,中国杭州，310058
目的：由于多环境因素的动态耦合作用，单层球面网壳的温度变化具有强时变性和显著的非均匀特征。然而，传统的设计观念将结构的温度变化等效为气温的均匀升降，这可能导致潜在的安全隐患。通过数值模拟、实验研究和理论推导，本文旨在分析单层球面网壳温度的时变规律和分布模式，研究非均匀热效应及其影响因素，并针对该类结构提供非均匀热荷载的设计方法。
创新点：1. 根据真实热边界条件，模拟单层球面网壳的长期温度变化并剖析其时变规律和分布模式；2. 基于理论推导、数值和实验验证，提出单层球面网壳非均匀热荷载的设计方法；3. 对比结构均匀与非均匀热效应，分析影响热效应的施工因素。
方法：1. 通过仿真计算，运用真实热边界条件模拟单层球面网壳的长期温度变化，分析温度场的时变规律与分布模式；2. 通过理论推导，构建单层球面网壳非均匀热荷载的设计方法，并通过现场试验和数值模拟验证方法的有效性；3. 通过应用热荷载设计方法，研究结构的热效应及其影响因素。
结论：1. 单层球面网壳温度场具有强时变性和非均匀性特征，不均匀程度取决于热边界条件，分布模式取决于太阳与结构之间的位置关系；2. 运用理论推导完成温度场的简化计算，实现非均匀热荷载的设计，并通过实验和模拟对方法的有效性进行验证；3. 单层球面网壳的非均匀热效应显著强于均匀热效应，施工合拢时间是决定结构热效应的关键因素，合理安排合拢时间可以有效降低结构的热应力和变形。

关键词组：非均匀温度场；非均匀热荷载；非均匀热效应；单层球面网壳；时变环境因素

Development of underwater electric manipulator based on interventional autonomous underwater vehicle (AUV)

Xiaohui HU, Jiawang CHEN, Hang ZHOU, Ziqiang REN

DOI: 10.1631/jzus.A2200621 Downloaded: 885 Clicked: 1172 Cited: 0 Commented: 0(p.238-250) <Full Text> <PPT> 257

Chinese summary <21> 应用于作业式水下自主潜航器的水下电动机械手研发

作者：胡晓辉^1,2，陈家旺^1,2,3，周航^1，2，任自强^1,2
机构：¹浙江大学，海洋学院，中国舟山，316000；²浙江大学海南研究院，中国三亚，572000；³教育部海洋传感技术与装备工程研究中心，中国舟山，316021
目的：1.以水下轻量化水下电动机械臂为研究对象，探索水下电动机械臂和自主水下航行器（AUV）的集成技术，设计一套全新的适用于500m以上水深的水下机械臂。2.提高AUV的现场操作干预能力和自主作业能力，为海底探测取样作业提供更加有效、经济、方便、快速的手段，在海洋资源探测中发挥更大的作用。
创新点：1.以水下轻量化水下电动机械臂为研究对象，探索水下电动机械臂和AUV的集成技术，设计了一款全新的适应AUV搭载的水下电动机械手。2.该水下电动机械手的密封方式借鉴了深海液压系统的工作原理，采用压力补偿的方式提升电动机械手本身的耐压性和防水性，提升了电动机械手的适用水深和水下工作的可靠性。
方法：1.基于机器人运动学与动力学理论，进行仿真验证，并搭建水下电动机械手实验平台。2.进行陆上和水下的实验，完成轨迹的跟踪实验，并对水上水下和仿真实验的数据进行对比分析，得到水下电动机械手的轨迹跟踪精度，以验证该机械手的运行精度。
结论：1.在匀加速/减速过程中，机械手关节的运行更加稳定；在从匀减速到停止的过渡阶段有微量的过冲；在匀速运动过程中，关节角度跟踪不稳定，从波动幅度来看，误差范围约为0.01 rad。2.通过进一步分析机械手致动器的运动轨迹误差可以得出，机械手在空气中的绝对跟踪误差峰值约为18 mm，而在水下约为14 mm；机械手在水下的末端运动精度比在水中高，匀速时产生的振动幅度也比在空气中小得多。3.要提高机械臂系统的性能，需要设计更精确的控制系统；进行流体力学分析，还需要搭载配备视觉系统的AUV，以便在水下环境和实际海洋环境中进行下一步的自主操作实验。

关键词组：水下电动操纵器；逆运动学；轨迹规划；轨迹跟踪精度

Churning loss characteristics of a wet three-phase high-speed reluctance motor

Zhenzhou ZHANG, Mingzhu DAI, Chenchen ZHANG, Yi CHEN, Bin MENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300053 Downloaded: 888 Clicked: 1283 Cited: 0 Commented: 407(p.251-267) <Full Text> <PPT> 263

Chinese summary <17> 湿式三相高速磁阻电机搅拌损失的特性研究

作者：张震舟，戴铭柱，张晨晨，陈义，孟彬
机构：浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023
目的：传统干式电机在高速工况下存在动密封磨损和油液泄露等问题。1.本文通过电机湿式化提出一种湿式三相高速磁阻电机泵的新结构以去除动密封。2.简化电机泵结构并提高集成度，以通过油液的循环流动改善电机散热问题。3.集中研究电机湿式化后所引起的搅拌损失问题，为后续湿式电机搅油阻力矩的减阻优化提供一种较好的计算方法。
创新点：1.提出一种新型湿式三相高速磁阻电机泵，并通过O型密封圈来构成湿式耐高压结构，避免了高速工况下的动密封磨损、油液泄露和发热严重等问题；2.通过理论分析，推导出湿式电机搅油阻力矩的解析模型；3.基于计算流体力学（CFD）建立湿式电机搅油的仿真模型，并对其运行过程中所受到的阻力矩和内部流场状态进行分析；4.设计制造实验样机，搭建湿式电机搅油的实验台架，并测试不同转速和温度下的搅油阻力矩。
方法：1.通过理论分析，建立湿式电机搅油阻力矩的解析模型（公式(26)）；2.通过仿真模拟，对电机运行过程中内部流场状态（图9和10）与其受到的流体阻力矩（图11和12）进行分析，验证解析模型的有效性（图13和14）；3.通过湿式电机搅油样机和实验台架（图15和16）测试不同转速和温度下的搅油阻力矩，验证解析模型和仿真模拟的有效性（图19和20）。
结论：1.湿式三相高速磁阻电机泵的新结构能够去除传统动密封，使其无需克服动密封摩擦力；这大大简化了电机泵的结构，提高了集成度，使其可通过油液的循环流动改善电机散热问题。2.电机搅油阻力矩与内部流场参数之间存在映射关系，因此可通过建立解析模型实现关联表征；通过CFD对湿式电机搅油进行仿真模拟，能够验证解析模型的有效性，为电机流场求解提供一种较好的方法。3.实验结果验证了解析模型和仿真模拟的有效性；三者的搅油阻力矩在不同转速、不同温度下的曲线趋势吻合良好，为后续湿式电机搅油阻力矩的减阻优化提供了一种较好的计算方法。4.在高速运转过程中，电机的侧面搅油阻力矩占总搅油阻力矩的比重很大，所以如何优化电机结构参数以减小其侧面搅油阻力矩是该湿式电机能否得以成功应用的关键所在。

关键词组：电机泵；湿式电机；搅拌损失；解析模型；计算流体力学（CFD）

Synthesis and characterization of three new solid polyoxometalates based on Wells-Dawson-derived sandwich-type polyanions [Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-

Jijie YE, Xuan XU, Chuande WU

DOI: 10.1631/jzus.A2300250 Downloaded: 729 Clicked: 956 Cited: 0 Commented: 0(p.268-274) <Full Text> <PPT> 246

Chinese summary <18> 制备与表征基于Wells-Dawson三明治型多酸阴离子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-的三种新型固态杂多酸材料

作者：叶吉接，胥璇，吴传德
机构：浙江大学，化学系，中国杭州，310058
目的：本文旨在研究Wells-Dawson三明治型杂多酸阴离子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-的配位能力、夹心金属离子的稳定性以及氧化还原性质，以拓展有机-无机杂化材料的种类。
创新点：1.首次以Wells-Dawson三明治型杂多酸阴离子[Co₄(H₂O)₂(P₂W₁₅O₅₆)₂]^16-制备了有机-无机杂化材料；2.首次实现在温和条件下取代Wells-Dawson三明治型杂多酸阴离子中的夹心金属离子。
方法：1.在温和条件下合成[Co₈(H₂O)₃₄(pz)₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·16H₂O，[H₃O]₄[Co₆(H₂O)₂₂(pz)₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·21H₂O和[H₃O]₄[Co₆(H₂O)₂₂{Co₄(H₂O)₂P₄W₃₀O₁₁₂}]·29H₂O三种杂多酸固态材料；2.利用X-射线单晶衍射、傅里叶红外谱图、X-射线粉末衍射、热重分析和循环伏安曲线等测试与表征方法对合成的三种杂多酸固态材料进行结构和性质分析。
结论：在温和条件下制备由Wells-Dawson三明治型{Co₄P₄W₃₀}杂多酸构筑的三种固态配位材料，发现夹心环带中的金属阳离子能够影响杂化材料的骨架结构。此外，首次证明夹心环带中的金属阳离子在相对温和的条件下容易被环境中的过渡金属离子取代。本研究为合理设计和组装具有潜在应用前景的有机-无机杂化材料提供了有益参考。