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

2025 Vol.26 No.2 P.87-176

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS

Review

Review: State-of-the-art and knowledge gaps in gaseous hydrogen pipelines: from the perspective of materials, design, and integrity management

Zhengli HUA, Ruizhe GAO, Baihui XING, Juan SHANG, Jinyang ZHENG, Wenzhu PENG, Yiming ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2300620 Downloaded: 1187 Clicked: 1040 Cited: 0 Commented: 0(p.87-108) <Full Text> <PPT> 12

Chinese summary <2> 氢气管道发展现状及挑战：从材料、设计以及完整性角度

作者：花争立，高睿哲，邢百汇，尚娟，郑津洋，彭文珠，赵益明
机构：浙江大学，能源工程学院，特种装备研究所，中国杭州，310027
概要：本文回顾了氢气管道及天然气管道掺氢的发展现状。本文涵盖材料的氢相容性、氢气管道的设计方法、气体输送工艺、管道完整性评价与在线检测技术，以及天然气管道掺氢的评价方法。在此基础上，进一步指出了氢气管道建设过程中面临的一些挑战：1.氢气管道中高强钢的应用；2.高质量的氢气管道设计方法；3.管道中氢气流速的选择；4.现有天然气管道掺评价方法。最后，对未来发展方向提出了一些建议。

关键词组：氢气管道；氢脆；标准；管道设计；氢气流速

Research Article

Structural optimization of the rotary valve in a two-stage Gifford-McMahon-type pulse-tube cryocooler working at liquid helium temperatures

Qinyu ZHAO, Jun CHENG, Yanrui ZHANG, Haoren WANG, Bo WANG, Ruize LI, Hua ZHANG, Zhihua GAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300638 Downloaded: 727 Clicked: 1513 Cited: 0 Commented: 0(p.109-120) <Full Text> <PPT> 14

Chinese summary <1> 液氦温区Gifford-McMahon脉管制冷机的旋转阀结构优化

作者：赵钦宇¹，程君²，张艳瑞²，王浩任^2,3，王博²，李睿泽^2,3，张华¹，甘智华^2,3
机构：¹上海理工大学，能源与动力工程学院，中国上海，200093；²浙大城市学院，浙江省制冷与低温重点实验室，中国杭州，310015；³浙江大学，浙江省制冷与低温重点实验室，中国杭州，310027
目的：液氦温区Gifford-McMahon（GM）脉管制冷机以其长寿命和低振动等优势逐渐成为量子科技和低温物理等尖端科学领域的理想制冷源，但现有旋转阀部件中的不可逆损失严重限制了其在液氦温区的制冷效率。本文旨在提升液氦温区GM脉管制冷机的制冷性能。针对GM脉管制冷机的关键部件旋转阀，本文开发了以泄露损失和流阻损失为指标的㶲损评估方法，优化了旋转阀的结构并基于实验进行了验证，以期为液氦温区高效大冷量的GM脉管制冷机的开发提供参考。
创新点：1.通过交变流动旋转阀㶲损失方程，构建以泄露损失和流阻损失为指标的GM脉管制冷机旋转阀㶲损评估方法；2.搭建实验测试平台，对旋转阀烟损失进行定量测算；3.完整开展从㶲损失理论分析到旋转阀关键部件优化再到实际制冷机性能提升的闭环研究。
方法：1.通过理论分析，推导获得旋转阀内㶲损失特性与操作参数的定量关系(公式(2)~(6))；2.分别搭建旋转阀泄漏流量测试平台(图3)和㶲损失评估平台(图5)，并根据实验平台定量分析不同运行频率、充气压力和负载对旋转阀㶲损失分布的影响；3.通过Sage软件计算旋转阀流阻损失对脉管制冷机制冷性能的影响情况(图9)，并结合实际工艺扩大现有旋转阀的流通面积；4.通过旋转阀㶲损失分析和脉管制冷机性能测试的方法验证所述理论。
结论：1.在液氦温区GM脉管制冷机内的旋转阀中，流阻损失占97.5%以上，泄露损失只占2.5%，因此流阻损失是主要的㶲损失；2.旋转阀流通面积扩大1.5倍后其内流阻显著降低，且压缩机输出㶲可提高1.2~1.5倍；3.使用低流阻旋转阀驱动同一台制冷机冷头时，脉管制冷机可获得0.78 W@4.2 K制冷量，且制冷性能提高约16.4%。

关键词组：旋转阀；㶲分析；液氦温区；GM脉管制冷机；高效制冷

Kinematic modeling and stability analysis for a wind turbine blade inspection robot

Jindan WANG, Xiaolong MA, Xinghan ZHU, Xin WANG, Lan ZHANG, Binrui WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300619 Downloaded: 669 Clicked: 1360 Cited: 0 Commented: 0(p.121-137) <Full Text> <PPT> 11

Chinese summary <2> 风电叶片检测机器人运动建模与稳定性分析

作者：王金丹¹，马小龙¹，朱星翰¹，王鑫²，张兰²，王斌锐¹
机构：¹中国计量大学，机电工程学院，中国杭州，310018；²之江实验室，中国杭州，311121
目的：目前大多数风电叶片检测机器人体积重量较大，且无法方便地检测叶片主梁隐患。本文旨在设计一种体积小、重量轻、效率高的风电叶片主梁检测机器人以实现对风电叶片主梁隐患的检测。
创新点：1.提出轮翼复合机器人的设计方案；2.设计一种曲面自适应扫查机构；3.实现叶片曲面截面的规则化处理；4.建立轮式机器人曲面上位姿描述方法。
方法：1.建立机器人整机模型，并针对风电叶片的非规则曲面设计变曲率曲面自适应检测装置；2.为准确描述叶片表面的弧形特征，采用叶素截面微分和最小二乘拟合椭圆的方法对不规则截面曲线进行数值分析，建立机器人在不同截面特征下的位姿描述方程，并确定机器人在非结构化环境中的可稳定移动范围；3.基于虚拟样机技术，对机器人在叶片上不同位置的运行状态进行仿真，并通过样机测试实验验证机器人设计的合理性。
结论：1.风电叶片可采用基于叶素理论微分和椭圆拟合的方法进行规则化处理；2.曲面上轮式机器人位姿描述可由单轮位姿描述推广到多轮位姿描述；3.本文设计的轮翼复合机器人仅靠车轮与叶片表面的摩擦力就能够在与竖直方向呈±14.06°夹角的区域内以0.25 m/s的速度在实验叶片上方稳定行走和停留，且同时可实现以0.10 m/s的速度对叶片主梁区域自适应耦合扫查。

关键词组：复合机器人；风电叶片；变曲率曲面；稳定性;无损检测

Parameter matching and optimization of hybrid excavator swing system

Chao SHEN, Jianxin ZHU, Jian CHEN, Saibai LI, Lixin YI

DOI: 10.1631/jzus.A2400040 Downloaded: 598 Clicked: 1143 Cited: 0 Commented: 0(p.138-150) <Full Text> <PPT> 16

Chinese summary <2> 混合动力挖掘机回转系统的参数匹配与优化

作者：沈超^1,2，朱建新^1,2，陈健¹，李赛白²，易李欣^1,2
机构：¹中南大学，极端服役性能精准制造全国重点实验室，中国长沙，410083；²山河智能装备股份有限公司，国家企业研发中心，中国长沙，410100
目的：挖掘机等工程机械的回转系统在回转加速-制动过程中存在严重的溢流能量损失。本文旨在探究混合动力回转节能系统及其参数匹配、优化方法，以获得综合性能最优的系统参数组合，实现回转能量高效回收再利用，降低回转系统能耗。
创新点：1.提出一种耦合式回转能量再生混合动力系统（SSEHS），并阐述其工作原理和节能机制；2.考虑系统多目标优化和条件约束，设计多目标优化粒子群算法，获得综合性能最优的参数组合方案；3.基于物理样机测试数据，建立仿真模型，证实节能系统和算法有效性。
方法：1.基于挖掘机传统液压回转系统和液压储能原理，构建耦合式回转能量再生混合动力系统；2.通过理论推导，设计一种基于自适应网格的改进多目标粒子群（IMOPSO）算法，计算得到综合性能最优的系统参数组合；3.根据节能系统结构和工作原理，设计基于参数规则的控制策略；4.通过物理样机数据和仿真模拟，验证所提回转节能系统和参数优化方法的可行性和有效性。
结论：1.与传统回转系统相比，所提回转节能系统回转加速过程中显著减小主泵所需输出压力；2.所提回转节能系统能耗降低约51.4%，参数优化后节能效率又提高13.2%；3.与传统回转系统相比，所提回转节能系统可降低78.3%溢流能量损失。

关键词组：混合动力系统；能量再生；回转制动能量；参数优化；自适应网格；改进多目标粒子群算法

A novel shear damage model of the shear deformation and failure process of gas hydrate-bearing sediments

Hui WANG, Bo ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2300373 Downloaded: 624 Clicked: 1033 Cited: 0 Commented: 0(p.151-165) <Full Text> <PPT> 15

Chinese summary <2> 一种描述水合物沉积物剪切变形破坏过程的新型剪切损伤模型

作者：王辉^1,2，周博¹
机构：¹中国石油大学(华东)，储运与建筑工程学院，中国青岛，266580；²武汉大学，水工程科学研究院，中国武汉，430072
目的：水合物开采造成的水合物饱和度降低严重影响了水合物储层的宏观力学响应，进而引起储层失稳和海底滑坡等灾害。基于水合物沉积物的微观变形机制，本文旨在提出可以考虑水合物含量影响的水合物沉积物的剪切损伤本构模型。
创新点：1.基于均匀化理论和修正摩尔-库伦准则，提出了水合物沉积物的剪切损伤本构模型；2.采用该模型研究了模型参数的物理意义和水合物沉积物剪切变形破坏的细观机制。
方法：1.通过分析水合物沉积物剪切变形的微观机制，基于均匀化理论建立水合物沉积物的剪应力分配方程；2.基于统计损伤力学和考虑水合物饱和度的修正摩尔-库仑强度准则，建立水合物沉积物的剪切损伤本构模型；3.将理论预测结果与试验结果进行对比，验证所提模型的可行性和有效性。
结论：1.该剪切损伤模型通过引入损伤力学，可以预测水合物沉积物的变形破坏特征，特别是水合物胶结破坏引起的应变软化特征；实验结果与理论结果比较表明，该剪切损伤模型能够较好地模拟水合物沉积物的剪切应力-剪切位移曲线全过程。2.分布参数F₀主要反映水合物沉积物的统计平均宏观强度，而分布参数m主要影响水合物沉积物剪切应力曲线的峰后形态。3.本研究提出的剪切损伤模型能够更好地描述剪切过程中水合物沉积物内部的损伤演化和剪应力分配机制，揭示了细观损伤演化、细观应力分配与宏观力学行为之间的跨尺度关系，因此该方法能更准确地反映含天然气水合物沉积物的非线性变形和应变软化特征。

关键词组：水合物沉积物；剪切损伤模型；均匀化理论；修正摩尔-库伦模型；损伤演化

A molecular dynamics simulation study on the tensile and compressive behavior of hydrated kaolinite

Ming LU, Qiufeng DIAO, Yuanyuan ZHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300645 Downloaded: 757 Clicked: 1345 Cited: 0 Commented: 0(p.166-176) <Full Text> <PPT> 14

Chinese summary <2> 含水高岭石拉伸和压缩性能的分子动力学模拟研究

作者：陆明^1,2，刁秋凤^1,2，郑媛媛^1,2
机构：¹中山大学，土木工程学院，中国广州，510275；²广东南方海洋科学工程实验室，中国珠海，519082
目的：在深海深地等环境中，含水的黏土矿物会受到极高的应力作用从而导致矿物发生结构破坏。本文旨在通过分子动力学方法模拟含水高岭石在单轴拉伸和压缩作用下的物理变化，研究极端高应力条件下黏土矿物的力学机理。
创新点：1.分析了层间水膜对高岭石拉伸和压缩性能的削弱机制；2.研究了纳米层级拉伸和压缩的断键和失效过程。
方法：1.建立层间含有1~4层水膜的高岭石模型，模拟含水高岭石的单轴拉伸和压缩实验，并解析水膜的削弱机理；2.通过分析原子对的相互作用能，得出高岭石片层受拉时的断键顺序；3.通过分析不同结构的非键能，研究结构从压缩到压碎的过程。
结论：1.含水高岭石的拉伸强度被削弱是因为层间水分子的不稳定扩散，而压缩强度的减小是因为水膜增加了高岭石堆叠物的体积；2.当受到强拉伸作用时，高岭石片层的共价键断裂的先后顺序为Ao···Oh、St···Ob和Ao···Ob；3.当受到强压缩作用时，首先是水膜被压缩，随后是片层被压碎。

关键词组：高岭石；单轴应变；分子动力学；水膜