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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2014 Vol.15 No.9 P.681-760
Mechanical and Civil Engineering
A terminal sliding mode based torque distribution control for an individual-wheel-drive vehicle
Pan Song, Chang-fu Zong, Masayoshi Tomizuka
DOI: 10.1631/jzus.A1400101 Downloaded: 3462 Clicked: 11086 Cited: 5 Commented: 0(p.681-693) <Full Text><PPT> 2390
创新要点：本文创新性地将终端滑模控制应用到底盘集成控制系统以实现车辆纵向、侧向及横摆运动的联合控制；本文提出了一种新颖的转矩分配控制策略，将复杂的有约束控制分配问题分解至若干个简单的无约束分配子问题。
研究方法：本文采用分层式协调控制方案（图1），应用非奇异和全局快速终端滑模控制方法设计运动控制器，提出一种基于伪逆矩阵的有约束转矩分配策略，应用驾驶员最优预瞄加速度模型来描述和分析人-车闭环系统的运动响应，通过MATLAB/Simulink和CarSim的联合仿真对所设计的四轮独立驱动汽车转矩分配方法进行对比验证。所设定的三个仿真工况包括：开环方向盘角阶跃输入（图6、7及表2）、闭环双移线工况（图8-10）和闭环对开路面制动（图11-15），分别用以测试车辆横摆、侧向及纵向方向上的动力学响应。
重要结论：本文提出的基于终端滑模控制的四轮独立驱动汽车转矩分配方法将车辆的稳态转向特性由不足转向转变为中性转向，驾驶员从而能更容易地操纵车辆而不需要对汽车的非线性响应做出额外的转向补偿。与此同时，该分配方法在不影响车辆侧向稳定性的前提下可以准确地响应驾驶员的加速/制动意图。仿真结果表明终端滑模控制器相比传统滑模控制方法在车辆纵向、侧向、横摆方向上的运动控制效果均有一定程度地提高，而有约束的力分配器更可以明显地提高车辆的操纵性和稳定性。综合评价表明，所提出的基于终端滑模控制的四轮独立驱动汽车转矩分配方法获得了最佳的控制性能，符合设计要求。
关键词组：汽车动力学；底盘集成控制；驾驶员模型；终端滑模控制；控制分配
Study on the safety of operating high-speed railway vehicles subjected to crosswinds
Xin-biao Xiao, Liang Ling, Jia-yang Xiong, Li Zhou, Xue-song Jin
DOI: 10.1631/jzus.A1400062 Downloaded: 4193 Clicked: 12761 Cited: 9 Commented: 0(p.694-710) <Full Text><PPT> 2577
创新要点：首次提出了考虑多种影响因素和脱轨评价指标的高速列车脱轨安全域分析方法，并运用到了高速铁道车辆风致安全性研究中。
研究方法：基于车辆-轨道耦合动态响应及多种安全性评价指标得到横风作用下高速铁道车辆的安全运行区域和脱轨区域。
重要结论：铁道车辆安全性评价指标中，轮重减载率对横风激励最为敏感，其确定了强风作用下高速车辆安全运行区域的边界。
关键词组：高速铁路；高速列车；横风；安全边界；脱轨
Hong-yan Wang, Li-hua Tang, Yuan Guo, Xiao-biao Shan, Tao Xie
DOI: 10.1631/jzus.A1400124 Downloaded: 3917 Clicked: 12387 Cited: 10 Commented: 0(p.711-722) <Full Text><PPT> 2585
创新要点：建立了一种两自由度压电-电磁复合能量收集器发电性能的数学模型，该数学模型可以评估两自由度压电-电磁复合能量收集器中压电元件、电磁元件以及系统总输出功率。
研究方法：对一种两自由度的压电-电磁复合能量收集器进行数学建模，并实验验证数学模型的正确性。基于实验测试得到的系统参数值，理论研究压电元件和电磁元件的机电耦合系数对不同能量收集器发电性能的影响关系，并对几种能量收集器的发电能力进行对比分析。
重要结论：对于非强耦合（弱或中间耦合）的两自由度机电转换器，复合能量收集器（压电+电磁）具有比单一能量收集器（压电或电磁）更高的发电能力。
关键词组：振动；复合能量收集；两自由度模型；压电；电磁
Cheng-ping Zhang, Kai-hang Han, Qian Fang, Ding-li Zhang
DOI: 10.1631/jzus.A1400014 Downloaded: 2957 Clicked: 7621 Cited: 4 Commented: 0(p.723-731) <Full Text><PPT> 2191
创新要点：基于霍克-布朗准则，采用泛函突变理论推导得到了深埋隧道塌方体形状曲线的解析表达式，并据此分析了围岩参数变化对塌方体形状的影响规律。
研究方法：通过理论分析建立深埋圆形隧道的解析模型（图1），采用泛函突变理论推导基于霍克-布朗准则的隧道塌方体形状曲线解析表达式，并研究围岩参数变化对塌方体形状的影响规律（图3和4，表2）。通过与自然拱理论和模型试验结果的对比（图5-7）验证本文解析解的正确性。
重要结论：采用泛函突变理论推导了基于霍克-布朗准则的深埋隧道塌方体形状曲线解析表达式。该解析表达式简洁直观，不仅可以预测无支护条件下隧道的塌落体尺寸，还可以估算塌落围岩作用于衬砌上的荷载。
关键词组：深埋隧道；隧道塌方；泛函突变理论；霍克-布朗准则
Mechanics
Bao-long Li, Yi-fan Wang, Jing-hai Gong
DOI: 10.1631/jzus.A13b0287 Downloaded: 2750 Clicked: 5445 Cited: 1 Commented: 0(p.732-742) <Full Text><PPT> 292
创新要点：目前存在的细胞模型很少考虑微丝束对细胞力学特性的重要作用。本文基于细胞找形模型模拟了同时包含微丝和微丝束的细胞骨架网络结构，并且分析了细胞中微丝束的排列方向、微丝束的含量以及微丝波动对细胞刚度的影响。
研究方法：基于找形模型，随机生成由微丝、微丝束（梁单元）以及交联蛋白（索单元）形成的细胞骨架网络结构，依靠非线性有限元计算和样本统计，计算出模型的弹性模量。通过分别改变模型中微丝束的排列方向、微丝束的含量以及模型初始最大位移等参数，得出细胞骨架模型的弹性模量随这些参数的变化趋势，以此来研究微丝束对细胞刚度的影响。
重要结论：细胞骨架网络中微丝的波动会导致细胞刚度降低；与拉伸方向平行排列的微丝束可以显著地提高细胞的刚度，相比之下随机分布的微丝束对细胞刚度没有贡献；在微丝材料总量固定的情况下，细胞刚度随着平行排列微丝束含量的增加呈现出先升高后降低的趋势。
关键词组：细胞骨架网络；找形模型；弹性模量；微丝束
Environmental Engineering
Xiang Hu, Li Xie, Chuang Mi, Dian-hai Yang
DOI: 10.1631/jzus.A14b0066 Downloaded: 3555 Clicked: 7361 Cited: 0 Commented: 0(p.743-752) <Full Text><PPT> 291
创新要点：成功建立了缺氧/厌氧/好氧/后缺氧工艺的活性污泥数学模型，甄别出对模型输出有显著影响的灵敏性参数。
研究方法：通过呼吸试验获取进水水质特征，利用BioWinTM软件平台及其内嵌的通用活性污泥数学模型，建立该工艺的模拟模型，利用模型缺省值进行初步稳态模拟，借助灵敏度分析方法筛选出重要的化学计量学参数及动力学参数并进行模型校正，利用校正后的模型对该工艺进行了动态模拟。
重要结论：灵敏度分析可优化模型的校正过程，该工艺出水水质对异养菌（OHOs）和氨氧化菌（AOB）（YH、μmaxH、Ks、bH、μmaxA、KNH4A和baeroa,A）的灵敏度较高。校正后的模型稳态模拟出水水质（pH、COD、TN、NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N和TP）控制在与实测出水相应的95%置信区间内（图5），表明稳态模型建模成功，在此基础上运行的动态模拟准确地反映了工艺实际运行中的浓度变化趋势（图6），具有良好的模拟效果。
关键词组：活性污泥模型；模拟；校正；验证；灵敏度分析
Scenarios for vehicular air pollutant emissions abatement: a case study in Hangzhou, China
Qing-yu Zhang, Xin-xing Li, Wei-li Tian, Ang-yi Fu, Wei-fei Du, Cui Wang
DOI: 10.1631/jzus.A1400013 Downloaded: 3070 Clicked: 6143 Cited: 2 Commented: 0(p.753-760) <Full Text><PPT> 2204
创新要点：综合不同管理措施，整合评价多种管理措施并行条件下，机动车污染物排放量的削减情况。
研究方法：通过长期能源替代计划（LEAP）模型对机动车保有量进行预测，相关排放因子采用校正的能源替代（AER）模型进行估算。最后设计四个情景模式，评估不同情景的减排效果，并与基础情景进行对比。
重要结论：1. 至2015年杭州市机动车将增长60.7%。2. 淘汰超标机动车和提高机动车污染排放标准能有效控制CO和VOCs，而对NOx和PM的总量削减效果不明显。3. 采用多种控制手段，如淘汰劣化超标机动车、提高机动车排放标准、提供低硫代燃油及引进能源替换型机动车将大大减少机动车污染物的排放量。
关键词组：削控策略；减排；情景分析；机动车保有量