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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2016 Vol.17 No.9 P.677-758
Articles
Cao Wang, Quan-wang Li, Long Pang, A-ming Zou
DOI: 10.1631/jzus.A1500342 Downloaded: 2466 Clicked: 4518 Cited: 1 Commented: 0(p.677-688) <Full Text><PPT> 1956
创新点：1. 假定衰减函数服从5种常见的概率分布，讨论可靠度分析结果的差异；2. 当衰减函数的概率分布（或各概率分布的权重）未知时，提出平均可靠度的分析方法。
方法：假定承载力是完全相关的随机过程，在其概率分布未知的情况下:（1）假定5种常见的概率分布，对结构可靠度进行分析和比较；（2）将时变可靠度的计算公式Taylor展开，转化为关于衰减函数一阶矩和二阶矩的函数，推导平均可靠度的计算方法（公式18）。
结论：1. 不同的衰减函数概率分布对结构可靠度的影响显著；2. 利用本文提出的方法，在衰减函数概率的分布（或各概率分布的权重）未知时，可以得出结构可靠度的合理评估。
关键词组：时变可靠度；劣化模型；平均可靠度；误差分析；结构安全
Dong-Ming Yan, Hua-Wei Yin, Cheng-Lin Wu, Yan-Long Li, Jason Baird, Gen-Da Chen
DOI: 10.1631/jzus.A1600480 Downloaded: 2953 Clicked: 5502 Cited: 0 Commented: 0(p.689-701) <Full Text><PPT> 2338
创新点：1. 对活性瓷釉涂层钢筋混凝土防护墙进行爆炸荷载作用下的破坏试验；2. 通过数值模拟，探究活性瓷釉钢纤维对钢筋混凝土结构抗爆能力的影响，为结构设计提出建议。
方法1. 通过对活性瓷釉涂层钢筋防护墙进行爆炸试验（图2），揭示活性瓷釉涂层钢筋混凝土结构的动力破坏特征（图4和5）；2. 通过数值方法研究活性瓷釉涂层对钢筋混凝土防护墙抗爆性能的影响，揭示在不同钢筋-混凝土粘结强度时钢筋混凝土结构整体性的变化规律（图10、13和15）；3. 在爆炸试验和数值分析基础上，提出活性瓷釉涂层钢筋混凝土结构抗爆设计建议（图16）。
结论：1. 活性瓷釉涂层能够显著改善钢筋在混凝土结构中的传力性能；在爆炸荷载作用下，涂层钢筋混凝土结构的破坏程度明显减轻。2. 活性瓷釉涂层能够显著改善钢筋混凝土结构的变形特性，并显著增强其耗能能力。3. 在采用活性瓷釉涂层进行抗爆设计时，采用直径较小的钢筋可提高结构的吸能能力。
关键词组：活性瓷釉涂层；爆炸荷载；破坏模式；粘结力；有限元模型
Mathematical models of steady-state temperature fields produced by multi-piped freezing
Xiang-dong Hu, Wang Guo, Luo-yu Zhang, Jin-tai Wang, Xue Dong
DOI: 10.1631/jzus.A1600211 Downloaded: 2596 Clicked: 3972 Cited: 1 Commented: 0(p.702-723) <Full Text><PPT> 2157
创新点：1. 基于势函数叠加原理，确立人工地层冻结中少量管冻结稳态温度场的通用求解方法；2. 建立任意布置的3根和4根非等温冻结管下冻结稳态温度场数学模型，获得其解析解通解及特解。
方法：1. 通过理论分析，将冻结管简化为热汇点源，确定人工地层冻结热势的拉普拉斯方程表述；2. 应用势函数叠加原理建立少量管冻结稳态温度场的通用求解方法；3. 建立少量管冻结稳态温度场的数学模型，通过理论推导获得温度场解析解；4. 通过数值模拟，验证所提方法、数学模型和解析解的正确性和准确性。
结论：1. 将冻结管简化为点源（热汇），其冻结形成的热势场服从拉普拉斯方程，其解即为热势函数；2. 多根冻结管冻结时，将单根冻结管的热势函数叠加，由冻结管的位置决定每根冻结管的热流，再根据边界条件定解。这一方法（即势函数叠加法）可以用于任意布置冻结管冻结稳态温度场解析解的求解；3. 将冻结管简化为点源导致获得的解析解存在一定的误差，但误差仅发生在冻结管附近极小的范围内，并且误差微小，完全满足工程上的精度要求。
关键词组：人工地层冻结法；少量管冻结；稳态；温度场；解析解；势函数
Design of an ultrasonic motor with multi-vibrators
Chong Li, Cun-yue Lu, Yi-xin Ma, Shi-yang Li, Wei-qing Huang
DOI: 10.1631/jzus.A1500316 Downloaded: 2948 Clicked: 4484 Cited: 1 Commented: 0(p.724-732) <Full Text><PPT> 2058
创新点：1. 提出圆周面内驱动的概念，发展已有的面内驱动概念（x-y面）；2. 提出一种模态转换方法, 通过多个振子弯曲振动的叠加形成设计电机的扭转振动；3. 电机工作时，不仅各个振子处于共振状态，而且连接而成的定子同样处于共振状态，有 利于提高电机的效率；4. 验证多振子同步驱动的机理。
方法：1. 振子采用贴片式结构，由极化方向沿厚度方向的压电陶瓷和金属基体粘结而成；与使用兰杰文振子相比，使用贴片式振子易于简化电机的结构。2. 各个振子首尾相连形成电机的定子，既可用于构造直线电机，又可转换成旋转电机。3. 通过有限元方法对不同振子数构成的电机定子进行性能比较，并且分析设计电机的驱动机理；此外，通过仿真分析确定电机的最优尺寸。4. 根据设计结果，加工原理样机，并且对加工的样机进行实验研究，探讨设计方法的可行性。
结论：1. 根据仿真分析结果，最终加工的电机定子包含5个振子。2. 定子中各个振子的振动特性完全相同，振子同步工作。3. 样机定子的内径为28 mm，外径为35 mm，高为30 mm；测得定子的纵振和扭转频率分别为44.42 kHz和43.83 kHz；当激励电压的频率为43.9 kHz、峰值为100 V时，电机的空载转速为45 r/min，堵转力矩为0.3 N·m，最大效率约为30%。4. 本文所设计的电机，是一种多振子并行驱动的整体式电机，具有结构紧凑和多振子同步工作等优点，能够克服常规的多振子电机在协同工作时出现的不同步问题；该设计方法可以为多振子电机的设计提供理论基础，推动超声电机在并行驱动方面的应用。
关键词组：超声电机；驻波；面内振动；多振子
Kai Zhang, Hong-bing Xiong, Xue-ming Shao
DOI: 10.1631/jzus.A1500203 Downloaded: 2942 Clicked: 4839 Cited: 1 Commented: 0(p.733-744) <Full Text>
创新点：1. 建立微纳米颗粒的受力和运动模型；2. 推导颗粒粒径和斯托克斯数的关系，确定颗粒绕流的临界尺寸；3. 确定适于微纳米颗粒的喷涂 距离。
方法：1. 通过颗粒运动和传热的三维模型，模拟颗粒在等离子体流场中的运动和传热过程；2. 对流场采用欧拉法进行求解，对颗粒采用拉格朗日法进行求解；3. 动态追踪颗粒的轨迹和空间分布，从而得到颗粒的速度、温度和空间分布。
结论：1. 布朗力会影响纳米颗粒的分布；现有模型可以很好地模拟微纳米颗粒的行为。2. 可以用斯托克斯数和粒径表征微纳米颗粒绕流的临界尺寸；当前工况下，临界粒径约为800 nm。3. 基板会影响流场结构和颗粒的空间分布；在当前研究中，得出有利于纳米颗粒沉积的喷涂距离约为50 mm；对微米颗粒来说，喷涂距离应适当增大。4. 微纳米颗粒的空间分布呈现不同的特点；纳米颗粒的分布区间更大，布朗力对纳米颗粒的作用比对微米颗粒更为显著。5. 微纳米颗粒的运动和传热过程呈现不同的特点；纳米颗粒的惯性和热容小，因此它们的速度和温度变化更迅速。
关键词组：悬浮等离子体喷涂；斯托克斯数；布朗力；多相流；固体-流体相互作用
Yan-jie Wei, Guo-yi Li
DOI: 10.1631/jzus.A1500289 Downloaded: 2595 Clicked: 5289 Cited: 0 Commented: 0(p.745-757) <Full Text><PPT> 2006
创新点：1. 分析出膜表面累积的胞外蛋白是膜污染严重和过膜压力增大的关键诱因；2. 基于Yusuf Chisti和Murray Moo Young提出的气提液体上升流速模型，结合胞外蛋白变化趋势，提出降低过膜压力上升速度和缓解膜污染进程的有效措施；3. 针对处理港口含油废水的生物系统进行种群结构研究及优势菌属的分离与鉴定。
方法：1. 借助环境扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱仪（EDX）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）等分析手段表征膜污染物的主要成分；2. 基于Yusuf Chisti和Murray Moo Young提出的气提液体上升流速模型，提出缓解膜污染进程的措施，并验证所提措施的有效性（图3和9）；3. 通过巢式PCR-DGGE技术对处理港口含油废水的膜生物反应器不同运行阶段的微生物群落结构进行研究，并采用克隆技术对优势微生物进行菌种鉴定（图10和表3）。
结论：1. 采用一体化厌氧/好氧-膜生物反应器来处理港口含油废水的优点是对有机污染物和油类等污染物的去除效率高，但在其运行过程中膜污染严重。2. 分析发现胞外聚合物是引起膜污染物的主要因素（图3~6）；组分分析进一步表明膜表面累积的胞外蛋白是膜污染严重和过膜压力增大的关键诱因（图7~9）。3. 通过增大反应器曝气量，调整反应器结构参数可有效降低过膜压力上升速度，缓解膜污染进程。4. 反应器内细菌群落结构平稳。5. 克隆测序结果表明：膜生物反应器内丛毛单胞菌属在低曝气环境下繁殖能力强，且可能是引起膜污染的特征微生物；红环菌科细菌更适应高曝气条件，是降解含有油类污染物的特征细菌。
关键词组：膜污染；胞外聚合物；港口含油废水；群落结构
Zhi-long Huang, Xiao-ling Jin, Rong-hua Huan, Wei-qiu Zhu
DOI: 10.1631/jzus.A15e0345 Downloaded: 2131 Clicked: 3916 Cited: 0 Commented: 0(p.758-758) <Full Text>