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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2025 Vol.26 No.1 P.1-86
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Research Articles
Xinyue LU, Min LIAO, Xiaomei XIE, Hao QIU, Feng YUAN, Zhe LUO, Chunlin FAN
DOI: 10.1631/jzus.A2400271 Downloaded: 373 Clicked: 703 Cited: 0 Commented: 0(p.1-20) <Full Text><PPT> 6
机构：1浙江大学，环境与资源学院，浙江省农业资源与环境重点实验室，中国杭州，310058；2环境与资源国家级实验教学示范中心（浙江大学），中国杭州，310058；3宁波费尔诺生物科技有限公司，中国宁波，315502
目的：本文旨在探究漆渣生物质（LBM）对Pb2+和染料甲基蓝（MB）或刚果红（CR）两者的同步去除能力以及之间存在的竞争吸附行为，从而揭示其应用潜力，以期为印染废水中重金属和染料复合污染的同步处理提供一种廉价易得且绿色环保的生物质材料，实现以废治废的目标和废弃物资源化利用。
创新点：1.发现LBM可作为同步去除重金属和染料复合污染（Pb2+-MB/CR）的新型吸附材料；2.揭示氢键作用、络合作用、π-π键相互作用和静电作用等是LBM与Pb2+和染料MB或CR间的主要作用机制。
方法：1.通过单因素实验分析，探究LBM同步吸附去除Pb2+-MB/CR复合体系的能力及其影响作用，并分析其吸附动力学、等温吸附及吸附热力学特征；2.以吸附能力之比Rq,i（公式(9)）对Pb2+和MB或CR之间的相互作用进行评估，并以常见的共存阴阳离子为例探究其对Pb2+-MB/CR复合体系吸附的作用；3.对复合体系的吸附态分别采用三种不同解吸剂进行解吸，了解LBM吸附态的稳定性及LBM在吸附后的再生循环利用潜力；4.通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）及傅里叶红外光谱（FTIR）表征其吸附行为。
结论：1.准二级动力学模型（R2>0.97）可以描述Pb2+-MB/CR复合体系的吸附动力学；在两种体系中，在一定范围内适当增加LBM的投加量和体系温度有利于Pb2+-MB/CR复合体系的吸附；最佳固液比和温度分别为1:75和30 °C；对Pb2+和MB的吸附去除率随着pH的升高而升高，随着溶液中离子强度的增加而降低，而对CR的去除率则相反。2.在Pb2+-MB复合体系中，吸附呈拮抗关系，而在Pb2+-CR复合体系中，两者存在协同吸附过程；上述两种体系中，共存阴阳离子对同步吸附去除Pb2+、MB和CR的影响有限。3.解吸结果表明，LBM可作为一次性材料同时处理Pb2+-MB/CR复合体系。4. LBM的结构以及各种无机和有机成分对Pb2+-MB/CR复合体系的同步吸附做出贡献；表征结果显示两种复合体系的吸附主要受氢键作用、络合作用、π-π键相互作用和静电作用等共同控制。
关键词组：漆渣生物质；铅；亚甲基蓝；刚果红；同步吸附去除
Dynamic performance of a high-speed train exiting a tunnel under crosswinds
Yanlin HU, Xin GE, Liang LING, Chao CHANG, Kaiyun WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300610 Downloaded: 588 Clicked: 1065 Cited: 0 Commented: 0(p.21-35) <Full Text><PPT> 4
机构：1西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031；2中车青岛四方机车车辆股份有限公司，中国青岛，266000
目的：高速列车在强风环境驶出隧道会受到突变气动载荷影响。本文旨在探讨风速和风向对车辆气动特性和动力学性能的影响，研究横风和隧道综合影响下车辆运行的安全性，以期为工程实践提供参考。
创新点：1.探究了风向对车辆驶出双线隧道时的气动特性和动力学响应的影响规律；2.通过列车-轨道耦合动力学模型确定了影响行车安全的风速限值。
方法：1.采用已验证的建模方法建立高速列车驶出隧道的气动特性分析模型，并计算列车驶出隧道过程中作用于车身的时变气动载荷；2.根据车辆实际动力学参数建立列车-轨道耦合动力学模型，并分析时变载荷影响下车辆的动力学响应特征；3.统计与分析不同风速和风向条件下车辆的轮轨安全性指标来确定影响行车安全的风速阈值。
结论：1.作用于头车的气动载荷冲击最大，且与风速呈较明显的正相关关系；2.双线隧道近墙侧来风可引起更大幅度的瞬态气动载荷变化，所以对行车安全影响更大；3.突变气动载荷可引起车身0.5~3.0 Hz的低频晃动，且风速超过20 m/s将使头车运行的安全性迅速恶化。
关键词组：高速列车；空气动力学特性；动力学性能；横风；数值仿真
Expansion mechanism of sulfate attack on cement-treated aggregates under freeze–thaw cycles
Qi WANG, Jiankun LIU, Xu LI, Pengcheng WANG, Jingyu LIU, Mingzhi SUN
DOI: 10.1631/jzus.A2300590 Downloaded: 467 Clicked: 1276 Cited: 0 Commented: 0(p.36-49) <Full Text><PPT> 4
机构：1交通运输部公路科学研究院，中国北京，100088；2中山大学土木工程学院，中国广州，510006；3北京交通大学土木建筑工程学院，中国北京，100044；4隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室，中国广州，510275；5中国铁道科学研究院集团有限公司，中国北京，100081
目的：近年来，我国季节冻土区多条无砟轨道线路的水泥处理集料在硫酸盐侵蚀下发生了膨胀变形问题，引起了轨道结构持续上拱病害，严重影响了线路的运营。本文考虑冻融循环次数、温度梯度、材料配比等因素，对冻融循环和硫酸盐复合作用下集料的硫酸盐侵蚀膨胀变形条件、规律和主控因素进行研究。本研究对硫酸盐侵蚀条件下水泥处理集料膨胀变形的治理提供了重要的理论依据。
创新点：1.通过对填料的可恢复、不可恢复变形行为进行划分，实现对冻融循环条件下硫酸盐侵蚀水泥处理集料膨胀变形主控因素的定量化研究。2.试验发现，冻融循环条件下硫酸盐侵蚀水泥处理集料所引起的膨胀变形主要由化学侵蚀和盐分迁移所导致。
方法：1.考虑冻融循环次数、温度梯度和材料配比等因素，通过室内膨胀试验，对仅掺水泥、仅掺硫酸钠、以及同时掺入水泥和硫酸钠共三种条件下集料的膨胀变形条件和规律进行研究；2.考虑芒硝晶体、冰晶体、膨胀性矿物的生成以及水盐迁移等作用，通过对填料的可恢复、不可恢复变形行为进行划分，对膨胀变形主控因素进行定量化研究；3.通过电镜扫描测试，对硫酸盐侵蚀水泥处理集料生成物的微观形貌特征进行研究。
结论：1.冻融循环条件下硫酸盐侵蚀不含水泥集料，膨胀变形主要由周期性的冻胀和盐胀，以及盐分迁移所导致；对于硫酸盐侵蚀水泥处理集料而言，膨胀主要由化学侵蚀和盐分迁移所导致。2.通过电镜扫描可以观察到，在硫酸盐侵蚀水泥处理集料过程中有大量针尖状矿物生成。
关键词组：硫酸盐侵蚀；冻融循环；膨胀；水泥处理集料；主控因素
Segmented predictor-corrector reentry guidance based on an analytical profile
Hui XU, Guangbin CAI, Chaoxu MU, Xin LI, Hao WEI
DOI: 10.1631/jzus.A2300102 Downloaded: 773 Clicked: 1083 Cited: 0 Commented: 457(p.50-65) <Full Text><PPT> 6
机构：1火箭军工程大学，导弹工程学院，中国西安，710025；2天津大学，电气自动化与信息工程学院，中国天津，300072
目的：近年来，高超声速滑翔飞行器由于其全球快速到达能力和超强的机动性，在世界范围内引起了极大的关注。制导问题是高超声速滑翔飞行器应用于航空航天领域要解决的首要问题。本文主要针对再入制导问题中常用的预测校正制导方法进行改进：1.克服传统积分式预测校正计算耗时长的问题；2.改善解析式方法由于简化较多导致制导精度不理想的问题。
创新点：1.设计新的高度能量剖面进行倾侧角解析推导，为预测校正迭代环节提供良好初值。2.解析推导剩余航程，极大提高了计算效率，缩短预测校正环节计算时间。3.提出分段制导和自适应制导周期策略，进一步提升了制导精度和计算效率。4.充分的仿真实验验证了本文的方法能够快速、准确和鲁棒地获得制导指令，具有在线应用的潜力。
方法：1.建立高超声速滑翔飞行器再入运动模型，定义能量变量，对再入运动模型进行降阶。2.解析推导剩余航程与能量和倾侧角之间的解析关系式。3.选择能量阈值，分段求解倾侧角指令；在第一阶段，距离终点较远时，采用解析预测校正方法求解倾侧角；第二阶段，距离终点较近时，等距试测法进行倾侧角求解。4.提出自适应制导周期策略，灵活调整制导周期，提高制导精度。5.设置航向角偏差走廊，得到倾侧角指令符号，给出完整倾侧角指令。6.分别设置三类实验验证该方法的有效性、精确性和鲁棒性。
结论：1.本文提出的方法能够解析推导出倾侧角和计算剩余航程。2.所提方法能够有效提高再入制导指令计算效率，计算时间缩短两倍以上。3.实验结果表明，本文算法能够高效地得到精确的制导指令；蒙特卡洛实验验证了本文方法具有较好的鲁棒性。
关键词组：高超声速滑翔飞行器；分段再入制导；解析剖面；自适应制导周期；再入轨迹
Yuming CUI, Songyong LIU, Zhengqiang SHU, Zhenli LV, Lie LI
DOI: 10.1631/jzus.A2300594 Downloaded: 592 Clicked: 1156 Cited: 0 Commented: 0(p.66-77) <Full Text><PPT> 6
机构：1江苏师范大学，机电工程学院，中国徐州，221116；2中国矿业大学，机电工程学院，中国徐州，221116
目的：钻臂定位精度是影响矿山巷道和工程隧道掘进效率和断面成型质量的重要因素。本文旨在探讨钻臂各关节误差的分布规律并通过算法对钻臂末端位置的误差进行预测和补偿，以提高三臂凿岩台车的钻孔定位精度。
创新点：1.针对直爆孔和斜爆孔，分别采用解析法和基于粒子群优化的全局搜索算法对钻臂逆运动学计算误差进行了估算；2.用改进的麻雀搜索算法优化反向传播（BP）神经网络来预测三臂凿岩台车钻臂的定位误差。
方法：1.采用改进的Denavit-Hartenberg法建立多自由度多臂系统的运动学模型，得到末端位置与各关节运动量之间的映射关系；2.基于粒子群优化的全局搜索算法对钻臂逆解误差进行估算；3.采用改进的麻雀搜索算法优化BP神经网络来预测三臂凿岩台车钻臂的定位误差；4.搭建钻臂自动控制试验平台，并进行钻臂定位误差补偿试验。
结论：1.直爆孔和斜爆孔可以通过不同的方法求出对应钻臂关节的逆解；2.采用改进的麻雀搜索算法优化BP神经网络来预测三臂凿岩台车钻臂的定位误差，可将平均钻孔定位误差从9.79 cm降至5.92 cm，使误差降低了39.5%。
关键词组：多臂凿岩台车；运动学模型；神经网络优化；定位误差预测
Design and experimental validation of an electromagnetic launching mechanism for a tethered net
Zongming ZHU, Weihao LUO, Zongjing LIN, Yuzhe KANG, Maoying ZHOU, Ban WANG, Huawei QIN
DOI: 10.1631/jzus.A2300398 Downloaded: 496 Clicked: 793 Cited: 0 Commented: 0(p.78-86) <Full Text><PPT> 3
机构：杭州电子科技大学，机械工程学院，中国杭州，310018
目的：目前柔性绳网捕获技术的主要发射方式存在发射效率低、产生的噪音大和产生的冲击大等不足。针对传统绳网发射方式的缺陷，本文旨在提出并设计一种基于电磁弹射的绳网发射装置，以期通过实验分析及可行性验证，为绳网发射技术提供一种新途径。
创新点：1.建立了弹丸在磁阻式线圈发射器工作时的理论模型，得到了弹丸出口速度与电解电容初始充电电压之间的关系；2.建立了弹丸飞行的动力学模型，并通过实验分析和验证了该模型的有效性；3.设计并制作了基于电磁弹射的绳网发射样机，并通过目标捕获实验验证了该样机的有效性。
方法：1.通过实验分析，验证磁阻式线圈发射器工作时的电流变化情况（图4）；2.通过对弹丸的运动学建模与飞行轨迹观测实验，模拟弹丸在不同连接方式下的运动规律（图5和6）；3.通过绳网发射样机对目标的捕获实验，验证其捕获目标的可行性（图7）。
结论：1.提高电解电容的初始充电电压可提高弹丸的出口速度；2.无论连接方式如何，随着发射角度的增加，绳网达到最大展开所需的时间逐渐增加；3.绳网发射样机捕获目标的成功率受发射角度、受网尺寸、发射样机与目标之间的距离等因素影响。
关键词组：电磁弹射；绳网发射；高空救援