JZUS - Journal of Zhejiang University SCIENCE

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2025 Vol.26 No.11 P.1021-1140

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Research Article

Reliability-based optimization of laterally loaded piles with necking defects

Yang YU, Bo SHI, Qing L�, Chaofeng WU

DOI: 10.1631/jzus.A2400484 Downloaded: 985 Clicked: 1146 Cited: 0 Commented: 0(p.1021-1033) <Full Text><PPT> 29

Chinese summary <5>

作者：于洋^1,2，石博¹，吕庆³，吴朝峰^1,4
机构：¹浙江大学，海洋学院，中国舟山，316021；²浙江大学海南研究院，中国三亚，572025；³浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；⁴中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，中国杭州，310012
目的：侧向受荷桩广泛应用于砂土地基基础中，但其现浇施工易因钻孔塌孔引发颈缩缺陷，导致桩基在侧向荷载作用下的安全性显著降低。针对这一关键设计难题，本研究旨在开发一种基于可靠性的多目标优化设计框架，以平衡桩基础安全性、经济性与设计鲁棒性，减少颈缩缺陷影响。
创新点：1.提出了一种融合p-y曲线分析与随机模拟的高效方法，实现了对砂土参数、颈缩缺陷深度与尺寸变异等多源不确定性的量化评估；2.通过构建可靠性多目标优化框架，将桩身性能、成本控制及抗风险能力纳入统一设计体系，突破了传统单目标优化局限。
方法：1.集成随机建模与数值仿真技术，建立考虑土体参数空间变异性和颈缩缺陷几何随机性的桩-土相互作用计算方法（图1和2）；2.通过系统化的设计框架，结合帕累托前沿优化算法生成备选优化方案，利用实验案例验证模型有效性（图8）；3.开展参数敏感性分析，揭示颈缩缺陷深度与砂土摩擦角对最优设计的影响规律（图9~12）。
结论：1.基于电子表格计算方法，实现了综合考虑成本、安全性与稳健性的含颈缩缺陷的侧向受荷桩优化设计；2.该方法可在设计阶段主动应对颈缩缺陷影响，提升工程可靠性；3.发现缺陷埋深对设计稳健性有显著影响：当颈缩缺陷位于桩体深处（埋深大于0.4倍桩长）时，基于桩身内力分布特性，缺陷对整体稳健性的影响可忽略。

关键词组：缺陷；侧向受荷桩；土体参数不确定性；地基基础设计；-曲线；随机模拟

Machine learning for soil parameter inversion enhanced with Bayesian optimization

Anfeng HU, Chi WANG, Senlin XIE, Zhirong XIAO, Tang LI, Ang XU

DOI: 10.1631/jzus.A2400568 Downloaded: 1026 Clicked: 1023 Cited: 0 Commented: 0(p.1034-1051) <Full Text>

Chinese summary <3>

作者：胡安峰¹，王池^1,2，谢森林¹，肖志荣³，李唐¹，徐昂¹
机构：¹浙江大学，滨海和城市岩土工程研究中心，中国杭州，310058；²浙江大学，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058；³浙江科技大学，土木与建筑工程学院，中国杭州，310023
目的：土体参数标定困难是数值模拟方法在软土地基沉降预测中遇到的难题。本研究构建5种机器学习模型，通过贝叶斯优化快速获取模型最优超参数配置，比选最优超参数配置下各模型在测试集和实际监测数据集上的泛化性能，旨在获取高精度、优性能的土体参数反演模型。
创新点：1.结合数值模拟生成的高保真数据和厦门翔安机场的实测数据构建数据集，兼顾数据规模和真实性；2.通过贝叶斯优化，在有限试验次数内快速获取各模型的最优超参数配置；3.建立5种基于沉降数据集的机器学习模型，并通过多组试验比选获取最优超参数配置下用于土体参数反演的最优机器学习模型。
方法：1.采用修正剑桥模型，通过调整有限元建模（FEM）脚本中土体参数的变化范围在ABAQUS软件中生成足量的用于训练机器学习模型的高保真数据集；2.建立5种基于沉降数据集的土体参数反演机器学习模型，并通过贝叶斯优化获取各模型的最优超参数配置，比较最优超参数配置下各模型在测试集下的预测精度；3.为进一步验证所构建的机器学习模型在实测数据集上的泛化性能，以厦门翔安机场的实际沉降监测数据为基础，利用优化后的各机器学习模型反演沉降预测中所需的关键土体参数；4.将反演得到的土体参数输入数值计算模型，对比沉降计算曲线和实际监测曲线的误差，比选获得最优土体参数反演机器学习模型。
结论：1.贝叶斯优化是高效的全局优化算法，可快速获取机器学习模型的最优超参数配置；2.机器学习模型架构的复杂度会直接影响其土体参数的反演精度，且集成多个决策树的随机森林模型的预测精度较单一决策树模型有极大提升；3.一维卷积神经网络模型的预测精度最好，可以可靠、准确地反演土体参数，为沉降的精准预测提供了有力支持。

关键词组：ABAQUS软件；贝叶斯优化；机器学习算法；参数反演；沉降预测

A two-stage framework for automated operational modal identification using OPTICS-KNN-based clustering

Yi CHEN, Wenwei FU, Yaozhi LUO, Yanbin SHEN, Hui YANG, Shiying WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2400538 Downloaded: 1282 Clicked: 1365 Cited: 0 Commented: 0(p.1052-1069) <Full Text><PPT> 24

Chinese summary <5>

作者：陈轶^1,2，傅文炜^3,4，罗尧治¹，沈雁彬^1,4，杨晖²，汪士应⁵
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；²浙江交工集团股份有限公司，中国杭州，310051；³苏州科技大学，土木工程学院，中国苏州，215011；⁴浙江大学长三角智慧绿洲研究中心，未来城市实验室，中国嘉兴，314102；⁵杭州市交通规划设计研究院有限公司，中国杭州，310030
目的：自动化工作模态分析（AOMA）能够有效替代依赖人工干预和工程经验判断的传统模态参数识别方法。本研究提出一种融合协方差驱动随机子空间识别、稳定图自动判读以及密度聚类算法（OPTICS）自适应聚类策略的自动化模态识别框架，有效解决了传统模态参数识别方法的局限性。通过十层剪切框架数值模型和斜拉桥实测数据验证，该方法实现了高精度模态参数自动识别，具备应用于复杂工程结构实时监测的潜力。
创新点：1.采用两种广泛应用的模态验证准则对稳定图进行预处理，以消除部分虚假模态并提高聚类阶段的计算效率；2.通过k近邻算法（KNN）确定最优聚类数量，并基于OPTICS算法实现自动化真实模态聚类。
方法：1.采用协方差驱动随机子空间识别实现结构模态参数提取；2.基于软硬准则开展稳定图的自动化初筛；3.结合OPTICS算法与k-近邻算法实现自适应物理模态聚类。
结论：1.根据十层框架结构与桃夭门大桥的模态参数识别结果，结构的各阶模态频率与阻尼比均保持较小的波动范围，这表明该方法能有效剔除虚假模态并准确识别真实模态。2.该方法对密集模态具有良好辨识能力，在无需预先设定聚类数量或设定聚类阈值的情况下，成功实现此类模态的精准识别。3.通过对桃夭门大桥的监测数据进行分析，进一步验证了该方法在工程实践中的实用性。

关键词组：结构健康监测；协方差驱动随机子空间识别；自动工作模态分析；密度聚类算法；-近邻算法

Design and fabrication of biomimetic four-region drug-loaded cartilage scaffolds with porous hollow fibers

Yu CHEN, Yuzhe MA, Jianzhong FU, Xinhua YAO

DOI: 10.1631/jzus.A2400513 Downloaded: 948 Clicked: 1304 Cited: 0 Commented: 0(p.1070-1082) <Full Text><PPT> 28

Chinese summary <5>

作者：陈语^1,2，马宇哲^1,2，傅建中^1,2，姚鑫骅^1,2
机构：¹浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；²浙江大学，浙江省3D打印工艺与装备重点实验室，中国杭州，310058
目的：关节软骨是关节功能的关键组成部分，但由于外伤和退行性疾病的影响，软骨极易受到损伤。传统的软骨治疗方法通常依赖复杂的手术程序，且疗效有限。作为一种潜在的替代方案，植入式载药支架逐渐成为一种有前景的软骨疾病治疗选择。然而，支架与天然软骨在结构与功能上的兼容性问题以及载药缓释功能的优化，仍然是当前面临的重大挑战。为了解决这些问题，本文提出了一种采用四区域中空多孔纤维网络结构的新型软骨支架设计。
创新点：1.提出了一种具有良好自支撑性能的双相有机硅油墨配方；2.提出了一种软骨支架的仿生设计，使支架具有与天然软骨相似的力学性能；3.软骨支架集成了由中空多孔纤维组成的药物输送系统，保证了稳定的药物释放性能。
方法：1.通过建模仿真，建立软骨支架压缩力学性能的数值模型（图4）；2.通过正交实验，确定软骨支架的纤维直径、纤维间距、纤维排列角等结构设计参数（表4）；3.使用液相硅胶和固体颗粒组成双相硅胶墨水，并利用挤出式3D打印平台制备支架。
结论：1.设计的仿生四区域中空多孔药物载体支架在结构与功能上高度接近天然软骨，具备良好的应用前景；2.设计的支架具备初始快速释放及后期持续释放的药物释放特性；3.生物相容性实验表明，设计的支架具有良好的生物相容性。

关键词组：仿生设计；3D打印；软骨支架；梯度多孔结构；力学性能调控；药物释放系统

Experimental study on vibration source characterization from wheel–rail impacts in urban rapid rail transit turnouts

Zhaoguang ZHENG, Zihan ZHOU, Jingmang XU, Zeyu LIU, Jiayi HU, Jiayin CHEN, Ping WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2400509 Downloaded: 934 Clicked: 1132 Cited: 0 Commented: 0(p.1083-1098) <Full Text><PPT> 25

Chinese summary <5>

作者：郑兆光^1,2，周子韩^1,2，徐井芒^1,2，刘泽宇^1,2，胡佳怡^1,2，陈嘉胤³，王平^1,2
机构：¹西南交通大学，高速铁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广州航海学院，未来交通学院，中国广州，510725
目的：针对城市快速轨道交通系统中道岔区段振动源及其激励机制缺乏系统性研究的问题，开展现场实测与分析，旨在为道岔振动控制措施的科学制定与优化提供理论依据和工程参考。
创新点：1.通过实测获取轮轨冲击引起的道岔振动特征，明确道岔结构参数、运行条件及减振措施对振动源强及频域特性的影响规律。2.识别出与人体敏感频率范围相关的关键激励频段，为环境振动控制提供目标频域范围。
方法：选取某中国城市地铁线路中5组具有代表性的道岔区段，列车运行速度覆盖80~150 km/h。在实际运营条件下，采集道岔钢轨及隧道壁的振动加速度信号，并结合时频分析方法对数据进行深入处理与特征提取。
结论：当列车运行速度超过100 km/h时，头尾车厢通过道岔可激发80 Hz以下的显著低频振动，进入人体敏感频率区间，因此易引发环境振动问题。道岔区段诱发的振动主要集中在三个频段：0~20 Hz（对应结构与刚度不平顺）、50~80 Hz（轮轨系统P2共振）及150~200 Hz（钢轨固有频率）。该结果可为道岔振动控制提供依据。

关键词组：城市快速轨道交通；道岔；振动源识别；振动控制；时频域分析；轮轨冲击

Design and aerodynamic performance of a wide-speed-range morphing aircraft with horizontal takeoff

Xu ZHANG, Binbin YAN, Heng ZHANG, Yunfei ZHANG, Shuangxi LIU, Wei HUANG

DOI: 10.1631/jzus.A2400539 Downloaded: 1143 Clicked: 961 Cited: 0 Commented: 0(p.1099-1113) <Full Text><PPT> 19

Chinese summary <4>

作者：张旭¹，闫斌斌²，张恒³，张云飞⁴，刘双喜⁵，黄伟⁵
机构：¹西北工业大学，无人系统技术研究院，中国西安，710072；²西北工业大学，航天学院，中国西安，710072；³清华大学，航天航空学院，中国北京，100084；⁴上海航谛科技有限公司，中国上海，201818；⁵国防科技大学，先进推进技术实验室，中国长沙，410073
目的：为使飞行器在亚声速至高超声速宽速域范围内均具有优异的空气动力学性能，本文旨在提出一种具有变后掠翼结构的创新飞行器外形，并验证其所具有的性能优势。
创新点：1.基于类乘波体构型设计飞行器，有利于在后续工作中进一步布置进气道；2.飞行器后掠角可以在30°、45°和60°三个典型角度之间切换，因此在宽速域、大空域下均具有良好的气动性能。
方法：1.在CATIA软件中根据设计理念与设计参数建模得到飞行器外形；2.通过与标准模型数据的对比验证所用数值计算方法及网格划分结果的准确性；3.对飞行器不同后掠角外形在大飞行包线内不同马赫数和高度下的气动性能进行对比分析，验证所设计飞行器具有的性能优势。
结论：1.在水平起飞阶段，三种外形中最具优势的是30°后掠角；在跨音速到超音速阶段，45°后掠角配外形现最佳；而在马赫数1.5至高超音速阶段，60°后掠角的性能最为理想。2.飞行器在0.3马赫下的最大升阻比达到约8.804，为水平起飞提供了强有力的气动支持。3.在相同飞行条件下，飞行器在不同后掠角的升力系数和阻力系数存在差异；在三种不同的变形配置下，升阻比随着攻角的增加呈先上升后下降的趋势，而实现最佳升阻比的外形配置则随速度的变化而不同。

关键词组：水平起飞；变体飞行器；变后掠翼；宽速域飞行器；气动特性

Numerical investigation of the detonation wave characteristics of boron-based gel propellant

He YANG, Liya HUANG, Jiarui ZHANG, Kun LIANG, Mingquan GONG

DOI: 10.1631/jzus.A2400520 Downloaded: 1021 Clicked: 1308 Cited: 0 Commented: 0(p.1114-1126) <Full Text><PPT> 25

Chinese summary <5>

作者：杨和，黄利亚，张家瑞，梁坤，龚名荃
机构：国防科技大学，空天科学学院，中国长沙，410073
目的：凝胶推进剂集成了液体推进剂和固体推进剂的优势，而添加硼等固体颗粒可以有效提高其能量密度，所以将凝胶推进剂应用于爆震燃烧具有广阔前景。本文旨在运用经过试验验证的数值仿真模型，分析含硼凝胶推进剂爆震波内流场结构及其影响因素，获得含硼凝胶推进剂爆震波特性，为凝胶推进剂应用于爆震燃烧提供理论支撑。
创新点：1.提出将含硼凝胶推进剂应用于爆震燃烧，分析了含硼凝胶推进剂的爆震过程；2.建立并验证了含硼凝胶推进剂爆震模型，获得了含硼凝胶推进剂爆震波特性。
方法：1.通过理论推导，分析含硼凝胶推进剂爆震波传播过程，并构建含硼凝胶推进剂爆震模型（图1，公式(1)~(7)）；2.通过试验分析，获得对应工况下含硼凝胶推进剂爆震试验值与模拟值的偏差，验证所建立模型的准确性（图4）；3.通过仿真模拟，分析不同工况下含硼凝胶推进剂爆震波内流场参数分布情况，揭示其爆震波传播特性（图5~10）。
结论：1.本文研究条件下，含硼凝胶推进剂爆震波压强最高可达6.15 MPa，且特征值爆震速度可达1831.5 m/s；2.含硼凝胶推进剂爆震波仅在特征值爆震速度下实现自维持稳定传播；3.稳定传播爆震波声速面处的压强、气相温度与密度及颗粒相温度随来流温度的增加而下降，随推进剂硼含量的增加而上升，随反应当量比的增加先上升后下降。

关键词组：含硼凝胶推进剂；爆震流场；多相爆震；爆震波特性

A dual-focal-plane augmented reality head-up display optical system adapted for heavy-haul locomotives

Huoping YI, Fuhao CHANG, Yan CHEN, Ping TAN, Zhen XU, Yongbo WU, Jin DING, Jien MA

DOI: 10.1631/jzus.A2400540 Downloaded: 1224 Clicked: 1182 Cited: 0 Commented: 0(p.1127-1140) <Full Text>

Chinese summary <3>

作者：易火平¹，常富豪¹，陈岩¹，谭平¹，徐振¹，武永波¹，丁进¹，马吉恩²
机构：¹浙江科技大学，自动化与电气工程学院，中国杭州，310023；²浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027
目的：重载机车运行环境复杂且仪表及显示屏幕较多，司机频繁观察操作表盘存在安全隐患。本文旨在研究一种适配重载机车的双焦面增强现实抬头显示(AR-HUD)系统，在考虑重载机车运行环境和司机驾驶习惯的情况下设计适配的光学结构，以提高机车运行的安全性。
创新点：1.考虑到机车的运行工况，研究双光源双焦面的光路结构对成像质量的影响，优化光路结构的成像性能；2.重载机车风挡倾角越大，对光路结构的成像性能影响越大，可通过增加自由曲面和设计优化策略来改善成像性能。
方法：1.通过已有的车载HUD光路结构设计思路，考虑重载机车的运行工况，设定光学系统的参数指标，并设计双光源双焦面的光路结构（图2）；2.在光学结构中增加自由曲面以提高该结构的自由度，然后设计优化策略，进行波像差和调制传递函数（MTF）优化，并通过公差分析的结果来验证优化策略的有效性（图16）。
结论：1.在体积允许的情况下，双光源的光路结构可以增强投影的成像性能；2.给远投影增加自由曲面有助于设计更优的光路，并优化风挡倾角引入的系统像差；3.优化后的系统成像性能指标良好，公差设置合理，且双图像生成单元（PGU）的分区域投影可降低机车运行中的安全隐患。

关键词组：光学系统；离轴反射结构；自由曲面；用户界面（UI）模拟

Journal of Zhejiang University-SCIENCE, 38 Zheda Road, Hangzhou 310027, China
Tel: +86-571-87952276; Fax: +86-571-87952331; E-mail: jzus@zju.edu.cn
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