微观组织演变元胞自动机模拟研究进展

金属的微观组织是决定其宏观力学性能的主要因素,在热塑性变形过程中,金属的微观组织会发生动态回复、动态再结晶、静态回复和静态再结晶等一系列变化,形成新的晶粒。在材料成分一定的条件下,影响晶粒演化的外部因素是温度、应变和应变速率。因此,如何通过控制热塑性变形过程中的温度、变形量和变形速度,来达到控制微观组织及产品力学性能的目的,已成为塑性加工领域的热点研究问题,在非连续热塑性变形中尤其如此,乃至于成性的重要性远大于成形。简述元胞自动机(Cellular automata,CA)方法的基本原理及思想,概述CA法在微观组织模拟中的建模方法及应用,特别是CA法在静态再结晶,动态再结晶过程中模拟晶粒生长的研究进展。同时,指出目前研究中存在的亟须解决的几个问题,展望CA法模拟微观组织演变的发展趋势。     

基于进化元胞自动机的结构拓扑优化

实现元胞自动机算法自组织演化机制的关键是建立适合问题的局部规则。传统的方法是根据人们的经验或 其他算法得到的结果来建立局部规则,被称为局部间接规则。为了解决局部间接规则存在的局限性,计算量大等 缺点,提出用进化建立元胞自动机局部直接规则的方法。通过建立结构优化的多目标优化模型,用遗传算法寻求 最优的演化规则,得到适应相应问题的解。由仿真结果可见用遗传算法建立的元胞自动机局部直接规则对复杂系 统的自组织问题是很有效的。     

多目标元胞遗传算法及其应用

在单目标元胞遗传算法的基础上,提出一种多目标元胞遗传算法(Multi-Objective Cellular Genetic Algorithm,MOC-GA)。该算法使用元胞自动机的生命游戏规则替代遗传算法的交叉算子,使用NSGA-Ⅱ的选择方式选择个体,同时设置外部种群存储算法进化过程中的非支配个体。为了提高算法的效率和保证非支配解集良好的分布性,使用改进的快速排序法选择非支配个体,依照个体的动态聚集距离对外部种群进行消减。与NSGA-Ⅱ相比,实例表明,该算法具有更好的收敛性和稳定性。     

基于晶界迁移率与晶界能各向异性的晶粒生长元胞自动机模拟

基于晶粒长大的理论模型,结合曲率机制与概率性转变规则,建立了晶界迁移率与晶界能各向异性条件下的二维元胞自动机模型,利用该模型对晶粒等温条件下的生长过程进行了模拟,分析了晶粒长大的组织演变与动力学特征、晶粒尺寸和晶粒边数的分布,对比了晶界迁移率各向异性、晶界能各向异性对晶粒生长的影响。结果表明:晶界迁移率与晶界能各向异性条件下晶粒形态演变遵循晶粒正常长大的规律,相对晶粒尺寸偏离正态分布,晶粒边数分布不具有时间不变性特点,小角度取向差三叉晶界平衡角偏离120°;与各向同性相比,晶界迁移率与晶界能各向异性条件下晶粒的生长速率明显减慢,单独考虑晶界迁移率各向异性对晶粒生长的影响不大,晶界能各向异性对晶粒生长的影响大于晶界迁移率各向异性的影响;模拟结果符合晶粒生长动力学理论和相关文献的结论。     

考虑晶粒变形动态再结晶过程模拟的元胞自动机法

结合金属塑性成形过程的冶金学原理,给出了一种考虑动态再结晶过程晶粒变形的元胞自动机模型.考虑了晶粒变形对再结晶形核的影响,给出了一种与基元形状有关的形核概率计算方法.根据动态再结晶晶粒生长速度和与其相邻基元形状确定转变概率.采用元胞自动机模型对动态再结晶组织的演变进行了模拟,模拟结果与不考虑晶粒变形的结果进行了比较.     

BT25钛合金动态再结晶行为的元胞自动机模拟

为研究热加工工艺参数对钛合金塑性成形过程中微观组织的影响,利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温恒应变压缩试验。分析真应力-应变曲线,建立JMAK动态再结晶动力学方程;通过对热变形行为的分析,推导出钛合金的位错密度模型、再结晶形核和晶粒长大模型;结合元胞自动机的算法,建立元胞自动机(Cellular automata, CA)模型并利用该模型模拟和验证了BT25钛合金热变形过程中动态再结晶行为。结果表明,BT25钛合金的流动应力对应变速率和变形温度非常敏感;提高变形温度或降低应变速率均有利于材料发生动态再结晶;CA模型模拟晶粒尺寸误差约为3%,预测DRX体积分数误差在10%以内。该模型具有良好的预测精度,为合金材料在塑性加工过程中优化工艺参数和控制锻件微观组织演变提供了可靠性依据。     

多边形邻域元胞自动机

介绍一种利用元胞自动机思想求解二维弹性力学问题的方法。该算法将问题求解域离散成随机分布的场节点,每个场节点被定义为一个元胞,而其位移则为元胞的状态量。算法规定,每一个元胞都有一个多边形的邻域,此邻域内包含其它元胞。借助于有限元插值思想,算法建立了任意一个元胞状态量和相邻元胞状态量的关系,将二维弹性力学问题的求解转化为元胞状态量的演化。本研究中的演化规则考虑了遗传因素,演化过程具有并行性,因此可提高计算效率。通过随机分布点建立的元胞自动机是一种无网格算法,但在二维问题边界附近可以与有限元网格无缝连接,因此在固体力学计算中具有较好的应用前景。数值算例验证了算法的合理性和可行性。     

元胞自动机方法模拟再结晶过程的建模

建立了模拟再结晶过程的二维元胞自动机模型,并且介绍了微观组织的显示方法,以MATLAB为平台进行程序的编制。模型采用位置过饱和形核与恒定速率形核两种形核方式,研究了不同算法下再结晶过程的动力学。结果表明：网格规模与邻居关系对再结晶动力学的Avrimi指数n几乎没有影响;采用交替Moore型邻居关系得到的最终组织与真实组织更加接近;位置过饱和形核得到的再结晶晶粒尺寸比恒定速率形核的晶粒尺寸更均匀。     

基于热激活理论和曲率驱动机制的晶粒长大元胞自动机模拟

参考已有的元胞自动机(CA)模型,提出不同的元胞转变规则,建立了基于热激活理论和曲率驱动机制的晶粒长大二维元胞自动机模型,并利用圆形晶粒的收缩过程对模型进行了验证;根据所建模型对晶粒长大过程进行模拟,得到了晶粒显微组织的演变与动力学曲线,分析了晶粒尺寸和晶粒边数的分布规律。结果表明:晶粒长大是大晶粒吞噬小晶粒的过程;晶粒稳定时应当为正六边形,且晶界为直线;晶粒长大指数为0.481,与理论值接近;晶粒尺寸和边数分布具有时间不变性,不同边数的晶粒生长动力学不同;模拟结果与相关理论和文献结论一致。     

基于混合元胞自动机的柔顺机构多目标拓扑优化方法

采用无梯度优化方法——混合元胞自动机方法进行体积约束下柔顺机构多目标拓扑优化设计。以应变能最小化和互应变能最大化为目标,以结构体积为约束,采用标准化方法定义多目标拓扑优化的目标函数,消除不同性质目标函数在数量级上的差异。将混合元胞自动机方法用于多目标优化问题的求解,以比例控制作为局部控制规律。数值算例结果表明,该方法用于柔顺机构多目标拓扑优化设计是有效的,优化迭代次数较少,且结构不易出现单节点铰链现象。     

A cellular automata convection-diffusion model of flows through porous media

A cellular automata model is proposed for investigating the process of formation and percolation of gas or fluid flows through interstices in solid media. The model is a cellular automata analogy of a convection-diffusion equation in partial derivatives. The advantage of the model is that it allows a simple representation of boundary conditions and, thus, makes it possible to investigate properties of media with a complex pore configuration. Moreover, using probabilistic transition rules makes it possible to adapt to the properties of the boundaries between liquid and solid phases. A formal representation of the model is given. Results of experimental investigation for a medium with hydrophobic, hydrophilic, and neutral pores are presented.     

微结构热力耦合解析的元胞自动机方法

针对微机电系统多物理场耦合效应有限元解析所遇到的难题,应用元胞自动机的思想来解析其热-力耦合场．以典型微结构中的平板结构为研究对象,根据应变能守恒,将连续性单元转化为米字形桁架结构,并建立元胞空间;从简单的二力杆热力分析出发,推导热应力的局部规则,建立了该平板结构的元胞自动机模型,对热弹性力学中的平面应力问题进行了分析．从实例解析出发,对热应力产生的不同情况进行了模拟分析,验证了所建热-力耦合解析方法的可行性和算法的效率．该解析算法也适用于力载荷或位移载荷,为微结构多物理场耦合解析提供了有效的解析方向．     

基于电弧模型仿真的电气火灾智能算法研究

针对近年来电气火灾居高不下的形势及火灾预警系统不够完善的问题,对故障电弧的电压电流波形进行了分析,提出了一种基于电弧Cassie模型的电气火灾智能算法,应用神经网络智能算法分析了故障电流波形,建立了故障电弧电流波形与故障电弧发热量之间的关系。在智慧式安全用电管理平台上读取了电弧电流波形,分析计算得到了相应的电弧发热量,根据电弧发热量判断是否会引发电气火灾。最后进行了故障电弧模型的仿真实验。研究结果表明,1 000组数据中只有2组出现误判,说明该算法可以通过故障电弧电流波形来预测电气火灾。     

面向无人机数据采集的 LoRa 扩频因子预测模型研究

针对在缺少移动网络覆盖的偏远地区实现大面积数据采集与环境监测,首先设计了无人机移动网关与地面节点的LoRa 通信协议;在此基础上提出了一种基于改进极限学习机(PG-ELM)的扩频因子预测模型,以实现扩频因子的动态调整。 为提高预测准确度与效率,该模型以信号强度、信噪比、距离、丢包率、温度和相对湿度作为输入,以粒子群算法(PSO)和灰狼算法(GWO)联合算法对 ELM 模型进行改进。 通过无人机移动通信试验获取 LoRa 通信数据样本集,进行模型训练获得优化的PG-ELM 模型。 试验结果表明,在 20 kB 数据大小的情况下,本方案的数据采集时间比单一 SF12、SF7 减少约 78% 和 26% ,平均通信能耗比单一 SF12 降低 70% 以上,数据包投递率(PDR)高达 98% ,在能效性和预测实时性等方面优势明显。     

基于元胞机与强化学习的多扰动车间调度算法

针对大型装备制造企业扰动多、影响大的问题,以元胞机模型为框架构建了多扰动车间生产调度模型,设计了基于设备平均利用率与工件平均流程时间双目标最优的目标函数,并通过算例验证了模型的科学性.同时,考虑到多扰动车间调度的复杂性,为寻找全局最优解,采用强化学习算法优化了元胞机的自组织演化规则,提出了针对设备故障、紧急插单与新订单干扰三种典型扰动的调度策略,最终建立了基于元胞机与强化学习算法的多扰动车间柔性调度模型.以某大型零件制造企业为例,说明了模型的具体优化过程,并通过仿真求解验证了算法与模型的有效性与可靠性.     

基于元胞自动机的制造服务系统自组织过程

针对网络环境中制造服务运营的复杂性特点,建立了制造服务系统的自组织模型,该模型包括制造服务系统的组建、运作和终止等自组织过程,初步实现了制造服务的智能化应用.应用元胞自动机方法构建了制造服务系统功能结构,采用自动机理论建立了制造服务系统的动态运行特征,同时讨论了制造服务系统的终止识别模式和绩效评估方法.通过制造企监的制造服务系统组建、运作和终止示例验证了制造服务系统自组织模型的有效性,以及基于元胞自动机建模与分析的优越性.     

汽车操纵稳定性仿真用轮胎模型的研究

介绍了四种常见的车辆操纵稳定性仿真用轮胎模型,即简单非线性轮胎模型、半经验公式轮胎模型、魔术公式轮胎模型和分析轮胎模型。通过对含上述四种轮胎模型的车辆动力学系统进行C级不平路面上转向盘角阶跃输入仿真试验,结果表明车辆系统响应总体趋势一致。以简单非线性轮胎模型为例,对比了车辆在水平路面与正弦路面上的响应,分析了不平路面的频率和幅值及车速对车辆操稳性的影响。     

Simulation of surface topography with the method of movable cellular automata

Development of surface topography of two solids in a frictional contact is studied with the method of movable cellular automata. After the running-in process, the bodies are separated and the surface power spectra of both bodies are determined. The power spectra show a dependence on the wave vector, which is typical for fractal surfaces. It is shown, that roughness parameters of friction surface depend on relative velocity of sliding and external pressure.     

Numerical simulation of a pool fire

Thermo-fluid mechanical characteristics as well as flame structure of a pool fire were numerically simulated in this study. The small scale pool fire was treated as a gaseous jet flame with low initial velocity as an approximation. The combustion model postulated infinitely fast chemical reaction and the soot formation model included soot nucleation, surface growth, coagulation, thermophoresis, and oxidation. Valuable data were obtained in the temperature distribution, velocity profiles, soot volume fraction and major species concentrations. Especially, the periodic formation of the large scale structures were successfully simulated. Its frequency agreed well with experimental results. Research Institute of Industrial Science and Technology Heat and Fluid Flow Research Team     

某型舰炮自动机的数学模拟

运用达朗伯原理和拉格朗日方程推导出针对舰炮自动机的多刚体武器系统动力学普遍方程,以某型舰炮为具体研究对象,编制了自动机动力学模拟分析软件并进行了仿真运算。