元胞自动机模型方法及其在材料组织结构模拟中的应用

元胞自动机是复杂体系的一种理想化模型 ,它对处理那些难以用数学定量描述的复杂动态体系问题如材料的组织结构演变问题有独到之处 ,并且特别便于计算机模拟实施。本文介绍了元胞自动机的基本思想、分类与特征 ,并综述了元胞自动机模型方法在材料的凝固结晶、再结晶和晶粒长大以及相沉淀和相分解的模拟研究中的应用。     

元胞自动机方法模拟微观组织演变的建模框架

基于元胞自动机模型的框架特性，构建了基于扩展的元胞自动机的模型框架MicrosCA。该模型不是针对某一具体应用的实际模型，而是一个通用的模型框架，阐述了构建微观组织模拟元胞自动机模型的主要思想、微观模型与其它模型间的集成。在此基础上，可以针对不同应用问题，对其进行适当细化和具体化，以适合各种组织演变问题的分析研究。     

基于改进边界条件的元胞自动机模型研究

元胞自动机方法在模拟过程中,必须用特殊的算法对边界进行处理才能避免边界出现杂质及失真.提出了基于Moore型邻接的改进边界条件算法并进行了模拟.通过与随机型边界条件模拟结果的对比,表明改进算法有利于模拟区域四角和四边的处理,可以应用于元胞自动机模拟中.     

元胞自动机法在裂纹愈合模拟中的应用

运用元胞自动机(CA)法,通过计算机编程建立了包含内部微裂纹的元胞自动机模型,结合金属材料学基本原理和动态再结晶理论,模拟了动态再结晶条件下的裂纹愈合过程。通过研究不同因素对裂纹愈合的影响,获得了不同参数(如应变速率、应变量等)下的裂纹愈合规律,阐明了裂纹的分段愈合特征,模拟结果与现有实验研究结果相吻合。     

元胞自动机在金属材料腐蚀研究中的应用

长期以来,金属材料的腐蚀与防护是人们一直关注的问题。据发达国家调查,每年由于腐蚀造成的损失占国民经济总产值的2%～4%。因此,明确不同服役环境下金属材料的腐蚀状况且准确预测材料的使用寿命是保证生产安全、减少经济损失的重要手段。目前,金属腐蚀的研究方法虽然还主要以实验为主,但计算机技术为研究金属腐蚀提供了准确且直观的辅助手段,若将数值模拟技术和实验规律结合可大大加快研究进程。元胞自动机(CA)方法具有直观、灵活、便捷的特点,其可以描述不同金属材料在不同环境下的腐蚀演变过程,并且能较为准确地还原自然界的腐蚀规律。近年来,学者们利用CA方法总结了材料腐蚀速度与温度、腐蚀性离子浓度等因素呈现正相关的规律,为了减少模拟结果的误差,学者们针对不同的腐蚀环境对影响参数也进行了优化。同时,学者们将腐蚀机理与演化规则进行合理的转化,提出了运动扩散规则,描述了多蚀坑融合研究过程,建立了典型的溶液介质回路模型,并对应力腐蚀和晶间腐蚀研究过程中所涉及的模型进行了重构。本文通过总结CA在金属腐蚀方面所做的贡献,展示了CA在研究金属腐蚀机理方面的优势。同时,本文对CA方法所存在的局限性进行评注,对不可量化的影响因...     

基于元胞自动机的分布式水文模型研究

元胞自动机是一个时空离散的动力学模型,是复杂系统的研究方法之一。将元胞自动机这一新方法工具应用到分布式水文模型中,为分布式水文模型的发展提供一种新的思路。简要介绍元胞自动机的定义和构成等基本理论,针对水文研究领域的特殊性,扩展元胞自动机的定义,将元胞自动机和分布式水文模型相结合提出元胞自动机水文模型(CAHM),对元胞自动机水文模型的建模方法及模型结构进行阐述,并对元胞模型应用于分布式水文模型的优势及面临的问题进行分析。     

基于元胞自动机的多相合金凝固过程微观组织仿真探究

多相合金凝固过程微观组织的模拟长期以来一直引起不同领域学者的广泛关注和研究,归根结底是因为其在工程应用及理论研究等方面都具有很大的价值。21世纪,计算机及电子科学技术异军突起,并得到全面发展和进步,所以研究多相合金凝固过程微观组织模拟除了可以应用传统研究方法,也可以适时地去应用计算机数值模拟方法,而且随着技术的进步,这方面的研究已经取得了长足的进步,尤其是在凝固应力场,温度场等各种场效应的数值模拟初见成效后,微观组织模拟研究有了新的发展方向和突破口。采用元胞自动机方法对比其他研究方法,对于研究凝固的各种结构模型有以下优点:将固液界面两侧的锐变转化为界面胞元固相份数的渐变,既坚持了尖锐界面的基本假设,又避免了跟踪复杂的固液界面。而且研究时所应用的模型不仅考虑了成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性,还考虑到了界面扰动等影响枝品生长的各种不同外界影响因素。     

低碳钢焊缝中心凝固相组织的元胞自动机法模拟

基于元胞自动机法扩展了现有的焊接熔池凝固过程形核、生长及溶质扩散模拟模型,模拟了Fe-0.05%C二元合金焊接过程中枝晶的生长形态和结晶过程中溶质的分布及扩散过程。同时,以Fe-C二元相图为基点,根据溶质浓度不同相组织不同原理模拟计算了焊接熔池凝固后相组织的分布,建立了a+P和P+Fe3CⅡ两种组织比例值与溶质浓度、冷却速度和形核基底数等参数的数学模型。结果表明:模拟得到的低碳钢焊缝组织分布与试验结果相符;基于溶质浓度变化的相组织控制模型能预测实际低碳钢的焊后焊缝组织。溶质浓度、冷却速度和形核基底数对a+P和P+Fe3CⅡ两种组织比例的影响都较为明显,影响效果相对独立;回归分析得到的组织控制方程高度显著,为焊缝的组织控制提供了一定的数据支持。     

基于元胞自动机的多自主体人员行为模型及其在性能化设计中的应用

目前性能化设计规范一个最主要的特点是从强调财产保护转变到强调生命安全保护，因此对建筑物内人员行为特征和运动规律的研究正越来越受到人们的重视。元胞自动机模型在交通流研究中的应用已经开展多年并取得了很多有用的成果，但涉及人的行为特征的研究往往十分复杂，在这方面利用自主体来研究具有较大的优势。给出的模型结合了这两方面各自的优势，是在元胞自动机交通流、行人流基本框架上建立起的多自主体人员行为模型，它对评估建筑物的设计方案具有很好的参考作用。     

陶瓷材料烧结致密化过程的元胞自动机模拟

为研究陶瓷材料烧结致密化过程,以晶界能和晶界曲率生长驱动力理论为基础,建立了含有气孔的二相晶粒生长的元胞自动机模型,对陶瓷材料烧结致密化过程进行了模拟,并与制备的Al2O3/TiN陶瓷材料进行对比.结果表明,模型可有效地模拟陶瓷材料烧结时晶粒的生长及气孔的湮灭情况,能较好地再现烧结致密化过程,模拟结果与制备的陶瓷材料微观形貌组织十分接近.     

Al-7%Si凝固过程组织演变的元胞自动机方法模拟

为了能够准确地描述组织演变,应用连续性方法处理糊状区域不连续物理性质.同时为了更准确地描述每个单元的溶质成分,考虑了由于凝固过程中固相分数的变化引起的距离变化对溶质扩散的影响.在模拟过程中在糊状区域内引入随机扰动.最后利用元胞自动机方法进行性核与长大的模拟.应用这种方法模拟了一个Al-7%(质量分数)Si铸锭的凝固过程组织演变.模拟结果显示模型能够描述凝固过程中的组织演变以及晶间偏析的出现.     

用元胞自动机预测超声-电沉积Ni-SiC纳米镀层的显微组织

采用超声-电沉积Ni-SiC纳米镀层方法,在A3钢表面制得Ni-SiC纳米镀层。利用CA预测模型研究超声-电沉积Ni-SiC纳米镀层的显微组织结构。结果表明,在Ni-SiC纳米镀层中存在Ni和SiC相。随着超声波功率的增加,Ni-SiC纳米镀层的显微组织更加致密、光滑。CA预测说明,在NC-1,NC-2和NC-3镀层中,镍晶粒的平均粒径分别为188.2,135.7和70.5nm,SiC粒子的平均粒径分别为105.4,80.9和36.2nm。CA预测模型的预测结果与实测结果相差不大,最大误差为5.0%。     

合金钢氮化与氮化物沉淀动力学的元胞自动机模拟研究

应用元胞自动机模型对合金钢表面氮化及扩散层中氮化物沉淀过程进行了计算机模拟。考察了过程的动力学和沉淀相尺寸与分布特征，以及氮势和稳定氮化物形成元素含量对它们的影响。结果表明氮化过程动力学为抛物线型，抛物线速率常数k随氮势提高呈线性增大；氮化物形成元素含量xM对氮化速率也有影响，k～XM基本呈线性正比关系；表面渗氮层内的稳定氮化物沉淀相颗粒尺寸与体积分数则随氮势的降低而增大。     

基于元胞自动机的陶瓷复合材料的设计与制备

基于元胞自动机理论对ZrB2/(W,Ti)C陶瓷复合材料进行了模拟,并对其进行了相关实验验证。模拟结果表明,随着(W,Ti)C含量的增加,晶粒的形貌不断地发生演化,(W,Ti)C加入的比例较合理时晶粒大小合适并分布比较均匀。实验结果表明,晶粒的尺寸随模拟的变化规律与实际情况较为吻合,利用元胞自动机理论进行复合材料的模拟,可以很好地模拟复合材料的微观组织演化。     

元胞单元法在花键分析中的应用

元胞单元法是一种新的力学计算方法,它将结构的整体求解变成局域分析,通过力的局域间的不平衡传递达到最终的整体平衡.它对计算机容量要求极低,在大型复杂结构的计算方面具有良好的前景.同时,由于借用了元胞自动机的思想,可形成一种高度并行的算法,适用于未来并行机的要求,是一种富有发展潜力的新的数值方法.将该方法应用于卷板机花键的静力分析,以检验其实际应用的可行性.文中以直观的方式介绍了元胞单元法的基本原理,给出了详细的计算步骤和结果,探讨了方法的有效性,并对其优点和存在的问题进行了讨论.     

低碳钢奥氏体转变为铁素体的元胞自动机模型

建立了一个在压缩变形的连续冷却作用下，低碳钢中奥氏体γ转变为铁素体α的二维元胸自动机模型，模型考虑到α相在奥氏体晶界上形核与生长，碳溶质和温度场在奥氏体和铁素体中的扩散，讨论了冷却率和应变等因素对γ→α用相变的影响。     

基于2.5维元胞自动机的人群疏散模型

在二维元胞自动机的基础上提出2.5维元胞自动机的新概念.以大型运动场馆为研究对象,研究和建立了基于2.5维元胞自动机的人群疏散网格模型.该模型兼顾考虑了场地客观因素及人员主观因素方面的影响,引入的高程因素对人群疏散情况分析是有效的.最后通过实例论证了提出的2.5维元胞自动机模型对人群疏散仿真效果的实用性及合理性.     

122号初等元胞自动机的周期性分析

自然界存在着许许多多的复杂系统,这些系统的每一部分结构可以非常简单,但由于各部分之间存在着一定的关联（耦合）,最后表现出的整体性态可以极其复杂。元胞自动机就是研究复杂系统的理想化的一种数学模型。90号初等元胞自动机时间序列的非周期性已经清楚[11],通过用122号和126号初等元胞自动机类比。证明122号初等元胞自动机规则下一类有限初始条件:s⁰=…0010^2k₁-110^2k₂-110^2k₃-11…0^2k_n-1100…产生的时间序列是周期的（其中k_i和n,i=1,2,…n是任意正整数）。除此类型以外的有限初始条件产生的时间序列是非周期的。     

122号初等元胞自动机的周期性分析

自然界存在着许许多多的复杂系统,这些系统的每一部分结构可以非常简单,但由于各部分之间存在着一定的关联（耦合）,最后表现出的整体性态可以极其复杂。元胞自动机就是研究复杂系统的理想化的一种数学模型。90号初等元胞自动机时间序列的非周期性已经清楚[11],通过用122号和126号初等元胞自动机类比。证明122号初等元胞自动机规则下一类有限初始条件：s^0=．．．0010^2k1-1 10^2k2-110^2k3-11…0^2kn-1100…产生的时间序列是周期的（其中ki和n,i=l…2．_n是任意正整数）。除此类型以外的有限初始条件产生的时间序列是非周期的。     

基于元胞自动机的薄膜磁滞回线的计算机模拟

利用Stoner-Wohlfarth模型,概率型元胞自动机的模型和算法,在考虑了退磁场和交换作用的情况下对薄膜的磁滞回线进行了模拟,比较了温度以及和易轴取向变化时磁化曲线以及剩磁矩形比和矫顽力的不同及变化趋势.退磁场和交换作用的引入对磁化翻转过程有显著的影响,剩磁矩形比和矫顽力都有不同程度的提高.