基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)模型基本原理,建立符合镁合金密排六方结构特点的凝固过程形核、晶体生长的数学模型。模型耦合宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义界面单元捕获规则,能够模拟枝晶生长的形态。应用本模型对单个等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及定向凝固中的柱状晶生长进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。

采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展

系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状。实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程。最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展。

动态再结晶过程的定量化可视化元胞自动机模拟

以热加工过程的金属学理论为基础,将金属的宏观热塑变形参数和内部能量状态引入以正六边形为基元的元胞自动机仿真方法,建立定量化、可视化的动态再结晶二维元胞自动机模型。模型中充分考虑了形核率、临界形核位错密度、位错密度增长以及再结晶晶粒长大驱动力和内部能量状态等多方面因素,可模拟加工硬化、动态回复、形核以及再结晶晶粒长大等一系列过程。利用该模型以纯铜为例对不同温度、不同应变速度下的动态再结晶过程进行模拟,再现动态再结晶形核、晶粒长大的微观组织演变过程,定量分析动态再结晶的动力学特征,并在该模型的基础上分析应变速率对动态再结晶过程以及再结晶晶粒尺寸的影响。模拟结果与相同热变形条件下的纯铜试验结果基本吻合。

基于一维混合元胞自动机模型的汽车变厚度B柱设计

为了将连续变厚度轧制工艺更好地应用于车身轻量化设计和耐撞性设计,针对连续变厚度轧制(TRB)B柱不同区域厚度分布的设计问题,提出一维混合元胞自动机(ODHCA)模型。建立变厚度B柱的ODHCA模型,提取元胞厚度作为设计变量,确定其局部更新规则;根据连续变厚度轧制工艺的特点定义设计区域的约束条件,确定ODHCA方法的迭代方式与收敛准则。结果表明:应用ODHCA方法,在等质量情况下,胸部、腹部、骨盆位置侵入量分别降低了8.8%、13.4%、14.6%;而在质量降低14.2%时,上述各部位的位置侵入量分别降低了5.8%、9.6%、10.3%。因而,该方法可以改善B柱的变形模式,提高侧面碰撞安全性能,并满足轻量化要求。

一个新的用于元胞自动机模拟微观组织的溶质分配模型及其计算验证

在已有的几种溶质再分配计算模型的基础上,建立了一个新的更为合理的溶质再分配模型.该模型充分考虑了枝晶生长过程中可能出现的固/液界面元胞的各种状态及其邻居元胞的各种状态,根据这两者的不同状态,分别建立不同的计算公式展开计算.利用所建立的模型消除了原有的扩散控制的元胞自动机(CA)生长模型存在的在晶界处元胞不凝固的缺陷.接着,为了进一步验证模型的可靠性,在Kurz-Giovanola-Trivedi方法控制的CA生长模型中引入新的溶质再分配计算模型,对Al-4.7 wt%Cu合金铸锭进行了模拟计算,并与实验结果进行了金相组织和成分分布两方面的对比,表明新模型具有较好的精确性.

基于两套网格的CA方法模拟铸造镁合金凝固过程枝晶形貌演化

提出了一种基于两套网格的元胞自动机(CA)模型,用来模拟铸造镁合金凝固过程的枝晶形貌演化.模型中采用的两套网格,一套为四边形正交网格,用来求解溶质扩散方程;另一套为正六边形网格,用来进行CA方法的计算,以反映镁合金枝晶形貌的六重对称特征.模型中,枝晶尖端生长驱动力由界面平衡溶质浓度和求解扩散方程得出的界面实际溶质浓度的差值决定.应用该模型计算了AZ91D镁合金自由凝固条件下的单个等轴晶生长和定向凝固条件下的柱状枝晶生长以及Mg-10Gd-2Y-0.5Zr(质量分数,%)镁合金多晶粒等轴晶生长.将模拟结果与浇铸AZ91D镁合金的块状试件和Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金的阶梯试件进行了对比.

基于热力学函数的纳米晶粒长大Cellular Automaton仿真研究

基于纳米晶热力学特性表征函数,将纳米晶热力学性质对晶界迁移的影响引入Cellular Automaton算法,对纳米晶粒长大行为进行了定量化和可视化的仿真研究.模拟结果表明,纳米晶粒长大的动力学与传统粗晶材料不同,在恒温条件下,纳米晶粒的长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数n=2为常数),随纳米晶粒长大过程的进行,n值从1.70至6.59发生变化.作为纳米晶粒长大的驱动力,纳米晶界的过剩自由能与纳米晶粒尺寸的变化直接相关.由于纳米晶材料强烈的小尺寸效应,纳米晶组织的热力学性质较大地影响纳米晶界的结构和能量状态,从而影响纳米晶粒长大的动力学特征.因此,只有结合纳米晶热力学特性的仿真研究才能获得对纳米晶粒长大行为本质性的认识.

基于角点生长算法的镁合金晶粒组织模拟

建立了一种新的模型来模拟镁合金凝固组织,该模型采用了概率性元胞法(正方形元胞、四邻胞配置)。凝固过程中的形核由高斯分布形核模型控制;枝晶的晶向随机定义;枝晶尖端的生长速度由KGT模型计算后拟合成三次多项式;元胞的捕捉和状态转换规则由针对镁合金密排六方特性设计的角点生长算法控制。利用该模型计算了单个及多个晶粒的生长过程,并通过多个晶粒模拟结果与实验结果的对比验证了模型的准确性。

材料组织结构演变的介观模拟

计算机模拟在材料上的应用主要是对宏观、介观和微观上材料行为的模拟 ,其有很大的优越性 材料介观的组织结构转变对宏观材料行为有很大的影响 介绍了材料设计中的计算机模拟及其步骤 主要介绍了蒙特卡罗和元胞自动机 2种计算机模拟方法对材料介观转变行为模拟的应用 。

混沌边缘的复杂性探析——对不同领域内复杂性产生条件的同构性分析

不同的学科领域在研究复杂性产生条件时,虽然各自研究的侧重点不同,但最终的结果却表现出某种同构性。这种同构性表明复杂系统自身有它的普遍特征和普遍规律,因此研究这种同构性是十分重要的。为了对这种同构性进行具体分析,本文首先对不同学科领域内复杂性产生的条件分别进行阐述,然后运用元胞自动机的研究工具将它们模拟出来,并运用离散动力学中的"混沌边缘自组织"的概念对它们进行概括,对其方法论意义进行哲学分析。我们的结论是:在不同的研究领域内,复杂性的产生条件具有同构性,这种同构性可以从计算理论上对它进行统一描述,并从哲学上对它进行语义分析。

基于一种改进CA模型模拟双辊连续铸轧纯铝微观组织

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型.模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义了界面单元捕获规则,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态.应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性.

电渣重熔过程中传热及凝固组织的数值模拟

在凝固传热数学模型基础上,采用正态分布形核模型和二维偏心生长模型,模拟了钢锭重新凝固过程温度场及钢锭凝固组织的生长情况。数值结果表明:电渣重熔钢锭以倒"V"形的柱状晶为主,中心和底部为等轴晶,模拟结果与实验结果符合良好。随着渣温的提高,熔池变得深且宽;随着侧壁换热系数的增大,熔池深度变浅;随着重熔速度的减小,熔池深度也逐渐变浅;较低的渣池温度、较大的对流换热系数有利于等轴晶形成,而重熔速度对凝固组织的影响不大。

可降解高聚物的降解跨尺度建模研究

可降解聚合物由于其良好的应用前景吸引了广大科研工作者的兴趣。但降解过程复杂,使得建立降解过程的模型研究总是局限于某些片段。如在尺度上或微观、或宏观;研究方法上或离散、或连续;模型也或随机或确定。本文在蒙特卡洛方法、元胞自动机方法基础上提出新的建模思路,即将不同尺度上离散化与连续性相耦合、随机性与确定性相耦合的元胞蒙特卡洛自动机方法(CMCA)。将连续问题以元胞的方法进行离散,在不同元胞上以概率实现随机事件的发生,由元胞的更新迭代进行演化,揭示了从微介观到宏观的降解变化过程。本文对具体的步骤和执行算法进行了详细的解释,并以聚乳酸盘进行实例计算,计算结果表明建模方法正确。

基于自由能变化的一种新的CA数值模型研究

基于晶体生长过程中的自由能变化,提出了一个新的模型来模拟枝晶生长。在新模型中,晶体生长由固-液界面处的自由能差来驱动,采用CA方法来跟踪新的界面单元。相对于KGT模型和溶质扩散型模型,该模型更加适合于难于寻找生长速度函数及生长过程基本无成分变化的晶体如金属间化合物等的微观组织模拟。新模型具有普适性。然后,基于新模型,构建了相应的算法并予以程序实现。在一个算法循环中,以当前计算单元为中心,同时考虑了计算网格中连续三层网格单元的状态-当前生长单元、生长单元的邻居单元、以及这些邻居单元的状态。计算结果与实际情况较为一致。

Cellular Automaton Simulation of Evacuation Process in Story

Computer simulations on the evacuation process in a story are launched with cellular automaton in this article. The story is composed of five rooms and one corridor. Influence of various parameters on the evacuation process is investigated. It shows that the width of the door of rooms has little influence but the width of the corridor and the maximum velocity of the pedestrian have great influence on the time for evacuation. The relation between evacuation time and the width of corridor is found as tc ∝ W^-0.84. It is also found that appropriate shape of the room is helpful to evacuation.

机车车辆端部结构拓扑-参数一体化优化方法

拓扑优化方法广泛用于获取结构的优化构型,而参数优化方法用于具体结构参数的取优,为了整合这两种方法的优势并提供一体化优化方案,以机车车辆端部结构被动安全性为研究对象,提出一套可以同时考虑静态和动态载荷作用,适用于大尺寸结构的拓扑-参数优化方法。该方法的拓扑优化部分采用缩放能量权重的混合元胞自动机方法对端部结构进行综合耐撞性和刚度评估的拓扑优化设计,有效解决拓扑优化多工况中由于能量差异而导致的结果偏差;参数优化部分结合网格变形技术和自适应模拟退火优化算法对结构进行给定接触力约束条件下的参数优化。具体算例结果表明,利用该方法优化后机车车辆在正面碰撞中的关键接触力峰值下降26.2%46.3%,变形模式更趋于合理;在侧翻碰撞中乘客生存区间的上下部安全距离分别增加24.8%和12.8%。

热加工材料动态再结晶介观组织模拟模型的研究进展

通过计算机模拟技术可以有效模拟金属材料热变形过程中动态再结晶组织的演化过程,从而达到预测材料性能的目的。介绍了目前材料动态再结晶过程介观组织模拟的两种模型---元胞自动机(cellular automaton,CA)模型和蒙特卡洛(monte carlo,MC)模型的模拟技术及其研究进展,重点分析了现有动态再结晶介观组织MC模型存在的问题并且提出了解决思路。

采用一种改进CA模型模拟双辊连铸纯铝凝固过程的晶粒生长(英文)

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型。模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和潜热释放等重要因素的影响,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态。应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好。

Science China Technological Sciences 2020年63卷第3期中文摘要

元胞自动机方法模拟动态再结晶过程中组织演变的研究进展朱华佳,陈飞,章海明,崔振山在工业生产复杂的加工和热处理过程中,金属及合金材料的宏观力学性能在很大程度上取决于其化学成分及微观组织.在热塑性变形过程中,动态回复、动态再结晶(dynamic recrystallization,DRX)、静态回复和静态再结晶等是关键的微观组织演化机制.因此,准确预测和精确控制材料的微观组织演变将有利于设计人员通过热加工获得良好的力学性能.

微电子学、集成电路

TN4 2005030352 元胞自动机方法在MEMS工艺模拟中的应用/周再发,黄庆安,李伟华(东南大学)//传感器技术.-2004,23(4).-77-80 随着计算机技术的发展和MEMS自身发展的需要,应用元胞自动机方法模拟MEMS加工工艺的研究发展迅速.首先,简要介绍了元胞自动机原理,然后,综述了元胞自动机方法在MEMS工艺模拟中的应用现状,分析了应用元胞自动机方法模拟MEMS加工工艺的前景和方向。图3参13(李)