面向大型金属工件组织模拟与预测的元胞自动机-有限元模型(英文)

基于能量最低原理,本文建立了适用于金属材料塑性变形过程中动态再结晶组织模拟的元胞自动机模型。模拟结果表明:晶界和第二相粒子对位错运动的阻碍作用有利于动态再结晶形核;变形组织中晶粒尺寸符合Weibull分布,平均晶粒边数随着变形量的增加逐渐增大至理想值6。将有限元方法和元胞自动机模型的耦合,本文模拟了金属材料的多道次热轧过程,分析了轧板中再结晶晶粒尺寸及分布、再结晶分数及分布。与实验结果的对比分析表明。

有限交换环上的线性元胞自动机

在线性元胞自动机矩阵表示的基础上证明有限交换环上的线性元胞自动机的一组定理,并借此分析某些典型线性元胞自动机的演化性质.

弹性力学中无网格和有限元耦合的元胞自动机算法

结合有限元和无网格算法的优势,提出了一种元胞自动机算法用以求解二维弹性力学问题。该算法将二维模型离散成一系列节点,这些节点被分成有限元群和无网格群。有限元区域被定义在问题的边界附近,其中的任一节点和其周围相邻点的力学关系通过有限元单元建立;无网格区域定义在远离原理问题边界处,其中的节点之间的关系借用有限元中的位移插值概念建立。无论处于有限元区域还是无网格区域,任何一个节点都被置于元胞自动机的框架下进行处理,即节点的位移通过元胞自动机进行求解。与有限元方法相比,所提出的元胞自动机算法无需采用高斯消去法等传统系统求解器,而是通过元胞自动机的自动演化解决问题。依据该算法,有限元和无网格方法可以实现无缝连接。数值算例验证了该算法的新颖性和正确性。

有限理性条件下投票过程的元胞自动机模型研究

有限理性理论认为个体的决策能力是有限的,本文建立元胞自动机(CA)模型研究群体决策中有限理性个体的投票过程,给出了CA的演化规则,模拟了相互邻接的个体间的相互作用,观测到了投票过程的一些微观现象。元胞自动机理论将是推动自然科学和社会科学发展的一个有效工具。

一种基于2-by-n元胞自动机的高质量伪随机数发生器(英文)

为了满足密码学对高质量的随机序列的需求,提出一种新的基于2-by-n元胞自动机的伪随机数发生器。并着重于最大周期的要求,首先介绍了在细胞自动机中与之相关的机制,随后给出了基于2-by-nCA的二维梯形伪随机数发生器,详细说明了该发生器的规则及最大周期。最后使用该发生器产生用于测试的伪随机序列。计算机模拟表明,提出的二维梯形伪随机序列发生器产生的伪随机序列完全可以通过FIPS 140-2测试标准,证明该发生器具有良好的统计特性,完全可以应用于密码学领域。

基于元胞自动机原理的LED基板热-力耦合解析

为了解决微小性结构设计问题中的可变边界条件和多物理场耦合效应的解析难题,提出了基于元胞自动机原理的热-力耦合规则和耦合解析方法。以LED基板热-力耦合现象为研究对象,通过基于元胞自动机原理的热-力耦合解析,得到LED基板温度、位移及热应力耦合的数值结果,并与FEM解析结果比较,证明了方法的有效性。所提出的基于自组织原理的热-力耦合解析方法和思想,为复杂多物理场条件下的微结构工程设计提供了一个具有灵活性的性能解析途径。

元胞自动机法模拟Al-4.5mass% Cu枝晶生长

通过引入溶质再分配、溶质扩散、界面能各向异性和界面曲率,构建了描述合金凝固微观组织形态演变的2D元胞自动机模型。并用该模型研究了Al-4.5mass%Cu合金凝固过程中树枝晶长大过程。结果表明:该模型较好地描述了枝晶生长、晶间和枝晶偏析。凝固过程中的溶质再分配直接影响着树枝晶的生长形貌和微观偏析形成。成份过冷是液/固界面失稳的主要原因,激发二次晶或三次晶产生。二次晶生长是相互竞争的过程,在成分过冷和曲率过冷作用下,二次晶根部溶质富集程度大,出现明显的"颈缩"。在枝晶生长过程中,枝晶间会形成小范围、高溶质浓度的孤立液体区域,形成晶间偏析或点偏析,树枝晶形貌对晶间偏析程度影响较大。在各枝晶臂上,先凝固部分溶质浓度较后凝固部分溶质浓度低,并且中心溶质浓度较边缘处溶质浓度低,形成枝晶偏析,枝晶偏析在枝晶的亚稳态生长阶段更显著。

确定的有限元胞自动机的两个性质

提出了确定的有限元胞自动机的概念,通过对演化构形的惟一性特征的分析,证明了确定的有限元胞自动机的状态演化最终处于稳定状态或者循环状态;具有相同演化结果的状态构成等价关系两个性质.利用初等元胞自动机对其进行了验证,在此基础上,对元胞自动机的四个普遍性分类进行了三个层次的探讨.

基于元胞自动机的有限单元法研究

在对二维元胞自动机的基本原理与特点及平面有限单元法的原理进行简单介绍之后,探讨了基于二维元胞自动机的有限单元法的原理和方法。给出了具体的解题步骤,以平板的应力问题分析为例,进行了数值计算,给出了详细的计算步骤和结果。结果证明了基于二维元胞自动机的有限单元法原理的可行性。

元胞自动机模型模拟枝晶一次间距的选择

发展了一个元胞自动机模型来模拟定向凝固中枝晶阵列的一次间距选择.在模型中通过采用简化的生长动力学降低了计算复杂度,并给出了判断系统达到稳定态的方法.基于两种一次间距的调整机制——侧枝不稳定性和湮没不稳定性,分别采取两套不同的数值实验方法:一套是种晶数目固定,采用台阶变速方式;另一套是种晶数目改变,抽拉速度恒定.确定了给定的生长条件下技晶阵列的一次间距的允许范围.模拟结果表明,一次间距的允许范围基本独立于数值实验方法,而允许范围的上限λ_(max)和下限λ_(min)可以一般化地表示为抽拉速度的幂函数.针对丁二腈-2.5%乙醇定向凝同枝晶的生长模拟得出的幂函数参数与文献的实验结果吻合得很好,模拟结果的下限与实验结果下限吻合的程度优于Hunt-Lu模型的下限.

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。

复杂网络上病毒传播的元胞自动机模拟

针对病毒在复杂网络拓扑结构中传播行为的多样性特点,运用元胞自动机模拟病毒传播过程,并采用"易染-感染-免疫"模型和"易染-感染-易染"模型构造元胞自动机模拟方法。实验结果表明,该自动机模型能较好地模拟复杂网络中病毒的传播过程。

基于元胞自动机的红外图像增强新方法

提出了利用元胞自动机进行红外图像增强的新方法.使用有限状态机分析了状态空间的计算模型和特征,状态转移函数采用了冯·诺伊曼邻域和一致的演化规则。在实拍的红外图像上进行增强实验,结果表明:基于元胞自动机的红外图像增强方法能够有效地提高红外图像整体对比度,同时突出红外图像中目标的细节信息,无论主观评估,还是客观评估,在视觉质量上均优于传统的直方图均衡法、反锐化掩膜法等。

区间参数柔性机构设计的混合元胞自动机方法

进行柔性机构设计时,应考虑不确定性参数对机构性能的影响。基于此,将柔性机构物理参数及其外载荷视为区间变量,基于柔性机构的刚性测度和柔性测度,建立在连续域中利用结构拓扑优化设计柔性机构的数学模型。采用固体各向同性惩罚方法进行设计域材料的参数化,将材料相对密度作为设计变量,结构受载时的应变能和交互势能线性加权的极大化作为目标函数,结构体积作为约束。优化设计求解策略采用混合元胞自动机方法,用区间有限元法进行结构总体分析以获取优化过程中的每次迭代信息,设计变量中的局部改变由基于比例—积分—微分控制律的局部设计规则来确定。数值算例证明了所建模型及其解法的有效性。按照数值算例结果之一进行等比例尺寸放大后的实物制造,并进行简单试验验证。

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型。与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素。枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法。使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长。模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理。

面向对象的有限空间内高密度人群流动元胞自动机模型研究与分析

基于面向对象技术,在已经有的元胞自动机交通流模型和行人流模型的基础上,建立一个在有限空间内高密度人群流动模型。对所提出的模型进行了计算机模拟验证。主要特点是:1.面向对象思想的采用,使得大规模人群流动的元胞自动机模型具有良好的适用性,扩展性和复用性。2.根据出现高密度人群的一般情况和控制对象的需求,提出“元胞控制块”的概念,使整个模型架构具有很强的应用转化能力。

耦合元胞自动机的尾气排放规律数值模拟

为分析城市道路实际交通条件下汽车尾气的排放规律,对元胞自动机的MCD模型和STCA模型进行改进,构建一种基于速度-加速度查询表耦合交通流元胞自动机的汽车尾气排放量统计模型。在不同交通流服务水平下运行该耦合模型,以获取速度、加速度及工况。对单车的工况分布、3种典型尾气排放历程及1 h与1 km排放总量进行统计分析,结果表明,该模型耦合机理清晰,可用于实际交通服务水平下单车及车流尾气排放规律的分析。

基于元胞自动机的AZ31镁合金复合变形动态再结晶组织演变规律

提出了一种压痕-压平复合变形方法,分析了复合变形基本特征及作用,定义了复合变形程度表征参数,即复合变形压下量、波形间距和复合变形系数。将计算机模拟软件及元胞自动机方法相结合,对AZ31镁合金压痕-压平复合变形过程中的动态再结晶组织演变规律进行数值模拟研究。结果表明,压痕-压平复合变形方法可以有效细化AZ31镁合金的晶粒尺寸,改善组织性能。AZ31镁合金复合变形过程中,随着变形温度的升高、复合变形系数的增加以及复合变形压下量的增大,晶粒尺寸显著降低。数值模拟结果与实验结果相吻合,相对误差小于13.8%。

单车道双概率元胞自动机模型

在分析经典一维单车道元胞自动机模型的基础上,提出了改进FI模型的TPFI模型.该模型在FI模型的基础上增加一个新的随机慢化概率,以减少FI模型中过大的瞬时加速度出现的概率.运用TPFI模型来描述交通流参数:密度-流量关系,发现在取得合适的概率值组合的条件下,该模型模拟的密度-流量曲线比其他元胞自动机模型的模拟结果更加接近于实际数据曲线,通过计算机编程实现车辆时空图模拟,验证TPFI模型与FI模型适用于低密度、高速度的交通流仿真.

混行交通流元胞自动机模型和社会力模型的分析与比较

文中以支路上的机动车和自行车构成的混行交通流为研究对象,分别建立了元胞自动机模型和社会力模型,并基于MATLAB实现仿真。元胞自动机模型对NS模型进行了改进,并根据不同类型车辆的行驶特点,分别制定了自行车、机动车换道规则。社会力模型通过分析模拟车辆的内力和外力实现车辆速度和位置的变化。研究结果表明社会力模型较元胞自动机模型而言,更好地描述混行交通流中的机动车流的速度—流量特性。