岩石中结晶颗粒竞争性生长的随机元胞自动机模拟_

元胞自动机在金属材料研究中的应用1. 介绍在金属材料研究领域，元胞自动机（Cellular Automaton，CA）是一种重要的建模和仿真方法。

它通过将材料系统分成一系列离散的元胞，并定义了这些元胞之间的相互作用规则，从而模拟材料行为和演化的过程。

元胞自动机在金属材料的结构、性能以及材料制备等方面都有着广泛的应用和研究。

2. 结构建模元胞自动机可以对金属材料的结构进行建模。

通过将金属材料划分为一系列离散的元胞，每个元胞代表一个微观结构单元，可以是晶格点、原子或者分子等。

然后定义元胞之间的相互作用规则，例如晶格点之间的相互作用、原子与原子之间的键合等。

这样可以模拟材料在不同温度、应力等条件下的结构演化过程，进而研究材料的晶体生长、相变以及缺陷等行为。

2.1 晶体生长元胞自动机可以模拟金属材料的晶体生长过程。

通过定义晶格点之间的相互作用规则，可以模拟晶体在一定温度和物理条件下的生长过程。

例如，在固态金属材料中，晶体的生长是通过晶格点之间的扩散、结晶等过程实现的。

元胞自动机可以模拟晶体生长的动力学行为，研究晶体生长的速度、形貌以及晶界等特征。

2.2 相变元胞自动机也可以模拟金属材料的相变行为。

相变是金属材料中晶体结构发生变化的过程，例如熔化、凝固、固相变等。

通过设定相应的相变规则，元胞自动机可以模拟不同条件下金属材料的相变过程。

例如，在凝固过程中，通过设定固态晶体的生长速率、晶格定向等参数，可以模拟材料的凝固行为，研究凝固过程中的组织演化和相变行为。

3. 性能预测除了对金属材料的结构进行建模外，元胞自动机还可以用于预测材料的性能。

通过将材料的微观结构与性能的关系建立起来，元胞自动机可以模拟材料的力学性能、热学性能以及电学性能等。

3.1 力学性能元胞自动机可以模拟金属材料在力学加载下的行为。

通过设定元胞之间的相互作用规则和外界加载条件，可以模拟金属材料在拉伸、压缩等力学加载下的应力应变响应，预测材料的力学性能，例如杨氏模量、屈服强度以及断裂行为。

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长
许林;郭洪民;杨湘杰
【期刊名称】《铸造》
【年(卷),期】2005(054)006
【摘要】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.
【总页数】4页(P575-578)
【作者】许林;郭洪民;杨湘杰
【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西,南昌,330029;南昌大学材料科学与工程学院,江西,南昌,330047;南昌大学机电工程学院,江西,南昌,330029
【正文语种】中文
【中图分类】TG244+.3-39
【相关文献】
1.元胞自动机法模拟Al-4.5mass%Cu枝晶生长 [J], 吴强;杨湘杰;谢水生
2.基于元胞自动机法的铝合金定向凝固过程微观组织数值模拟 [J], 黄建峰;杨屹;李
羽晨;杨军;吴钋冰;姚进
3.基于自适应有限元法的纯物质三维枝晶生长模拟 [J], 朱昶胜;李椿茂;冯力;肖荣振
4.基于元胞自动机法的铝合金腐蚀行为模拟 [J], 崔艳雨;赵沅沅
5.铝合金三维枝晶生长相场模拟 [J], 赵红兆;荆涛;柳百成
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专利名称：一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法专利类型：发明专利
发明人：陈飞,朱华佳,崔振山
申请号：CN201910864302.6
申请日：20190912
公开号：CN110706758B
公开日：
20220211
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法，该方法包括多个时间步，每个时间步的模拟过程包括以下步骤：(S1)将应变增量作用在母元胞空间，对母元胞空间进行全场多级晶粒拓扑变形模拟；(S2)计算母元胞空间中的平均位错密度以及每个元胞的位错密度；当平均位错密度小于临界位错密度ρcr时跳转至步骤(S1)，进行下一时间步的模拟；(S3)从母元胞空间中选取若干满足动态再结晶形核条件的元胞，并对其进行动态再结晶形核模拟；(S4)对母元胞空间中的晶粒长大过程进行模拟。

本方法可以很好的反映实际的再结晶形核物理机制，并能更加真实、准确的反映DRX过程中晶粒拓扑变形过程。

申请人：上海交通大学
地址：200240 上海市闵行区东川路800号
国籍：CN
代理机构：上海伯瑞杰知识产权代理有限公司
代理人：周兵
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有第二相粒子阻碍的晶粒粗化元胞自动机模拟范昌胜;郭强;刘泽照【摘要】采用元胞自动机算法模拟晶粒粗化过程中第二相粒子的阻碍现象.通过CA法,在考虑第二相粒子阻碍的晶粒粗化过程中模拟了其动力学、拓扑学及形态学的演化,并研究了温度及时间对粗化过程的影响.模拟结果显示:考虑第二相粒子,晶粒的粗化动力学指数接近3,而不是2；但是拓扑学特征与理想条件的粗化相同,即晶粒边数为6的晶粒占的比例最大,其次为五边形和七边形,而晶粒边数为3或10的晶粒所占比例很低,约为5％左右；CA法模拟晶粒粗化过程组织形态演化表明,随着保温时间的增加或温度的升高,晶粒平均尺寸在增大.模拟结果与相关文献中的结论相同,表明了本文CA模型的可靠性.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(032)003【总页数】5页(P23-26,44)【关键词】元胞自动机算法;微观组织演化;晶粒粗化;各向异性【作者】范昌胜;郭强;刘泽照【作者单位】陕西工商职业学院工程管理系,陕西西安710119;西北工业大学理学院应用数学系,陕西西安710068;陕西工商职业学院工程管理系,陕西西安710119【正文语种】中文【中图分类】TG316.3晶粒尺寸是材料微观组织结构的一个重要指标，而材料的微观组织结构对其性能如塑性、韧性、强度、硬度和耐磨性等具有重大的影响[1]。

因此，对微观组织演化过程中晶粒粗化现象的研究在材料科学与工程领域一直占有举足轻重的位置，而且也是今后本领域的研究热点 [2-4]。

到目前为止，研究微观组织演化的常用手段包括实验研究、数值解析方法和微观组织演化的数值模拟法。

实验研究是一种常用的研究手段。

传统实验方法和解析手段尽管研究结果对实际生产起到了一定指导作用，但这种方法的缺点是工作量大，实验误差大[5]。

数值解析方法方法能够精确地描述微观组织的演化过程，而且取得了许多成果，但是计算工作量巨大[6]。

随着计算机技术的高速发展，传统的实验方法或解析手段已经不能满足现代材料科学技术发展的要求。

元胞自动机法模拟振动条件下Cr17不锈钢的枝晶生长行为元胞自动机法模拟振动条件下Cr17不锈钢的枝晶生长行为引言：Cr17不锈钢是一种广泛应用于航空、航天、汽车等领域的重要材料，其枝晶生长行为对材料性能具有重要影响。

振动条件下的枝晶生长是Cr17不锈钢研究中的一个重要课题。

为了深入了解振动条件对Cr17不锈钢枝晶生长行为的影响，本研究利用元胞自动机法对其进行模拟，并对模拟结果进行分析。

方法：1. 元胞自动机模型的建立：建立二维元胞自动机模型，以元胞为基本单元，模拟Cr17不锈钢的晶粒生长过程。

考虑晶粒表面能、界面能、晶格畸变等因素，并引入振动条件参数。

2. 模拟参数设定：设定结晶速率、晶粒生长方向、晶粒形状等参数，并考虑振动频率、振幅等因素，模拟振动条件下的Cr17不锈钢枝晶生长过程。

3. 模拟结果分析：通过观察和分析模拟结果，研究振动条件对Cr17不锈钢枝晶生长行为的影响。

重点关注枝晶形貌、生长速率、晶界形态等方面的变化。

结果与讨论：1. 枝晶形貌的变化：通过模拟发现，在振动条件下，Cr17不锈钢的晶粒生长呈现出更多的侧枝和分支，即枝晶形貌更加复杂。

2. 生长速率的变化：振动条件能够促进晶粒的生长速率。

振动频率和振幅的增大，会进一步提高晶粒的生长速率。

3. 晶界形态的变化：振动条件对晶界形态的变化也有影响。

模拟结果显示，在振动条件下，Cr17不锈钢晶界形态更加复杂，多呈现出弯曲、分叉等形态。

结论：本研究利用元胞自动机法成功模拟了振动条件下Cr17不锈钢的枝晶生长行为，并通过模拟结果分析了振动对晶粒形貌、生长速率、晶界形态的影响。

研究发现，振动条件能够促进Cr17不锈钢的枝晶生长，使晶粒形貌更加复杂，并且提高了晶粒的生长速率。

这些研究结果对于深入了解Cr17不锈钢的微观结构演变过程，以及改善其材料性能具有重要意义。

展望：本研究基于元胞自动机法对振动条件下Cr17不锈钢枝晶生长行为的模拟还存在一些不足之处，未来可以结合实验数据进一步优化模型，提高模拟结果的准确性。

第22卷 第10期岩石力学与工程学报 22(10)：1656～16602003年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，20032002年4月15日收到初稿，2002年5月21日收到修改稿。

* 国家重点基础研究发展规划(973)(2002CB412708)和国家自然科学基金(50179034)联合资助项目。

作者 李明田 简介：男，1975年生，2000年于武汉科技大学采矿工程专业获硕士学位，现为中国科学院武汉岩土力学研究所博士研究生，主要从事智能岩石力学与岩石工程方面的研究工作。

模拟岩石破坏过程的物理细胞演化力学模型*李明田 冯夏庭 周 辉(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点试验室 武汉 430071)摘要 基于细胞自动机理论和遗传算法，提出了一种物理细胞演化力学模型(ECA)。

该模型利用遗传算法搜索试验所得到的应力-应变曲线所对应的最佳能量耗散率，并且可以模拟岩石的非均质性、各向异性等特性；根据该模型得出的能量耗散率模拟得到的应力-应变曲线与试验曲线得到了很好地吻合。

关键词 岩石力学，岩石破坏，细胞自动机，遗传算法分类号 TU 458+.2，TP 183 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)10-1656-05EVOLVING CELLULAR AUTOMATA FOR SIMULATINGROCK FAILURELi Mingtian ，Feng Xiating ，Zhou Hui(Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics ，Institute of Rock and Soil Mechanics ，The Chinese Academy of Sciences ， Wuhan 430071 China )Abstract Based on the theory of the physical cellular automata (PCA) and genetic algorithm ，an evolving cellular automata is put forward. When rock failure is simulated with PCA ，the energy dissipative rate has to be chosen artificially. This model makes use of genetic algorithm to search for the fittest energy dissipative rate with the stress-strain curve. And it can simulate the homogeneity and the anisotropy of the rock conveniently. So if a stress-strain curve is given ，its corresponding energy dissipative rate can be attained with this model and it demonstrates that the rock will show more plasticity with the increase of the energy dissipative rate. Key words rock mechanics ，rock failure ，cellular automata ，genetic algorithm1 引 言岩石(体)是一种非均质、各向异性的高度复杂的介质。

元胞自动机模拟概率
元胞自动机是一种离散空间、离散时间的数学模型，通常用于
模拟复杂系统的行为。

在元胞自动机中，每个细胞都有一定的状态，并且根据一定的规则与其邻居细胞交互。

概率在元胞自动机模拟中
可以被用来描述细胞状态的转换或者交互的随机性。

从概率的角度来看，元胞自动机模拟可以涉及到以下几个方面：
1. 状态转移概率，在某些元胞自动机模型中，细胞的状态转移
可能具有一定的概率。

例如，在细胞自动机模拟中，细胞的状态可
能会根据周围邻居细胞的状态以一定的概率进行转换，这种概率可
以用来描述系统的随机性和不确定性。

2. 随机初始化，在一些元胞自动机模拟中，初始状态可能是随
机的，这涉及到随机概率的使用。

通过随机初始化，可以模拟系统
在不同初始条件下的行为，从而更好地理解系统的动力学特性。

3. 概率规则，在一些复杂的元胞自动机模型中，可能会引入概
率规则来描述细胞之间的交互。

这些概率规则可以使模拟更贴近实
际系统的行为，尤其是涉及到大量随机性和不确定性的复杂系统。

总的来说，概率在元胞自动机模拟中扮演着重要的角色，它可以帮助我们更好地理解复杂系统的行为，尤其是在涉及到随机性和不确定性的情况下。

通过合理地使用概率，可以使元胞自动机模拟更加真实和可靠，从而为我们提供更深入的系统分析和预测。