元胞自动机方法模拟材料点蚀过程的建模过程.pdf

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1、206化工机械2011年元胞自动机方法模拟材料点蚀过程的建模过程刘静+李自力侯蕾曹志栓(中国石油大学(华东))摘要基于元胞自动机模型的框架特性，构建了模拟材料多点蚀过程的元胞自动机(cA)模型框架。简要介绍了CA作为一个物理系统模型的优点。提出了模拟材料多点腐蚀初期和增长期的计算机模型原理，最终提出了点蚀的CA模型。关键词元胞自动机点蚀计算机模拟中图分类号TQ050．9文献标识码A文章编号0254—6094(2011)02m206-05点蚀是破坏油气管道、储油罐中材料和结构完整性的主要腐蚀机制之一。点蚀一般容易产生于化学或物理不均匀性表面，像杂质

2、、裂缝、机械损伤或错位等。由于油气储运设备特殊的使用环境，设备材料和周围的土壤之间比较容易产生电化学反应和蚀坑。众所周知，点蚀对油气储运设备的疲劳寿命有着显著的影响，疲劳裂纹通常在点蚀处产生。周期负荷和腐蚀性环境的相互作用加剧了点蚀的过程，而作为几何间断点的点蚀导致了裂缝的形成和扩展，最终造成失效。腐蚀可以导致结构部件在疲劳载荷条件下的加速失效。认识和预测点蚀损害对保证储运设备材料和结构的完整性十分重要。点蚀是一个非常复杂的过程，涉及到很多机理，腐蚀损害模型不仅应考虑物化和环境因素，还应考虑自然界的各种随机参数。除了已有的各种确定性和经验方法外，

3、有必要发展可以预测初期多点腐蚀损害和成长期形态及力学参数的计算机模拟模型。关于腐蚀前期工作大部分专注于化学过程、电流和电位，以及有限生长模型。腐蚀形态学已经引起了极大的关注，但是对二维生长模型的仿真进行的工作还很少，还没有基于局部规则的多点腐蚀生长演化模型的相关文献。采用元胞自动机(CellularAutomata)方法构建一个离散动力系统模型模拟金属材料多点腐蚀的生长过程。该模型基于化学因素捕捉点蚀的生长，并且这个连续的数学模型是用来找出哪些参数影响点蚀过程以及它们如何影响增长速度。所有重要的因素都考虑进元胞自动机规则。该模型具有普遍性，可以适

4、用于不同的金属材料。1物理系统模型CATo舶li等人⋯的工作表明了cA作为一个模拟物理和生物系统的物理模型，是成功的应用。这一开创性工作引起了在不同领域大量以CA为基础的模型应用的发展。气体点阵模型，又被称为HPP模型，是由Hardy等心1开创的，它由一些小的完全分离的离散晶粒组成，这些晶粒通过在二维晶体空间内移动、碰撞，保存动能。HPP模型的成功，证明了CA用来进行复杂系统仿真模拟比其他传统计算机方式都更具优越性。今天，cA模型已经成功应用于多孔介质中的流体模型，液滴的扩散和润湿现象”】，微型乳剂HJ，腐蚀和迁移问题，催化剂表面的建模以及森林火

5、灾模型。最初的cA模型是由冯诺伊曼提出的，是一个二维正方形格子。每个方格被称为元胞。这些元胞可以在任何特定时间处于不同的状态。每个元胞的演变和每个元胞的内部状态的更新是由一套规则控制且同步发生，由此创建的元胞空间，是一个完整的离散动力系统。早些时候wolfram的工作表明，CA作为离散动力系统能呈现出大量连·刘静。女，1986年10月生，博士研究生。山东省青岛市，266555。带鲻拄第2期化T机械缝功，J最缱的"-能．并¨c^搓供r一个简单的枉架这些特点使其成为理想的计箅的模拟点蚀埔K打法2多点腐蚀初始状态和成长期的模型基1一兀胞自动机打法笔抒构

6、建丁多点腐蚀"期剐成K崩¨谇机模型的一般框架。术被_搿蚀的盘埘表呵被分成点蚀初期和成K期摸型的方形兀胞’21点蚀钠jgl模型_：仞精阶段，每个元胞都与时间￡的韧蛐状志s(r，，)有关。s(c，f)的进展随着每步随机过韩。．增由盯一个m的随机期掣值茫每一步，如聚棚邻J[胞韧蛤状态超过r韧始临界值，点蚀便会住兀胞-h“生。H产生Jf蚀坑，增妊模型便会发生作卅对于末腐蚀的JL胞．初始运算法则继续使用f‘涮出现一个蚀坑或元胞受到邻册的影响瘦，F腐蚀，初始运算法则定义如下as(of)足束胜}蚀元胞c在f时刻的钟始状志，使拟之初醴定为s(c．f)韧始假；b^

7、·时州步K的每一步．对于朱腐蚀呐元胞r，5(f．，)=s(f，f一1)+Pos¨㈣，H中Pos卜时e址lI的随机期掣值：c时于每十束腐蚀的元胞c．c屉雨发牛瓿蚀Jl

8、c决_卜泼几胞‘j棚郜儿胞的韧始状态值．如粜Ls(f，f)+∑s(f+m，￡)]／n>H．邮么冗胞r将发牛点蚀，其一}1c十＆足c元胞的邻居，月足固定例值；d在F个时间步长中，再次回到针对来碴}蚀m胞的步骤b和c，旧时将点蚀增长运算法则应用刮发生韧始腐蚀的元胞

9、二。腐蚀韧蛤状态的值可眦按眦下两种方式分^己特殊值1_

10、：金属表面E均等分配或随机分配。22电蚀增妊模型nt点肚笈生之肝使川

11、腐蚀增长模型．将基于兀胞自动机舶离散动态模型用于1奠拟点蚀诎坏增K过程s(r．f)代表r元胞，在f时刻的腐蚀状态函数。坐址，是个■维矢挝