基于压缩表示的离子刻蚀仿真三维表面演化方法

为了研究表面演化过程的机理, 提出了一种基于压缩表示的三维表面演化方法来模拟等离子体刻蚀工艺,并着重探讨了对离子刻蚀的仿真. 为了解决三维元胞自动机内存需求量大的问题, 该方法将二维数组和动态存储方式相结合, 既实现元胞信息的无损压缩存储, 又保持三维元胞间的空间相关性. 实验结果也表明该方法不仅节省了大量内存, 而且在高分辨率条件下查找离子初始碰撞的表面元胞效率较高, 满足高分辨率仿真的要求. 将该方法应用于实现刻蚀工艺三维表面仿真中, 模拟结果与实验结果对比验证了该方法的有效性. 关键词： 等离子体刻蚀 元胞自动机 表面演化方法 高分辨率仿真     

离散元与有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中，往往遇到多尺度计算问题，提出并建立起离散元与有限元结合的多尺度方法，该方法采用离散元对感兴趣的局部进行细观尺度的模拟，利用有限元进行宏观的模拟，从而节约了计算时间．采用一种特殊的过渡层衔接离散元区和有限元区，将这一方法应用于激光辐照下预应力铝板的破坏响应，并将得到的模拟结果与实验进行了比较。     

基于孔洞体胞模型铸造镁合金ML308的本构方程

铸造镁合金不可避免地包含许多微孔洞,这些微孔洞在材料的后续加工及服役过程中将发生演化,并对材料的力学行为产生重要影响.基于球形孔洞体胞模型,提出微孔洞长大及形核方程,它们构成微孔洞的演化方程.根据孔洞演化将造成材料性质弱化的物理机制,将微孔洞演化以弱化函数的形式引入到非经典弹塑性本构方程,得到考虑孔洞演化的铸造镁合金弹塑性本构方程.发展与本构方程相应的有限元数值分析程序,用其模拟了铸造镁合金ML308的微孔洞演化及力学行为,计算结果与实验结果符合较好. 关键词： 铸造镁合金 孔洞体胞模型 孔洞演化方程 本构方程     

磁性量子元胞自动机拐角结构的理论模拟和实验

磁性量子元胞自动机拐角结构是一种同时含有铁磁耦合和反铁磁耦合的电路. 理论模拟了外加时钟场作用下铸铁磁性材料拐角结构的信号传递. 采用微磁仿真给出了信号传递的磁化演化图, 结果证实了铸铁纳磁体能够实现含有两种冗长耦合结构的稳定转换. 实验制备了相应的拐角结构, 扫描电子显微图和磁力显微图结果显示了成功的电路图案和正确的两种耦合方式信号传递.     

纯物质枝晶凝固的元胞自动机模型

采用元胞自动机模型模拟了纯物质凝固微观组织演化行为. 与以往采用KGT模型简化考虑不同,采用界面能量守恒方程来自洽地确定液固界面的生长动力学,考察了模型的网格尺寸相关性和时间相关性,并对模型的稳定性进行了验证. 采用这个模型模拟了纯丁二腈在过冷熔体中的自由枝晶生长,并与Glicksman的等温枝晶生长实验(isothermal dendritic growth experiment,IDGE)和LM-K临界稳定性原理进行了对比. 模拟的形貌再现了实验形貌的特征,并且特征参数与理论结果及实验结果符合得很好. 关键词： 元胞自动机 界面 凝固 临界稳定性原理     

自动巡航混合交通系统的研究

基于自动驾驶原理,建立了单车道上由两种长度、可分别以不同的最大速度行驶、具有自动巡航驾驶功能的车辆构成的混合交通流模型.通过计算机数值模拟,得到了混合车流在不同参数下交通流模型的基本图,并借助平均场理论对其进行解析.得到的理论结果与实验模拟相一致. 关键词： 元胞自动机 自动巡航控制系统 临界占用率 临界密度     

一维元胞自动机随机交通流模型的宏观方程分析

在一维局部作用元胞自动机交通流模型中引入刹车噪声与产生、消失概率,得到一完全随机的元胞自动机交通流模型.利用玻耳兹曼近似,建立了该模型的宏观动力学方程,并对宏观方程在特殊条件下的解进行了理论分析和计算机模拟. 关键词： 元胞自动机 交通流 Burgers方程 激波     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

 采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。     

一种改进的多速双向行人流元胞自动机模型

考虑行人的位置交换、侧向前进和后退行为,建立了一种改进的元胞自动机模型,用于研究地下通道中具有多种运动速度的双向行人流.将改进的元胞自动机模型与Weng的模型进行了比较.计算机模拟表明,改进的模型具有提高系统中行人的平均速度并降低行人占据密度的倾向. 关键词： 双向行人流 元胞自动机 计算机模拟     

Computation by Asynchronously Updating Cellular Automata

A known method to compute on an asynchronously updating cellular automaton is the simulation of a synchronous computing model on it. Such a scheme requires not only an increased number of cell states, but also the simulation of a global synchronization mechanism. Asynchronous systems tend to use synchronization only on a local scale—if they use it at all. Research on cellular automata that are truly asynchronous has been limited mostly to trivial phenomena, leaving issues such as computation unexplored. This paper presents an asynchronously updating cellular automaton that conducts computation without relying on a simulated global synchronization mechanism. The two-dimensional cellular automaton employs a Moore neighborhood and 85 totalistic transition rules describing the asynchronous interactions between the cells. Despite the probabilistic nature of asynchronous updating, the outcome of the dynamics is deterministic. This is achieved by simulating delay-insensitive circuits on it, a type of asynchronous circuit that is known for its robustness to variations in the timing of signals. We implement three primitive operators on the cellular automaton from which any arbitrary delay-insensitive circuit can be constructed and show how to connect the operators such that collisions of crossing signals are avoided.     

基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

Zeno''s paradox in quantum cellular automata

The effect of Zeno's paradox in quantum theory is demonstrated with the aid of quantum mechanical cellular automata. It is shown that the degree of non-unitarity of the cellular automaton evolution and the frequency of consecutive measurements of cellular automaton states are operationally indistinguishable.     

Al-Ti-B细化工业纯铝凝固组织演变过程数值模拟

采用耦合群体动力学方法与元胞自动机方法建立了细化处理条件下铝合金凝固微观组织演变的数值模型.该模型考虑了a-Al的非均匀形核过程、晶粒的初始球形长大以及之后的枝晶生长过程.利用建立的模型模拟了Al-5Ti-1B中间合金细化工业纯铝凝固组织演变过程.结果表明:形核初始阶段,熔体中存在充足数量的有效形核粒子, a-Al形核率随着熔体过冷度的增大逐渐增高;形核开始不久后, a-Al的异质形核过程由熔体中有效形核粒子数量控制,直到再辉发生,形核停止.模拟分析了中间合金添加量以及熔体冷却速度对工业纯铝凝固组织演变过程的影响,模拟结果与实验结果相符,验证了模型的准确性.     

Reliable Cellular Automata with Self-Organization

In a probabilistic cellular automaton in which all local transitions have positive probability, the problem of keeping a bit of information indefinitely is nontrivial, even in an infinite automaton. Still, there is a solution in 2 dimensions, and this solution can be used to construct a simple 3-dimensional discrete-time universal fault-tolerant cellular automaton. This technique does not help much to solve the following problems: remembering a bit of information in 1 dimension; computing in dimensions lower than 3; computing in any dimension with non-synchronized transitions. Our more complex technique organizes the cells in blocks that perform a reliable simulation of a second (generalized) cellular automaton. The cells of the latter automaton are also organized in blocks, simulating even more reliably a third automaton, etc. Since all this (a possibly infinite hierarchy) is organized in software, it must be under repair all the time from damage caused by errors. A large part of the problem is essentially self-stabilization recovering from a mess of arbitrary size and content. The present paper constructs an asynchronous one-dimensional fault-tolerant cellular automaton, with the further feature of self-organization. The latter means that unless a large amount of input information must be given, the initial configuration can be chosen homogeneous.     

心肌组织机械形变的元胞自动机模拟

采用Greenberg-Hastings元胞自动机模型研究机械形变对心肌组织中螺旋波动力学行为的影响.数值模拟表明：对于规则网格下的稳定螺旋波,在生理性机械形变作用下,螺旋波发生漫游但不破碎;在病理性机械形变作用下,螺旋波会发生持续漫游、漫游后消失和破碎进入螺旋波湍流态三种变化.通过对比发现机械形变的振幅变化率对螺旋波的影响较大,而机械形变的角频率对螺旋波的影响较小.结合数值模拟,对心前区受到猛烈撞击会出现心颤致死及耐力运动员在发生心动过速后比一般人员更容易恢复正常进行解释.     

From quantum cellular automata to quantum lattice gases

A natural architecture for nanoscale quantum computation is that of a quantum cellular automaton. Motivated by this observation, we begin an investigation of exactly unitary cellular automata. After proving that there can be no nontrivial, homogeneous, local, unitary, scalar cellular automaton in one dimension, we weaken the homogeneity condition and show that there are nontrivial, exactly unitary, partitioning cellular automata. We find a one-parameter family of evolution rules which are best interpreted as those for a one-particle quantum automaton. This model is naturally reformulated as a two component cellular automaton which we demonstrate to limit to the Dirac equation. We describe two generalizations of this automaton, the second, of which, to multiple interacting particles, is the correct definition of a quantum lattice gas.     

Reversibility Problem of Multidimensional Finite Cellular Automata

While the reversibility of multidimensional cellular automata is undecidable and there exists a criterion for determining if a multidimensional linear cellular automaton is reversible, there are only a few results about the reversibility problem of multidimensional linear cellular automata under boundary conditions. This work proposes a criterion for testing the reversibility of a multidimensional linear cellular automaton under null boundary condition and an algorithm for the computation of its reverse, if it exists. The investigation of the dynamical behavior of a multidimensional linear cellular automaton under null boundary condition is equivalent to elucidating the properties of the block Toeplitz matrix. The proposed criterion significantly reduces the computational cost whenever the number of cells or the dimension is large; the discussion can also apply to cellular automata under periodic boundary conditions with a minor modification.     

元胞自动机方法模拟枝晶生长

为了能够准确反映具有明显界面的枝晶生长过程，利用元胞自动机方法模拟了凝固过程中固液两相具有不同热物理性质的枝晶生长.在模拟过程中发现，凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间，同时随着凝固时间的延长，界面前沿的溶质浓度梯度和温度梯度逐渐下降.利用模拟所得的枝晶尖端半径与理论计算的相比较，发现随着枝晶尖端速度的增加，枝晶尖端半径逐渐下降，模拟与理论结果符合较好，偏差小于1μm. 关键词： 枝晶生长 凝固 偏析 模拟