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元胞自动机环境下水泥水化过程模拟及算法

作　者: 王燕文
导　师: 王舜燕
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 元胞自动机 水泥水化 微观结构 可视化
分类号: TP301.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 63次
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内容摘要


水泥水化过程是一个极为复杂的过程,水泥水化计算机模拟作为水泥材料研究的一个方面,对于研究并预测水泥性能有重大意义和实用价值,是目前科学研究的重点。美国NIST的CEMHYD3D软件是模拟水泥水化过程和水泥浆体微观结构演变的计算机模拟软件,是水泥水化计算机模拟这一研究的领域的重要成果。本文通过认真研究并分析CEMHYD3D软件的源代码和附带指导说明文字,详细论述了水泥水化模拟过程,水化模型程序结构及其中的数据结构和算法,并在此基础上着重论述元胞自动机理论对水化过程的指导作用。一、阐述水泥的烧制过程,水泥组份和水化机理,并依据水化机理给出水泥主要物相的水化反应方程式；二、从二维背散射/X-ray图像获取二维数字化信息,如待研究水泥的水灰比,颗粒尺度分布,表面积分数等参数,用于构建初始三维微结构。三、以二维水泥图像中水泥物相的面积分数、边缘周长分数分别等同于三维颗粒物相的体积分数、表面积分数这一重要对应关系为依据,构建颗粒的初始三维水泥微观结构。四、以元胞自动机方法为理论指导,在原有6邻居关系的元胞自动机模型上提出新的26邻居关系的元胞自动机水化模型,按照溶解-扩散/反应的水化顺序构建相应的水化规则并将其算法化,从而用新模型来模拟三维微结构水泥水化过程。五、以CEMHYD3D软件为基础,结合水化的各个阶段剖析水化过程的框架结构及核心算法。本文创新之处在于,采用26邻居关系的元胞自动机模型来模拟水化反应过程,给出水化溶解规则算法和扩散规则算法。对于较为复杂的反应规则给出单相结构的晶体生长模拟过程,以Matlab为可视化工具模拟显示晶体生长情况,并将模拟结果与成熟的二维晶体生长模型进行比较以验证模拟结果的正确性,为研究工作的进行提供更直观的依据。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 引言  10-14
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 课题研究意义  11-13
  1.3 课题技术方案  13-14
第2章 水泥水化研究的预备知识  14-23
  2.1 水泥制备过程及其组份  14-16
  2.2 硅酸盐水泥的水化过程  16-17
  2.3 波兰特水泥的水化反应  17-22
    2.3.1 硅酸三钙的水化  17-18
    2.3.2 硅酸二钙的水化  18
    2.3.3 铝酸盐的水化  18-21
    2.3.4 铁相固溶物的水化  21-22
  2.4 水化过程中石膏的作用  22
  2.5 本章小结  22-23
第3章 三维微结构构建及程序分析  23-39
  3.1 水泥的重要特征  23-25
    3.1.1 颗粒尺寸分布  23
    3.1.2 比表面积  23-24
    3.1.3 水灰比  24
    3.1.4 面积分数和周长分数  24-25
    3.1.5 水泥的化学收缩  25
  3.2 二维水泥颗粒图片的处理  25-31
    3.2.1 获取并处理SEM图像  25-30
    3.2.2 计算自相关函数  30-31
  3.3 三维微结构模型的构建及模型实现  31-33
  3.4 三维微模型的程序分析  33-38
    3.4.1 初始三维微结构实现  35-36
    3.4.2 初始微结构分相  36-37
    3.4.3 初始微结构模型  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章 基于元胞自动机的水化模拟  39-56
  4.1 元胞自动机理论基础  39-43
    4.1.1 元胞自动机的定义  39-41
    4.1.2 元胞自动机的构成  41-43
  4.2 元胞自动机应用于水化模拟  43-44
  4.3 基于元胞自动机的水化规则  44-50
    4.3.1 基于CA的溶解规则  45-47
    4.3.2 溶解规则算法化  47-48
    4.3.3 基于CA的扩散规则  48-49
    4.3.4 扩散规则算法化  49-50
    4.3.5 反应规则  50
  4.4 晶体生长模型  50-55
    4.4.1 晶体生长模型的构建  51-52
    4.4.2 生长模型构建算法  52-53
    4.4.3 模型结果  53-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章 水泥水化微结构模型实现程序剖析  56-66
  5.1 水化的主控程序架构  56-57
  5.2 水化溶解程序分析  57-58
    5.2.1 主溶解步骤  57-58
    5.2.2 溶解程序流程框图  58
  5.3 扩散/反应程序分析  58-65
    5.3.1 扩散/反应程序框架  59-61
    5.3.2 扩散子程序  61-63
    5.3.3 扩散子程序框架  63-65
  5.4 本章小结  65-66
第6章 总结与展望  66-69
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-73
攻读硕士学位期间发表的学术论文  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 理论、方法 > 自动机理论
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