[發(fā)明專利]一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210054251.9
• 申請日: 2012-03-05
• 公開（公告）號: CN102663151A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡華四;張?zhí)炜?/a>;郭威
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，尤其是一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

核輻射屏蔽材料是各類核設(shè)施的重要組成部分，是核科學(xué)技術(shù)實(shí)踐能否順利實(shí)施的決定性因素之一。

傳統(tǒng)核輻射屏蔽材料的研制方法是通過大量的理論計(jì)算和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)決定材料物質(zhì)配比，再進(jìn)行工藝研究，進(jìn)而制造出材料樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，最終選出好的屏蔽材料作為定型產(chǎn)品。傳統(tǒng)研制方法有著周期長、原材料資源耗費(fèi)大等不足。更重要的是，傳統(tǒng)研制方法難于拓展到其它領(lǐng)域的核輻射屏蔽材料研制中。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)中子、γ混合輻射屏蔽材料組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使核輻射屏蔽材料的研制由傳統(tǒng)式跨越到科學(xué)節(jié)約式。它克服了傳統(tǒng)研制方法周期長、原材料資源耗費(fèi)大等不足。該方法能夠設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、體積小、核輻射屏蔽性能好的高性能材料，適用于核輻射屏蔽材料的組分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可拓展到核聚變、核廢料處置，乃至航天工程等領(lǐng)域。

本發(fā)明的技術(shù)方案通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

(1)將材料配比初始化：確定所設(shè)計(jì)核輻射屏蔽材料的組分，由遺傳算法生成一個(gè)材料成分配比，計(jì)算組成這些材料的各種元素的配比；

(2)根據(jù)步驟(1)得到的元素配比，分別計(jì)算表征材料屏蔽性能，力學(xué)、熱學(xué)性能以及抗輻照性能的物理量，如：經(jīng)材料屏蔽后的γ射線和中子的總劑量當(dāng)量、材料熱導(dǎo)率、材料熱膨脹系數(shù)和材料彈性模量等，每一個(gè)量作為子目標(biāo)，給出每一個(gè)計(jì)算值；

(3)對根據(jù)步驟(2)結(jié)果無量綱化后，根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行加權(quán)求和；

(4)根據(jù)步驟(3)得到一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值，這個(gè)值就是遺傳算法中的一個(gè)子體；對應(yīng)材料配比適應(yīng)特性，用遺傳算法對這個(gè)子體進(jìn)行選擇、交叉和變異后會(huì)給出一個(gè)新的材料成分配比，再重復(fù)步驟(1)；通過循環(huán)計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)就會(huì)得到一個(gè)最佳值，輸出最優(yōu)化后的材料配比。

一般來說，這個(gè)最佳值就是目標(biāo)函數(shù)的最大值或者最小值。本方法的主要工作是做新型屏蔽材料設(shè)計(jì)，材料對中子和γ射線混合源的屏蔽后的總劑量當(dāng)量就是主導(dǎo)因素，選取較大的權(quán)重因子，并且希望它的值越小越好，也就是要求優(yōu)化問題的最小值。所以步驟3)中的加權(quán)求和要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理。

注：1.該方法也可進(jìn)行屏蔽后計(jì)量的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；2.該方法不僅可以進(jìn)行材料組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可進(jìn)行屏蔽體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)造性體現(xiàn)在如下方面：

1)通過適當(dāng)選擇遺傳算法參數(shù)克服了遺傳算法優(yōu)化效率低或早熟收斂等不利因素；

2)基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了遺傳算法程序與材料物性計(jì)算程序和屏蔽性能計(jì)算軟件的接口處理，確保了由遺傳算法控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的實(shí)現(xiàn)；

3)在算法中需循環(huán)調(diào)用相關(guān)子程序，為兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和優(yōu)化運(yùn)算的高效性，建立了簡易可靠的屏蔽計(jì)算物理模型，并在遺傳算法中啟用了數(shù)據(jù)精度控制等技巧；

4)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵是各目標(biāo)量的無量綱化和權(quán)重因子的選擇，使計(jì)算結(jié)果具有物理意義，符合工程實(shí)際情況。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果包括：

1)能夠?qū)Χ喾N材料組分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；

2)很容易編制成計(jì)算機(jī)程序來提高尋優(yōu)效率，有效地指導(dǎo)新型核輻射屏蔽材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)；

3)考慮屏蔽材料的多種性能的影響，能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)出綜合性能良好的新型屏蔽材料。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的遺傳算法優(yōu)化材料流程圖；

圖2為本發(fā)明的為PBa、PBb、PBc與參考材料的材料厚度-總劑量當(dāng)量的曲線圖；

圖3為本發(fā)明的多種設(shè)計(jì)材料樣本與參考材料深穿透屏蔽性能比較圖；

圖4為本發(fā)明的五種材料的總劑量-厚度曲線圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

實(shí)施例1：

鉛硼聚乙烯系列材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

選擇的基本材料組分是聚乙烯、碳化硼和鉛。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為屏蔽后的總劑量當(dāng)量。約束條件為材料的密度和某種組分的百分含量。見表5-1.

深入研究遺傳算法程序GENOCOPII和MCNP軟件。根據(jù)需要對它們做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，便于兩個(gè)程序的連接和連接后的運(yùn)行。利用C語言實(shí)現(xiàn)在遺傳算法程序GENOCOPII中調(diào)用MCNP軟件，完成整個(gè)算法的調(diào)試。然后對所選出來的材料進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。