專利名稱：一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法
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)計方法，尤其是一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法。
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)計方法，可以實(shí)現(xiàn)中子、Y混合輻射屏蔽材料組分的優(yōu)化設(shè)計，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，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)計方法，包括如下步驟(I)將材料配比初始化確定所設(shè)計核輻射屏蔽材料的組分，由遺傳算法生成一個材料成分配比，計算組成這些材料的各種元素的配比；(2)根據(jù)步驟(I)得到的元素配比，分別計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Y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，每一個量作為子目標(biāo)，給出每一個計算值；(3)對根據(jù)步驟(2)結(jié)果無量綱化后，根據(jù)設(shè)計需要進(jìn)行加權(quán)求和；(4)根據(jù)步驟(3)得到一個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值，這個值就是遺傳算法中的一個子體；對應(yīng)材料配比適應(yīng)特性，用遺傳算法對這個子體進(jìn)行選擇、交叉和變異后會給出一個新的材料成分配比，再重復(fù)步驟(I);通過循環(huán)計算，目標(biāo)函數(shù)就會得到一個最佳值，輸出最優(yōu)化后的材料配比。一般來說，這個最佳值就是目標(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，材料對中子和Y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)行屏蔽后計量的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計；2.該方法不僅可以進(jìn)行材料組分的優(yōu)化設(shè)計，也可進(jìn)行屏蔽體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
本發(fā)明的核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法的創(chuàng)造性體現(xiàn)在如下方面I)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)計方法實(shí)現(xiàn)了遺傳算法程序與材料物性計算程序和屏蔽性能計算軟件的接口處理，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I)能夠?qū)Χ喾N材料組分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；2)很容易編制成計算機(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)計出綜合性能良好的新型屏蔽材料。


圖I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)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例I :鉛硼聚乙烯系列材料的優(yōu)化設(shè)計。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GEN0C0PII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GEN0C0PII中調(diào)用MCNP軟件，完成整個算法的調(diào)試。然后對所選出來的材料進(jìn)行優(yōu)化計算。優(yōu)化計算結(jié)果表I里面第一個約束條件下的結(jié)果編號為PBa，估算密度為3. 36g · cm-3 ;第二個約束條件下的結(jié)果編號為PBb，估算密度為3. 84g · cm-3 ;第三個約束條件下的結(jié)果編號為PBc,估算密度為 4. 808g · cm-3 ο表I幾種約束條件下的試算結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將材料配比初始化確定所設(shè)計核輻射屏蔽材料的組分，由遺傳算法生成一個材 料成分配比，計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；(3)對根據(jù)步驟(2)結(jié)果無量綱化后進(jìn)行加權(quán)求和；(4)根據(jù)步驟(3)得到一個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值，這個值就是遺傳算法中的一個子體；對 應(yīng)材料配比適應(yīng)特性，用遺傳算法對這個子體進(jìn)行選擇、交叉和變異后會給出一個新的材 料成分配比，再重復(fù)步驟(1);通過循環(huán)計算，目標(biāo)函數(shù)就會得到一個最佳值，輸出最優(yōu)化 后的材料配比。
2.如權(quán)利要求1所述核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(1)中為 遺傳算法程序的應(yīng)用，生成一個初始的材料成分配比，按要求寫出一個帶有約束條件的輸 入文件。
3.如權(quán)利要求1所述核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(2)是子 目標(biāo)的選擇與計算，這些子目標(biāo)能代表材料的屏蔽性能、力學(xué)、熱學(xué)以及抗輻照性能；實(shí)現(xiàn) 子目標(biāo)模型的建立和結(jié)果的輸出，并與遺傳算法程序做好接口。
4.如權(quán)利要求1所述核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(3)是無 量綱化方法的使用以及權(quán)重系數(shù)的選取，其中無量綱化是為了保證計算準(zhǔn)確，權(quán)重系數(shù)的 選擇是為了適應(yīng)設(shè)計要求。
5.如權(quán)利要求1所述核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于所述步驟(4)是循 環(huán)計算過程的實(shí)現(xiàn)，且新的材料配比的生成是能夠保證計算的結(jié)果是朝著預(yù)期的方向發(fā)展 的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種核輻射屏蔽材料優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟(1)初始化材料配比；(2)根據(jù)步驟(1)得到的元素配比，分別計算表征材料屏蔽性能、熱學(xué)和力學(xué)等性能的物理量；(3)將步驟(2)結(jié)果無量綱化后進(jìn)行加權(quán)求和；(4)由步驟(3)得到一個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值，該值為遺傳算法中一個子體；對應(yīng)材料配比適應(yīng)特性，用遺傳算法對該子體進(jìn)行選擇、交叉和變異后，給出一個新的材料成分配比，再重復(fù)步驟(1)；經(jīng)循環(huán)計算，目標(biāo)函數(shù)會得到一個最佳值，輸出優(yōu)化后的材料配比。1)本發(fā)明可對多種材料進(jìn)行組分優(yōu)化設(shè)計；2)易編成計算機(jī)程序提高尋優(yōu)效率，有效地指導(dǎo)核輻射屏蔽材料的設(shè)計和生產(chǎn)；3)全面考慮材料的多種性能，能夠優(yōu)化設(shè)計出綜合性能良好的新型屏蔽材料。
文檔編號G06F17/50GK102663151SQ20121005425
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者張?zhí)炜? 胡華四, 郭威 申請人:西安交通大學(xué)