Digital Twins for the Porous Structures of Aerogels with the Use of the Cellular Automation Approach and Bezier Curves

I. V. Lebedev; Лебедев И. В.; S. I. Ivanov; Иванов С. И.; R. R. Safarov; Сафаров Р. Р.; N. V. Men’shutina; Меньшутина Н. В.

doi:10.31857/S004035712304005X

Цифровые двойники пористых структур аэрогелей с использованием клеточно-автоматного подхода и кривых Безье

Авторы: Лебедев И.В.¹, Иванов С.И.¹, Сафаров Р.Р.¹, Меньшутина Н.В.¹
Учреждения:
1. Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Выпуск: Том 57, № 4 (2023)
Страницы: 412-418
Раздел: Статьи
Статья опубликована: 01.07.2023
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3571/article/view/138510
DOI: https://doi.org/10.31857/S004035712304005X
EDN: https://elibrary.ru/VIZFKX
ID: 138510

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В статье предложена клеточно-автоматная модель на основе кривых Безье для создания цифровых двойников пористых наноструктур различной природы, разработанная с использованием клеточно-автоматного подхода. Проведены вычислительные эксперименты по созданию цифровых двойников полученных экспериментальных образцов аэрогелей на основе хитозана. Проведено сравнение структурных характеристик цифровых копий и экспериментальных образцов, на основе которых были сделаны выводы о корректной работе модели. Полученные цифровые двойники могут быть использованы для прогнозирования свойств пористых волокнистых материалов, в частности, аэрогелей на основе хитозана, что позволит частично заменить натурные эксперименты вычислительными и, следовательно, снизить затраты при разработке новых материалов с заданными свойствами.

Ключевые слова

клеточные автоматы, моделирование, пористые материалы, кривые Безье, волокнистые материалы, аэрогели, хитозан, золь-гель процесс

Список литературы

Svyetlichnyy D.S. A three-dimensional frontal cellular automaton model for simulation of microstructure evolution—initial microstructure module // Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 2014. V. 22. № 8. P. 085001.
Krivovichev S.V. Algorithmic crystal chemistry: A cellular automata approach // Crystallogr. Rep. 2012. V. 57. № 1. P. 10–17.
Kimber J.A., Kazarian S.G., Štěpánek F. Microstructure-based mathematical modelling and spectroscopic imaging of tablet dissolution // Comput. Chem. Eng. 2011. V. 35. № 7. P. 1328–1339.
Pérez-Brokate C.F., di Caprio D., Féron D., De Lamare J., Chaussé A. 2014. Overview of Cellular Automaton Models for Corrosion. In Cellular Automata, ed J. Wąs, G.Ch. Sirakoulis, S. Bandini. 8751: 187–96. Cham: Springer International Publishing.
Gurikov P., Kolnoochenko A., Golubchikov M., Menshutina N., Smirnova I. A synchronous cellular automaton model of mass transport in porous media // Comput. Chem. Eng. 2016. V. 84. P. 446–457.
Brouwers H.J.H., de Korte A.C.J. Multi-cycle and multi-scale cellular automata for hydration simulation (of Portland-cement) // Comput. Mater. Sci. 2016. V. 111. P. 116–124.
Bullard J.W. 2008. A Determination of Hydration Mechanisms for Tricalcium Silicate Using a Kinetic Cellular Automaton Model // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. № 7. P. 2088–2097.
Bonchev D., Thomas S., Apte A., Kier L.B. Cellular automata modelling of biomolecular networks dynamics // SAR QSAR Environ. Res. 2010. V. 21. № 1–2. P. 77–102.
Menshutina N., Kolnoochenko A., Lebedev A. Cellular Automata in Chemistry and Chemical Engineering // Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2019. V. 10. P. 325–345.
Бандман О.Л. Клеточно-автоматные модели пространственной динамики // Системная информатика. 2006. Т. 10. С. 59–113.
Бандман О.Л. Метод построения клеточно-автоматных моделей процессов формирования устойчивых структур // Прикладная дискретная математика. 2010. № 4(10).
Lis M., Pintal L., Swiatek J., Cwiklik L. GPU-Based Massive Parallel Kawasaki Kinetics in the Dynamic Monte Carlo Simulations of Lipid Nanodomains // J. Chem. Theory Comput. 2012. V. 8(11). № 65. 4758 p.
Lee H.W., Im Y.-T. Cellular Automata Modeling of Grain Coarsening and Refinement during the Dynamic Recrystallization of Pure Copper // Mater. Trans. 2010. V. 51. № 10. P. 1614–1620.
Gandin Ch.-A., Rappaz M. A coupled finite element-cellular automaton model for the prediction of dendritic grain structures in solidification processes. Acta Metall. Mater. 1994. V. 42 № 7. P. 2233–2246.
Miller W., Succi S., Mansutti D. Lattice Boltzmann Model for Anisotropic Liquid-Solid Phase Transition // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. № 16. P. 3578–3581.