本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)軟件輔助模擬技術(shù)，尤其涉及一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法與裝置。

背景技術(shù)：

高分子材料在日常生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在加工、貯存和使用過程中，由于各種因素的影響，其性能和使用價(jià)值逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為高分子老化。

隨著聚乙烯(pe)管道在我國(guó)城鎮(zhèn)給排水、燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，pe管道也逐漸成為社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域令人矚目的成就。pe管道相比傳統(tǒng)的鋼、水泥制管道，具有耐腐蝕、易安裝、柔韌性好，加工性能優(yōu)良、環(huán)保、安全等特點(diǎn)。但pe樹脂作為一種對(duì)紫外光和高溫敏感的高分子材料，在強(qiáng)紫外光輻射及高溫條件下，pe會(huì)快速降解老化，管道存在表面脆化、力學(xué)強(qiáng)度降低、焊接接頭失效等危險(xiǎn)。

我國(guó)pe管道自20世紀(jì)80年代開始迅猛發(fā)展。1982年上海已開始使用pe管輸送城市燃?xì)?。作為燃?xì)廨斔偷奶胤N設(shè)備，當(dāng)時(shí)pe管道主要集中于力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，管道擠出生產(chǎn)線的效率，以及嚴(yán)格控制擠出管道的尺寸大小等。期間，有高耐應(yīng)力開裂的新型pe樹脂進(jìn)入市場(chǎng)，特別是雙峰聚乙烯的出現(xiàn)，高效管道擠出生產(chǎn)工藝的面世，擠出速率可達(dá)到每小時(shí)一公噸以上。其中，雙峰聚乙烯指的是分子量分布由兩種分子量正態(tài)分布峰疊加的聚乙烯，該種樹脂同時(shí)具備易加工性和高抗蠕變性能，在給排水、燃?xì)夤艿赖裙差I(lǐng)域起著重要作用?！笆濉逼陂g，我國(guó)塑料管道行業(yè)仍然保持持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，產(chǎn)量由2010年的840.2萬噸，增長(zhǎng)到2015年末的1380萬噸，平均年增長(zhǎng)率為10.43％。但目前pe管道老化失效機(jī)理復(fù)雜，新型pe管道產(chǎn)品涌入市場(chǎng)，pe管道的老化失效性研究相對(duì)滯后。

近年來,隨著信息技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,各個(gè)社會(huì)領(lǐng)域均積累起了規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)。隨著信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,源自古老的數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)技術(shù),加上現(xiàn)代的人工智能,數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)技術(shù),研究如何充分利用大規(guī)模的數(shù)據(jù),發(fā)掘出有用知識(shí)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)迅速發(fā)展起來。機(jī)器學(xué)習(xí)是解決數(shù)據(jù)挖掘問題的主要方法之一。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種利用系統(tǒng)本身進(jìn)行自我改進(jìn)的過程,使計(jì)算機(jī)程序能隨著經(jīng)驗(yàn)的積累自動(dòng)提高性能,雖然到目前為止機(jī)器學(xué)習(xí)還不足以使計(jì)算機(jī)具備和人類一樣強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力,但針對(duì)大量特定學(xué)習(xí)任務(wù)的算法的提出,使計(jì)算機(jī)具備了從大量數(shù)據(jù)中提取特征、發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律的能力,因此機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)挖掘中得到了廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法與裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括以下步驟：

1)采集待模擬的雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)；

2)對(duì)采集的數(shù)據(jù)按橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度，繪制雙峰聚乙烯分子的分子量分布曲線圖；

3)對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式，生成相應(yīng)的聚乙烯分子分子量分布模型；

4)在聚乙烯分子分子量分布模型中設(shè)定采樣參數(shù)，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；其中采樣參數(shù)包括采樣間隔、采樣個(gè)數(shù)、斷裂后分子總數(shù)和短支鏈濃度；

5)設(shè)定斷裂概率參數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行分子斷裂模擬；其中斷裂概率參數(shù)包括主碳鏈與仲碳、叔碳、羰基相連的碳-碳單鍵斷裂概率、模擬時(shí)間單位數(shù)和分子斷裂百分比。

按上述方案，所述步驟5)中分子斷裂模擬包括以下步驟：

利用輪盤式區(qū)間取樣算法在分子主鏈上按設(shè)定的采樣間隔劃分區(qū)間并在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取斷裂分子，根據(jù)設(shè)定的斷裂概率參數(shù)執(zhí)行斷裂過程，生成斷裂后的分子模型矩陣集；

所有斷裂后的分子模型矩陣集按分子量大小進(jìn)行重新排序。

按上述方案，所述步驟3)中采用的擬合函數(shù)類型為正態(tài)分布函數(shù)。

按上述方案，所述采樣間隔為以分子量取10為底的對(duì)數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量區(qū)間進(jìn)行采樣。

一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬裝置，包括：

輸入單元，用于輸入所采集的待模擬的雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)；

曲線繪制單元，用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)按橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度，繪制雙峰聚乙烯分子的分子量分布曲線圖；

擬合單元，用于對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式，生成相應(yīng)的聚乙烯分子分子量分布模型；

采樣單元：用于在聚乙烯分子分子量分布模型中設(shè)定采樣參數(shù)，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；其中采樣參數(shù)包括采樣間隔、采樣個(gè)數(shù)、斷裂后分子總數(shù)和短支鏈濃度；

模擬單元，用于設(shè)定斷裂概率參數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行分子斷裂模擬；其中斷裂概率參數(shù)包括主碳鏈與仲碳、叔碳、羰基相連的碳-碳單鍵斷裂概率、模擬時(shí)間單位數(shù)和分子斷裂百分比。

按上述方案，所述模擬單元中分子斷裂模擬包括以下步驟：

利用輪盤式區(qū)間取樣算法在分子主鏈上按設(shè)定的采樣間隔劃分區(qū)間并在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取斷裂分子，根據(jù)設(shè)定的斷裂概率參數(shù)執(zhí)行斷裂過程，生成斷裂后的分子模型矩陣集；

所有斷裂后的分子模型矩陣集按分子量大小進(jìn)行重新排序。

按上述方案，所述擬合單元中采用的擬合函數(shù)類型為正態(tài)分布函數(shù)。

按上述方案，所述采樣單元中采樣間隔為以分子量取10為底的對(duì)數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量區(qū)間進(jìn)行采樣。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：

1、本發(fā)明提供了一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，為通過利用矩陣模型模擬特定分子量分布的聚乙烯高分子斷裂過程，對(duì)聚乙烯高分子老化的研究給予技術(shù)支撐。

2、本發(fā)明利用矩陣對(duì)特定樣品的分子量分布進(jìn)行建模模擬，其分子斷裂模擬過程可實(shí)現(xiàn)遞歸，模擬過程中模擬參數(shù)可實(shí)現(xiàn)自行調(diào)整設(shè)置，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比修正，獲得置信度高的分子斷裂模擬模型。

3、本發(fā)明在模擬過程中利用輪盤式分區(qū)隨機(jī)分布短支鏈及選擇斷裂分子的取樣算法保證了取樣的隨機(jī)性和降低取樣的運(yùn)算量，以達(dá)到高效的模擬擬合結(jié)果。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的雙峰聚乙烯分子的分子量分布曲線圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的雙峰聚乙烯斷裂模擬后分子量分布曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括以下步驟：

1)采集待模擬的雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)格式為(分子量，分子量密度)；

2)對(duì)采集的數(shù)據(jù)按橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度，繪制雙峰聚乙烯分子的分子量分布曲線圖；如圖2所示，

所述初始分子量分布曲線為利用凝膠滲透色譜法測(cè)量的雙峰聚乙烯分子量分布曲線數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為以十為底的雙峰聚乙烯分子量的對(duì)數(shù)log10mw，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為分子量為mw的分子的重量百分比w對(duì)該對(duì)數(shù)的微分dw/dlog10mw，即分子量分布比重；

3)選取合適的正態(tài)分布函數(shù)對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式，生成相應(yīng)的聚乙烯分子分子量分布模型；

正態(tài)分布函數(shù)為：f(x)＝a1*exp(-((x-b1)^2)+a2*exp(-((x-b2)/c2)^2)，

其中，a1，b1，c1，a2，b2，c2為待確定的系數(shù)；

4)設(shè)定采樣參數(shù)，在聚乙烯分子分子量分布模型中生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；其中采樣參數(shù)包括采樣間隔、采樣個(gè)數(shù)、斷裂后分子總數(shù)和短支鏈濃度；

生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本為利用函數(shù)表達(dá)式生成初始主鏈模型矩陣集對(duì)生成的每個(gè)初始主鏈模型矩陣(即聚乙烯分子分子量分布樣本)，利用輪盤式分區(qū)取樣法隨機(jī)標(biāo)志生成長(zhǎng)度均一的短支鏈，短支鏈長(zhǎng)度和短支鏈在主鏈上的分布密度可根據(jù)不同牌號(hào)樹脂特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，其中短支鏈為長(zhǎng)度為3-10個(gè)碳原子。

采樣間隔為以分子量取10為底的對(duì)數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量區(qū)間進(jìn)行采樣；

采樣個(gè)數(shù)為設(shè)定初始采樣分子的總數(shù)目；

斷裂后分子個(gè)數(shù)為設(shè)定單位時(shí)間分子鏈斷裂后分子個(gè)數(shù)；

短支鏈濃度為設(shè)定短支鏈個(gè)數(shù)與主鏈碳原子個(gè)數(shù)的比值。

5)設(shè)定斷裂概率參數(shù)，對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行模擬；其中斷裂概率參數(shù)包括主碳鏈與仲碳、叔碳、羰基相連的碳-碳單鍵斷裂概率、模擬時(shí)間單位數(shù)和分子斷裂百分比；

主碳鏈與仲碳相連的碳-碳單鍵斷裂概率為設(shè)定仲碳原子的碳碳鍵斷裂概率。

主碳鏈與叔碳相連的碳-碳單鍵斷裂概率為設(shè)定叔碳原子的碳碳鍵斷裂概率。

主碳鏈與羰基相連的碳-碳單鍵斷裂概率為設(shè)定碳氧原子相連的碳-碳鍵斷裂概率。

模擬時(shí)間單位數(shù)為設(shè)定高分子斷裂模擬時(shí)間單位數(shù)。

分子斷裂百分比為設(shè)定一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)分子斷裂數(shù)與斷裂前分子總數(shù)的百分比。

分子斷裂模擬包括以下步驟：

利用輪盤式區(qū)間取樣算法在分子主鏈上按設(shè)定的采樣間隔劃分區(qū)間并在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取斷裂分子，執(zhí)行斷裂算法，生成斷裂后的分子模型矩陣集；

所有斷裂后的分子模型矩陣集按分子量大小進(jìn)行重新排序，即得到雙峰聚乙烯老化斷裂后的分子量分布曲線，如圖3所示。

斷裂模擬過程中可實(shí)現(xiàn)遞歸，并在模擬過程中與實(shí)際老化實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)參數(shù)設(shè)定修正，最后獲得置信度較高的分子斷裂模擬模型。

下面是采用本發(fā)明方法的具體實(shí)施例：

實(shí)施例1

一種用雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，通過雙峰聚乙烯分子分子量分布數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，生成相應(yīng)雙峰分布聚乙烯分子模型，并對(duì)老化后的雙峰聚乙烯分子量分布變化進(jìn)行模擬。

本實(shí)施例所采用的雙峰聚乙烯，廠家為巴塞爾的1460型樹脂，數(shù)均分子量20000左右。

雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括如下步驟：

(1)輸入1460型號(hào)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度；

(2)設(shè)定擬合函數(shù)類型為雙峰分布方程，通過對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式；

(3)設(shè)定采樣間隔為0.10，采樣總數(shù)為10000，斷裂后分子總數(shù)為20000，短支鏈濃度為0.01，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；,

(4)設(shè)定含仲碳的碳-碳雙鍵斷裂概率為1/1000，叔碳斷裂概率為2/1000，碳氧原子的碳碳鍵斷裂概率為1/100，模擬時(shí)間單位為100，分子斷裂百分比為0.01。對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行模擬，即得本發(fā)明中所得雙峰聚乙烯老化斷裂后的分子量分布曲線。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所采用的雙峰聚乙烯，廠家為exxon，數(shù)均分子量12000左右。

雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括如下步驟：

(1)輸入exxon型號(hào)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度；

(2)設(shè)定擬合函數(shù)類型為雙峰分布方程，通過對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式；

(3)設(shè)定采樣間隔為0.10，采樣總數(shù)為10000，斷裂后分子總數(shù)為20000，短支鏈濃度為0.01，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；

(4)設(shè)定仲碳斷裂概率為1/1000，叔碳斷裂概率為2/1000，碳氧原子的碳碳鍵斷裂概率為1/100，模擬時(shí)間單位為100，分子斷裂百分比為0.01。對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行模擬，即得本發(fā)明中所得雙峰聚乙烯老化斷裂后的分子量分布曲線。

實(shí)施例3

本實(shí)施例所采用的雙峰聚乙烯，廠家為北歐化工，數(shù)均分子量8000左右。

雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括如下步驟：

(1)輸入寧波產(chǎn)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度；

(2)設(shè)定擬合函數(shù)類型為雙峰分布方程，通過對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式；

(3)設(shè)定采樣間隔為0.10，采樣總數(shù)為10000，斷裂后分子總數(shù)為20000，短支鏈濃度為0.01，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；,

(4)設(shè)定仲碳斷裂概率為1/1000，叔碳斷裂概率為2/1000，碳氧原子的碳碳鍵斷裂概率為1/100，模擬時(shí)間單位為100，分子斷裂百分比為0.01。對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行模擬，即得本發(fā)明中所得雙峰聚乙烯老化斷裂后的分子量分布曲線。

實(shí)施例4

本實(shí)施例所采用的雙峰聚乙烯，由中國(guó)石化生產(chǎn)，數(shù)均分子量14000左右。

雙峰聚乙烯分子斷裂模擬方法，包括如下步驟：

(1)輸入東莞產(chǎn)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子分子量以10為底的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)為雙峰聚乙烯分子的分子量密度；

(2)設(shè)定擬合函數(shù)類型為雙峰分布方程，通過對(duì)雙峰聚乙烯分子分子量密度分布數(shù)據(jù)擬合，得到分子量密度曲線的函數(shù)表達(dá)式；

(3)設(shè)定采樣間隔為0.10，采樣總數(shù)為10000，斷裂后分子總數(shù)為20000，短支鏈濃度為0.01，生成給定分布的雙峰聚乙烯分子樣本；,

(4)設(shè)定仲碳斷裂概率為1/1000，叔碳斷裂概率為2/1000，碳氧原子的碳碳鍵斷裂概率為1/100，模擬時(shí)間單位為100，分子斷裂百分比為0.01。對(duì)雙峰聚乙烯分子過程進(jìn)行模擬，即得本發(fā)明中所得雙峰聚乙烯老化斷裂后的分子量分布曲線。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。