基于遺傳算法優(yōu)化bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子豆?jié){腐蝕擴面效果影響因素分析

在電化腐敗擴散方面，可以大大提高鋁表面，提高鋁電解電阻器的導(dǎo)電性。高壓陽極箔腐蝕擴面過程包括發(fā)孔和擴孔。鋁箔在鹽酸-硫酸溶液中進行直流電解發(fā)孔,形成高密度、分布均勻的點蝕小孔。對發(fā)孔后的鋁箔進行電化學(xué)擴孔處理,可增加蝕孔直徑,滿足需要。在發(fā)孔階段,蝕孔的密度、分布很大程度上決定了鋁箔腐蝕擴面效果,是腐蝕技術(shù)的關(guān)鍵。影響直流腐蝕擴面效果的因素很多:腐蝕液成分及配比、溫度、電流密度和腐蝕時間等。分析各因素的影響規(guī)律以及因素之間的交互作用,需要大量實驗。正交試驗可減少試驗次數(shù),獲得較為全面的實驗信息。然而,正交試驗由于因素水平限制和因素之間交互作用,不能得到多因素連續(xù)區(qū)域中的因素影響規(guī)律。本文在正交試驗基礎(chǔ)上,建立多因素作用下的鋁箔發(fā)孔GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強的非線性映射特性,分析發(fā)孔過程中各因素的作用機理,研究發(fā)孔電解液中鹽酸、硫酸濃度以及配比對鋁箔比容以及折彎強度的影響,為鋁箔發(fā)孔的工藝條件優(yōu)化提供參考。1工藝參數(shù)的確定實驗采用純度為99.99%鋁箔,厚度110μm。在(12±2wt%)的HNO3溶液中進行前處理,溫度80±3℃,時間180s。發(fā)孔工藝采用正交試驗設(shè)計,參數(shù)如表1所示,構(gòu)建L27(35)正交試驗表。擴孔采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%HNO3溶液,溫度為77℃,時間為11min。經(jīng)化成處理后,測試鋁箔520V比熱容和折彎強度。2遺傳算法法優(yōu)化bp網(wǎng)絡(luò)2.1不同節(jié)點模型訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),主要由輸入層、隱含層和輸出層三層神經(jīng)元構(gòu)成,三層之間的各個神經(jīng)元通過權(quán)值連接,層內(nèi)的神經(jīng)元無連接。選擇影響發(fā)孔的關(guān)鍵因素:鹽酸濃度、硫酸濃度、電流密度、腐蝕時間、溫度作為網(wǎng)絡(luò)輸入層的5個因素,評價腐蝕箔性能的比容及折彎強度作為輸出量。利用經(jīng)驗公式計算隱含層節(jié)點數(shù)為4~13之間,采用同一樣本集對不同節(jié)點模型進行訓(xùn)練,訓(xùn)練函數(shù)采用LM優(yōu)化算法,本文隱含層節(jié)點數(shù)取10。建立如圖1所示的5-10-2型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。2.2bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法(GeneticAlgorithms)是模擬自然界遺傳機制和生物進化論的一種并行隨機搜索最優(yōu)方法。利用遺傳算法的全局搜索能力能夠在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建初始階段實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的粗調(diào),優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值,解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、易陷入局部極小值的缺點。遺傳算優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先對每個種群進行初始化,并將所求問題轉(zhuǎn)換為基因編碼,根據(jù)先前建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,待優(yōu)化參數(shù)共S=5×10+10×2+10+2=82個。然后計算出優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)值val=1/MSE,根據(jù)每個個體適應(yīng)度大小,選擇適應(yīng)值大的個體作為父代。利用算術(shù)交叉法對兩個個體進行交換運算,或從中選擇一個個體進行非均勻變異運算,從中選取適應(yīng)能力強的個體。通過多次迭代,最終求得近似最優(yōu)解。3實驗結(jié)果的模擬與優(yōu)化3.1ga-bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實測結(jié)果采用正交試驗法構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能有效地減少訓(xùn)練樣本,提高訓(xùn)練精度。用正交試驗所得27組數(shù)據(jù)作為GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本,進行歸一化處理后,取學(xué)習(xí)效率0.9,動量系數(shù)0.1,均方差1×10-5,群體規(guī)模150,遺傳代數(shù)為500,訓(xùn)練過程曲線如圖2所示。GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)22次可達到精度0.0001,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練250次達到精度0.18,陷入局部極小值。GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可縮短時間,且可找到全局最優(yōu)解。表2為實測值與預(yù)測值結(jié)果的對比。1、2、3為測試樣本。鋁箔比電容預(yù)測值與實測值基本吻合,相對誤差均小于3.5%;折彎強度預(yù)測值與實測值相對誤差小于10%,采用GA-BP混合算法建立的預(yù)測模型可獲得準(zhǔn)確的擬合數(shù)據(jù)。3.2硫酸/硫酸法利用預(yù)測模型模擬各因素不同水平下的比容及折彎強度值,獲得因素最優(yōu)組合方案為:鹽酸1.0mol/l,硫酸2.9mol/l,電流密度0.34A/cm2,時間63s,溫度75℃。同時對預(yù)測方案進行實驗驗證,得到比容為0.657μF/cm2,折彎強度為43次的高壓陽極箔,與GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的相對誤差為1.5%。4鹽酸、硫酸濃度對腐蝕美國過程的影響鋁箔進行電化學(xué)發(fā)孔,主要依賴Cl-穿透氧化膜引發(fā)初始蝕孔的產(chǎn)生。鋁箔發(fā)孔時,一方面形成高密度的蝕孔;另一方面阻止鋁箔的全面腐蝕。發(fā)孔溶液中加入硫酸,SO42-離子吸附于鋁箔表面活性點,起緩蝕鈍化作用。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測,得出鋁箔比容和折彎強度與鹽酸、硫酸濃度的關(guān)系,如圖3、4所示。隨著Cl-濃度升高,蝕孔數(shù)量增加,腐蝕箔比表面積增大,比容增大;當(dāng)濃度超過1mol/l時,孔密度過高,并孔嚴(yán)重,腐蝕箔的孔尺寸大而不均,鋁箔擴面效果降低。Cl-濃度升高,蝕孔尺寸增大,生長過程中傳質(zhì)阻力減小,孔內(nèi)Al3+達到飽和的時間增長,隧道孔長度增加,殘心層厚度減小,折彎強度降低。SO42-作為成膜劑在箔表面形成致密的保護膜,致使發(fā)孔率減小,蝕孔密度降低?？椎椎幕钚匀芙鈪^(qū)易被硫酸鈍化而停止生長,縮短蝕孔長度,提高了鋁箔折彎強度。如圖3所示,在鹽酸濃度低時,發(fā)孔密度低,加入硫酸后進一步降低發(fā)孔密度,鋁箔擴面效果差;在鹽酸濃度較高時,并孔嚴(yán)重,硫酸的添加緩解了并孔,發(fā)孔的均勻性增加,提高鋁箔擴面效果。在不同鹽酸、硫酸濃度配比下鋁箔比容變化規(guī)律如下:低濃度鹽酸+低濃度硫酸>高濃度硫酸+高濃度鹽酸>高濃度鹽酸+低濃度硫酸>低濃度鹽酸+高濃度硫酸。鹽酸、硫酸在腐蝕發(fā)孔過程中存在交互作用,在兩者濃度均較低時,鹽酸濃度變化對擴面效果影響大;鹽酸、硫酸濃度高時,硫酸作用大。在圖3中區(qū)域c腐蝕液組成為(HCl:H2SO4)=1∶3左右時,腐蝕箔擴面效果最好,與McCaffertyE根據(jù)實驗測定鹽酸與硫酸不同配比下的比容極值研究結(jié)果一致。此外,在鹽酸濃度0.9~1.05mol/l、硫酸濃度2.7~3.0mol/l內(nèi),出現(xiàn)兩個極值區(qū)域a、b。鹽酸、硫酸對鋁箔腐蝕過程的綜合影響,在Cl-、SO42-濃度較低和Cl-、SO42-濃度較高時,蝕孔的引發(fā)及抑制達到平衡,鋁箔擴面效果最佳。分別取不同濃度硫酸與鹽酸作用下的SEM圖進行統(tǒng)計分析。圖5為腐蝕液中不同鹽酸濃度下腐蝕箔表面與截面形貌,圖5(a)、(b)、(c)的表面隧道孔密度分別為1.1×107、1.2×107、1.3×107cm-2,殘心層厚度(a)>(b)>(c),隨著鹽酸濃度的升高,(c)的隧道孔直徑大于(a)、(b)。圖6為腐蝕液中不同硫酸濃度下腐蝕箔表面與截面形貌,圖6(a)、(b)、(c)、(d)的蝕孔密度分別為1.1×107、9.2×106、8.1×106、6.5×106cm-2,殘心層厚度(a)<(b)<(c)<(d)。上述變化趨勢驗證了預(yù)測規(guī)律的有效性。5遺傳算法收斂模型(1)在正交試驗基礎(chǔ)上,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了鋁箔腐蝕發(fā)孔工藝多參數(shù)預(yù)測模