基于遗传算法优化bp神经网络的电子豆浆腐蚀扩面效果影响因素分析

基于遗传算法优化bp神经网络的电子豆浆腐蚀扩面效果影响因素分析

在电化腐败扩散方面，可以大大提高铝表面，提高铝电解电阻器的导电性。高压阳极箔腐蚀扩面过程包括发孔和扩孔。铝箔在盐酸-硫酸溶液中进行直流电解发孔,形成高密度、分布均匀的点蚀小孔。对发孔后的铝箔进行电化学扩孔处理,可增加蚀孔直径,满足需要。在发孔阶段,蚀孔的密度、分布很大程度上决定了铝箔腐蚀扩面效果,是腐蚀技术的关键。影响直流腐蚀扩面效果的因素很多:腐蚀液成分及配比、温度、电流密度和腐蚀时间等。分析各因素的影响规律以及因素之间的交互作用,需要大量实验。正交试验可减少试验次数,获得较为全面的实验信息。然而,正交试验由于因素水平限制和因素之间交互作用,不能得到多因素连续区域中的因素影响规律。本文在正交试验基础上,建立多因素作用下的铝箔发孔GA-BP神经网络模型。利用BP神经网络强的非线性映射特性,分析发孔过程中各因素的作用机理,研究发孔电解液中盐酸、硫酸浓度以及配比对铝箔比容以及折弯强度的影响,为铝箔发孔的工艺条件优化提供参考。1工艺参数的确定实验采用纯度为99.99%铝箔,厚度110μm。在(12±2wt%)的HNO3溶液中进行前处理,温度80±3℃,时间180s。发孔工艺采用正交试验设计,参数如表1所示,构建L27(35)正交试验表。扩孔采用质量分数为2%HNO3溶液,温度为77℃,时间为11min。经化成处理后,测试铝箔520V比热容和折弯强度。2遗传算法法优化bp网络2.1不同节点模型训练BP神经网络是一种多层前馈型神经网络,主要由输入层、隐含层和输出层三层神经元构成,三层之间的各个神经元通过权值连接,层内的神经元无连接。选择影响发孔的关键因素:盐酸浓度、硫酸浓度、电流密度、腐蚀时间、温度作为网络输入层的5个因素,评价腐蚀箔性能的比容及折弯强度作为输出量。利用经验公式计算隐含层节点数为4~13之间,采用同一样本集对不同节点模型进行训练,训练函数采用LM优化算法,本文隐含层节点数取10。建立如图1所示的5-10-2型BP神经网络预测模型。2.2bp神经网络遗传算法(GeneticAlgorithms)是模拟自然界遗传机制和生物进化论的一种并行随机搜索最优方法。利用遗传算法的全局搜索能力能够在网络构建初始阶段实现对网络的粗调,优化神经网络权值和阈值,解决BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部极小值的缺点。遗传算优化神经网络首先对每个种群进行初始化,并将所求问题转换为基因编码,根据先前建立BP神经网络模型,待优化参数共S=5×10+10×2+10+2=82个。然后计算出优化网络的适应值val=1/MSE,根据每个个体适应度大小,选择适应值大的个体作为父代。利用算术交叉法对两个个体进行交换运算,或从中选择一个个体进行非均匀变异运算,从中选取适应能力强的个体。通过多次迭代,最终求得近似最优解。3实验结果的模拟与优化3.1ga-bp神经网络实测结果采用正交试验法构造网络结构能有效地减少训练样本,提高训练精度。用正交试验所得27组数据作为GA-BP神经网络的训练样本,进行归一化处理后,取学习效率0.9,动量系数0.1,均方差1×10-5,群体规模150,遗传代数为500,训练过程曲线如图2所示。GA-BP神经网络22次可达到精度0.0001,BP神经网络训练250次达到精度0.18,陷入局部极小值。GA-BP神经网络可缩短时间,且可找到全局最优解。表2为实测值与预测值结果的对比。1、2、3为测试样本。铝箔比电容预测值与实测值基本吻合,相对误差均小于3.5%;折弯强度预测值与实测值相对误差小于10%,采用GA-BP混合算法建立的预测模型可获得准确的拟合数据。3.2硫酸/硫酸法利用预测模型模拟各因素不同水平下的比容及折弯强度值,获得因素最优组合方案为:盐酸1.0mol/l,硫酸2.9mol/l,电流密度0.34A/cm2,时间63s,温度75℃。同时对预测方案进行实验验证,得到比容为0.657μF/cm2,折弯强度为43次的高压阳极箔,与GA-BP神经网络预测的相对误差为1.5%。4盐酸、硫酸浓度对腐蚀美国过程的影响铝箔进行电化学发孔,主要依赖Cl-穿透氧化膜引发初始蚀孔的产生。铝箔发孔时,一方面形成高密度的蚀孔;另一方面阻止铝箔的全面腐蚀。发孔溶液中加入硫酸,SO42-离子吸附于铝箔表面活性点,起缓蚀钝化作用。通过神经网络模型预测,得出铝箔比容和折弯强度与盐酸、硫酸浓度的关系,如图3、4所示。随着Cl-浓度升高,蚀孔数量增加,腐蚀箔比表面积增大,比容增大;当浓度超过1mol/l时,孔密度过高,并孔严重,腐蚀箔的孔尺寸大而不均,铝箔扩面效果降低。Cl-浓度升高,蚀孔尺寸增大,生长过程中传质阻力减小,孔内Al3+达到饱和的时间增长,隧道孔长度增加,残心层厚度减小,折弯强度降低。SO42-作为成膜剂在箔表面形成致密的保护膜,致使发孔率减小,蚀孔密度降低。孔底的活性溶解区易被硫酸钝化而停止生长,缩短蚀孔长度,提高了铝箔折弯强度。如图3所示,在盐酸浓度低时,发孔密度低,加入硫酸后进一步降低发孔密度,铝箔扩面效果差;在盐酸浓度较高时,并孔严重,硫酸的添加缓解了并孔,发孔的均匀性增加,提高铝箔扩面效果。在不同盐酸、硫酸浓度配比下铝箔比容变化规律如下:低浓度盐酸+低浓度硫酸>高浓度硫酸+高浓度盐酸>高浓度盐酸+低浓度硫酸>低浓度盐酸+高浓度硫酸。盐酸、硫酸在腐蚀发孔过程中存在交互作用,在两者浓度均较低时,盐酸浓度变化对扩面效果影响大;盐酸、硫酸浓度高时,硫酸作用大。在图3中区域c腐蚀液组成为(HCl:H2SO4)=1∶3左右时,腐蚀箔扩面效果最好,与McCaffertyE根据实验测定盐酸与硫酸不同配比下的比容极值研究结果一致。此外,在盐酸浓度0.9~1.05mol/l、硫酸浓度2.7~3.0mol/l内,出现两个极值区域a、b。盐酸、硫酸对铝箔腐蚀过程的综合影响,在Cl-、SO42-浓度较低和Cl-、SO42-浓度较高时,蚀孔的引发及抑制达到平衡,铝箔扩面效果最佳。分别取不同浓度硫酸与盐酸作用下的SEM图进行统计分析。图5为腐蚀液中不同盐酸浓度下腐蚀箔表面与截面形貌,图5(a)、(b)、(c)的表面隧道孔密度分别为1.1×107、1.2×107、1.3×107cm-2,残心层厚度(a)>(b)>(c),随着盐酸浓度的升高,(c)的隧道孔直径大于(a)、(b)。图6为腐蚀液中不同硫酸浓度下腐蚀箔表面与截面形貌,图6(a)、(b)、(c)、(d)的蚀孔密度分别为1.1×107、9.2×106、8.1×106、6.5×106cm-2,残心层厚度(a)<(b)<(c)<(d)。上述变化趋势验证了预测规律的有效性。5遗传算法收敛模型(1)在正交试验基础上,利用神经网络建立了铝箔腐蚀发孔工艺多参数预测模