第三章 材料科学数据库与新材料设计.ppt

第三章，材料科学数据库与新材料设计，主要内容，3.1材料科学与工程数据库3.1.1概述3.2.2材料科学数据库应用实例3.2材料科学专家系统3.2.1专家系统基础3.2.2典型材料科学专家系统分析3.3人工神经网络技术在材料研究中的应用3.3.1人工神经网络实现材料设计与优化3.3.2人工神经网络与材料过程优化3.3.3人工神经网络与材料性能预测3.3.4材料智能加工与智能控制基础材料数据的特点是数据量大且分散。目前，世界上有数十万种工程材料和数百万种化合物。材料的组成、结构、性能和应用构成了一个巨大的信息体。此外，该系统仍在不断更新和扩展。在各种材料科学和工程的研究和应用中，特别是在材料的选择和新材料的设计中，经常需要从这些现有的材料数据中快速而准确地找到所需的数据。如何管理这些庞大而分散的材料数据，并快速找到所需的数据，已经成为材料科学研究在一定时期内迫切需要解决的关键问题和研究瓶颈。3.1.1概述数据管理是人们长期关注的话题，经历了手动管理、文件管理和数据库管理等几个阶段。数据库技术及其应用系统最早出现于20世纪60年代，当时它们大多基于分层数据模型和网格数据模型。从20世纪70年代到80年代，关系数据库理论的迅速发展使数据库技术取得了巨大的进步。在过去的十年中，数据库技术得到了进一步的提高。新一代面向对象数据库和相关工具已经进入数据库市场。利用计算机数据库技术管理数据具有存储容量大、数据管理方便(添加、删除、快速查询数据等)的优点。)，实现数据共享和良好的数据安全性等。特别适用于材料科学相关数据的管理。因此，随着材料科学和数据库技术的发展，材料数据库得到了迅速发展。材料性能数据库的优点，存储信息量大，存取速度快；查询方便：不仅可以通过材料检查性能(顺序检查)，还可以通过性能检查材料(反向检查)；数据管理灵活方便：新材料的最新数据可以随时输入，原始材料的数据可以及时修改和补充。通过比较不同材料的性能数据，可以实现材料选择或材料替代。强大的功能：可以自动转换单位，可以图形表示数据，可以获得派生数据等。广泛应用：可与计算机辅助设计和计算机辅助制造相结合，实现计算机辅助选材。它还可以与知识库和人工智能技术相结合，形成材料性能预测或材料设计的专家系统。材料性能数据库是指适用于计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机集成制造等工程应用领域的数据库。也称为CAD数据库、设计数据库、技术数据库和设计自动化数据库。根据数据库的分类、材料性能数据的特点和材料性能数据库的应用，材料性能数据库一般应属于工程数据库。工程数据库：选择一个适合工程应用的数据库管理系统作为工程数据库系统的开发平台；将项目数据映射到数据库管理系统支持的数据模型中，利用数据库管理系统提供的数据定义语言和数据操作语言来设计数据库结构，并提供操作数据库数据的用户界面。工程数据库系统的建立表明，大型材料数据库往往是由几个单位甚至几个国家联合建立的。在数据库开发和应用方面，美国是世界上最发达的国家。在pres例如，美国国家标准局建立了许多材料数据库(包括：合金相图数据库、陶瓷相图数据库、材料腐蚀数据库、材料摩擦磨损数据库、材料力学性能数据库、金属弹性性能数据中心、金属扩散数据中心、晶体数据中心等)。)。SGTE欧洲热力学数据科学学会(科学小组热数据欧洲)包括英国、法国、德国和瑞士等欧洲国家。它联合开发了无机和冶金热力学系统(热力学数据有机和冶金系统)，可用于热力学计算和材料科学领域。中国：北京科技大学等单位共同建立的材料腐蚀数据库；武汉材料保护研究所建立的磨损数据库；北京钢铁研究所建立的合金钢数据库：航空航天部材料科学研究所建立的航空材料数据库；机械电子部材料研究所建立的机械工程材料数据库；中国科学院长春应用化学研究所稀土材料数据库；清华大学材料研究所与其他单位共同建立的新材料数据库包括五个子数据库，包括新金属和合金、精细陶瓷、新聚合物材料、先进复合材料和非晶材料。该系统采用先进的Oracle关系数据库管理系统。数据库的主要内容是材料品牌、产地、材料成分、技术条件、材料等级、性能和评价等。3.1.2材料数据库应用实例，采用微机-等离子体检索系统分析PVD涂层的XRD光谱，(1)微机-等离子体检索系统，(2)使用方法(分析过程)，PVD涂层：高速钢TiN多弧离子镀PVD涂层。沉积过程如下：预抽真空20分钟，预轰击清洗15分钟，离子镀沉积30分钟，冷却出料。涂层厚度约为2 3 m，初步判断XRD图谱是基体衍射峰和涂层衍射峰的叠加。1)根据相图，确定稳定相，估算非平衡相。根据铁-钛相图，只有两种稳定的化合物，TiFe和碲镉汞，分析表明优先形成TiFe。根据钛氮相图，在PVD温度下可能形成的稳定相包括-钛、Ti2N和TiN。此外，还可能出现非平衡相。(2)检索：采用布尔检索方法仅检索钛-氮和铁-钛化合物，检索出12张PDF卡。选择编号得到相应的PDF卡，(每个记录中存储的主要内容包括：序列号、PDF卡编号、相名、相中包含的元素名、晶体结构参数、衍射目标参数、晶面间距值、相对强度值、晶面指数等。)，结合PVD工艺条件和等离子体显示卡，对样品的X射线衍射图进行了对比分析，发现涂层表面主要有TiN、Ti2N、TiN0.25和FeTi相。3)x射线衍射分析、相位定性计算机分析系统，用PDF卡检索数据库，结合相位分析软件可获得x射线衍射光谱后，利用数据库进行控制分析，快速准确地进行相位分析。为此，飞利浦公司开发了一套计算机识别衍射图计算机分析系统。分析系统逐个比较每个衍射点的值和每个可能相位的D值，最后输出分析结果。桥式分离系统是X射线衍射仪的一部分，可以快速分析物相。3.2材料科学专家系统，3.2.1专家系统的基础，(1)概念、历史和发展，专家系统)源自人类专家的知识。它利用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特定领域的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决原本只有专家才能解决的各种复杂问题。简而言之，专家系统是一个智能计算机程序，它拥有大量的专家知识，可以利用这些知识来模拟专家解决问题的过程，从而解决特定领域的实际问题。产生于20世纪70年代，专家系统的观点开始被人们广泛接受。20世纪70年代中期，一批有效的专家系统相继出现。这些专家系统涉及医学、材料科学、语言、数学、地质学等许多领域。(2)专家系统的工作原理，实现系统与用户之间的双向信息转换。为了实现专家系统的自学习，专家系统可以在使用过程中自动获取知识，并不断改进和扩展现有的系统功能。存储该领域专家提供的专业知识。它由问题的初始数据和系统解决过程中生成的中间信息组成。专家系统回答用户在与用户交互过程中提出的各种问题。选择和使用知识库中的知识，并使用适当的控制策略进行推理来解决问题。专家系统=知识库推理机(核心部分)，(3)专家系统类型，(1)解释专家系统通过分析和解释确定已知信息和数据的含义。如图像分析、化学结构分析和信号解释。(2)预测专家系统推断可能的未来情况，如天气预报、人口预报、经济预报、军事预报等。通过分析过去和现在已知的情况。(3)诊断专家系统根据观察到的情况推断对象的故障(即，故障)的原因。例如，医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料故障诊断(分析)等。(4)根据设计要求，设计专家系统获得满足设计问题约束的目标配置。设计专家系统涉及电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计、生产工艺设计、新材料设计等。(5)规划专家系统找出能够达到给定目标的动作序列或步骤。该规划专家系统可用于机器人规划、运输调度、工程项目演示、通信和军事指挥以及作物施肥计划。(6)监控专家系统持续观察系统、对象或过程的行为，并将观察到的行为与其应有的行为进行比较，以发现异常情况并发出警报。该系统可用于核电站的安全监控和防盗报警系统。(7)控制专家系统适应性地管理受控对象的整体行为以满足预期要求。空中交通控制、商业管理、作战管理、自动机器人控制、生产过程控制和生产质量控制都是控制专家系统的潜在应用。(4)开发专家系统，1。专家系统开发工具。众所周知，虽然专家系统有其自身的发展特点，但很难用统一的模型来描述其一般结构和原理，但各种专家系统之间有许多共性，包括系统结构、控制流运行模式、推理和知识表达形式等。这些共性使得构建各种专家系统的开发工具成为可能。开发专家系统的工具有很多，但从专家系统的实现来看，大致可以分为四类：专家系统开发工具包(环境)外壳专家系统通用编程语言专用知识表示和人工智能系统开发处理语言；和(1)通用人工智能语言。目前，最流行的人工智能语言是LISP和PROLOG。它们都是构建专家系统所必需的特殊计算机语言。LISP是一种函数式编程语言，具有强大的符号和数据处理能力。PROLOG是一种解决逻辑问题的特殊语言，即面向对象的语句语言，具有很强的逻辑推理能力，适合表达人类的思维和推理规则。对于一些非常简单的小型专家系统，也可以用C、VB、VC、FORTRAN等语言来构建。(2)知识表示和处理语言。虽然知识处理也包括数据处理，但主要是符号处理和逻辑处理。尽管通用人工智能编程语言如LISP和PROLOG比面向数据的高级编程语言(如FORTRAN、BASIC、COBOL等)具有更强的符号处理和逻辑处理能力。)，它仍然有相当大的编程工作量和用这些通用人工智能语言表达和处理知识的困难，并且它需要更高的编程技能。为了解决这些困难和减少工作量，人工智能学者们开发了更专业的知识表示和处理语言，如代表性的FRL、OPSS和KEE。在这种特殊的知识处理语言中，它为知识表示提供了一种固定的模式，并且应用起来非常方便。只要用这种语言指定的知识表示模式适合于特定应用领域的知识表示，就可以在专家系统的具体实现中直接采用这种知识表示模式，从而节省编程工作量。(3)作为专家系统的外壳，特殊的知识表示和处理语言比一般的人工智能语言更方便快捷，但要构建一个更完善的专家系统，还需要花费大量的时间在推理机构、解释机构和学习机构等几个主要机构上。如果在知识表达、推理或执行模式、解释结构和学习组织中形成了一个基本的固定模式，类似于“空架子”，那么这个“空架子”就被称为专家系统的外壳。专家系统开发者只要按照外壳系统的要求，把某一特定领域的知识放进这个“空架子”，就可以形成一个专家系统。因此，该外壳作为专家系统开发工具非常方便，可以大大缩短专家系统的开发周期。然而，一个完美的外壳系统只能用于开发类似领域或范围较窄的专家系统，具有很大的局限性和较差的灵活性。专家系统外壳的出现大大减少了开发专家系统的资金，大大提高了开发速度，产生了明显的经济效益。因此，近年来国内外出现了大量适合各专业领域的商业化专家系统外壳。(4)专家系统开发工具包(环境)。专家系统开发工具的范围从通用编程语言到非常专业的专家系统外壳系统。虽然这些工具可以适应不同用户的各种需求，但它们都有自己的缺陷，给用户带来不便。为了克服这些工具的缺点，专家系统开发工具包应运而生。专家系统开发工具包不仅为开发人员提供了一个专家系统外壳，还提供了一种简单的开发语言。它是一套方便、灵活、集成、有组织的完整工具。在专家系统的整个开发过程中，有更多方便实用的工具供用户选择。(1)材料设计专家系统，具有相当数量的与材料相关的各种背景知识，并能应用这些知识解决材料设计中的相关问题(提供制备具有特定性能的材料的方法并能在特定条件下使用，指导研究人员开发新材料)的计算机程序系统。(1)基于知识检索、简单计算和推理的材料设计专家系统(2)基于计算机模拟和计算的材料设计专家系统(3)基于模式识别和人工神经网络、分类、实例的材料设计专家系统(1)合金材料设计专家系统(ADES)(2)纤维增强树脂基复合材料设计专家系统(3)中国科学院上海冶金研究所建立的IMEC和KDPAG专家系统，以及基于知识检索、简单计算和推理的材料设计专家系统。由于材料科学研究所需的知识范围广，相关数据种类繁多，任何专家都不可能记住所有相关数据，因此个人将失去许多灵活使用这些数据的机会。基于知识库灵活应用的新材料开发专家系统可以弥补这一缺陷。这种专家系统由数据库、知识库、优化模块、知识获取模块和推理结构组成。(2)焊接专家系统。焊接专家系统的研究始于20世纪80年代中期。美国学者开发的第一个专家系统是焊接材料选择系统。相继，英国、日本、德国等国家也开展了这方面的研究。主要解决焊接工艺制定与选择、热处理工艺制定、焊接材料方法选择、焊接计算机辅助设计、焊接质量控制、焊接缺陷分析与预测、焊接设备故障诊断等相关问题。它几乎涵盖了焊接生产的所有主要阶段和方面。我国焊接专家系统的研究始于20世