Chapter4 数据库和新材料新合金的设计

1、计算机在材料科学与工程中的应用王建刚王建刚第第4 4章章 材料数据库和专家系统材料数据库和专家系统本本 章章 要要 点点4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构4.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库4.3 专家系统专家系统4.4 人工神经网络技术人工神经网络技术4.5人工神经网络技术的应用人工神经网络技术的应用4.1 4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构数据库系统概述数据库系统概述180s后后涉及到各种工程和科技领域涉及到各种工程和科技领域70-80s 关系数据库关系数据库理论理论60s 层次数据层次数据模型和模型和网状数据网状数据模型模型如：分布式数据库

2、、工程数据库、模糊数据库、并行数据库以及多媒体数据库等。4.1 4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构80s后后涉及到各种工程和科技领域涉及到各种工程和科技领域70-80s 关系数据库关系数据库理论理论关系型关系型DBMS和和网状数据网状数据模型模型 主要有dBASE，FoxBASE，UNIFY,INFORMIX，INGRES，ORACLE和DB2。它们都是关系型的(Data Base Management System, DBMS)。数据库管理系统数据库管理系统2dBASEORACLE4.1 4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构 (1)数据库；(2)物理存储器；

3、 (3)数据库软件；数据库系统结构数据库系统结构3应用程序A应用程序B应用程序C应用程序D子模式1子模式2子模式3模式存储模式数据库三级结构三级结构数据库系统结构数据库系统结构3三级结构三级结构 应用程序 1 应用程序 2 应用程序 2 外模式 1 外模式 2 模 式 内模式 物物理理数数据据外模式/模式映射 模式/内模式映射 外模式（用户级数据库） 模 式（概念级数据库） 内模式（物理级数据库） 操作系统 DBMS 数据库数据主要特征数据库数据主要特征44.1 4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构数据一致性和可维护性数据一致性和可维护性数据独立性数据独立性数据共享数据共享数据

4、的结构化数据的结构化减少数据冗余减少数据冗余工程数据库的应用工程数据库的应用54.1 4.1 数据库系统的组成与结构数据库系统的组成与结构Eg. 一个CAD系统主要包括DBMS、图形系统、方法库及应用程序四大软件模块 。工程数据库的应用环境工程数据库的应用环境 应用程序应用程序方法库方法库图像系统图像系统DBMS数据库材料数据库的发展材料数据库的发展14.2 4.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库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PD F X 衍 射 数 据 库国外国外(美国）美国）MDI Jade材料力学性能数据库、金属弹性性能材料力学性能数据库、金属弹性性

5、能数据中心和金属扩散数据中心等。数据中心和金属扩散数据中心等。材料数据库的发展材料数据库的发展14.2 4.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库材料热处理数据库材料热处理数据库北京机电研究所北京机电研究所机械工程材料数据库机械工程材料数据库上海材料研究所上海材料研究所航空材料数据库航空材料数据库航空航天工业部材料数据中心航空航天工业部材料数据中心国内国内腐蚀数据库和摩擦数据库腐蚀数据库和摩擦数据库武汉材料保护研究所武汉材料保护研究所90s90s清华大学材料研究所等单位联合建成新清华大学材料研究所等单位联合建成新材料数据库材料数据库, ,包括新型金属和合金、精细陶瓷、包括新型金属和合金、

6、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料料5 5个子库。个子库。8080s s以来以来Power Diffraction File 是是X衍射相分析必不可衍射相分析必不可少的、最权威的工具。到少的、最权威的工具。到2001年年11月，月，X衍射衍射PDF卡片已多达卡片已多达47卷、卷、87500张，而且每年都在张，而且每年都在不断更新和增加。从不断更新和增加。从60年代开始采用计算机来处年代开始采用计算机来处理理PDF卡片。现在使用的卡片。现在使用的PDF计算机检索系统有计算机检索系统有美、英、法和加拿大等国参加的粉末衍射标准联美、英、法和加拿大

7、等国参加的粉末衍射标准联合委员会组织开发，采用合委员会组织开发，采用windows界面。界面。材料数据库应用举例材料数据库应用举例14.2 4.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库PDF DatabasesPDF Databases5.2 5.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库沉积工艺沉积工艺预抽真空预抽真空20min；预轰击清洗预轰击清洗15min离子镀沉积离子镀沉积30min后冷却出炉后冷却出炉负偏压负偏压(100-300V)靶电流靶电流(35-80A)氮分压氮分压(0.5-1.5Pa) 根据Fe-Ti相图，Ti在Fe中溶解度小，稳定化合物只有TiFe和TiFe2两种，分

8、析得出优先形成TiFe。根据Ti-N相图，在PVD的温度下可能形成的稳定相有a-Ti、Ti2N,及TiN。用用PC-PDF检索系统分析检索系统分析PVD表面涂层表面涂层材料数据库应用举例材料数据库应用举例1Ti2N PDF 17-386材料数据库应用举例材料数据库应用举例1用用PC-PDF检索系统分析检索系统分析PVD表面涂层表面涂层材料数据库应用举例材料数据库应用举例1 结合PVD工艺，PDF卡片，得出TiN涂层表面主要有TiN、Ti2N、TiN0.26、FeTi相。2 04 06 08 0-1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0TiN(222)-

9、Fe(211)b ia -vo ta g e = -1 0 0 Vta rg e t-c u rre n t= 5 0 AN p a rtia l p re s u re = 1 P aH V = 2 0 9 0a d h e n s ive s tre n g th = 3 0 -6 0 NFeTi(211)TiN0.26(200)-Fe(200)TiN(220)-Fe(110)FeTi(110)TiN(200)TiN0.26(10-1)TiN(111)TiN0.26(100)counts2(6 )用用PC-PDF检索系统分析检索系统分析PVD表面涂层表面涂层(http:/www.china

10、- Jade物相检索物相检索材料数据库应用举例材料数据库应用举例1二元相图数据库系统二元相图数据库系统24.2 4.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库(http:/www.crct.polymtl.ca/)FactSage Databases5.2 5.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库美国金属学会(ASM)，美国国家标准局(NIST)4700余幅二元合金相图Eg,输入Ti、N二元相图数据库系统二元相图数据库系统2FactSage Databases5.2 5.2 材料科学与工程数据库材料科学与工程数据库陶瓷相图数据库陶瓷相图数据库美国陶瓷学会，美国国家标准局(ACerS-

11、NIST)Eg,输入ZrO2-Y2O3二元相图数据库系统二元相图数据库系统2专家系统的历史和发展专家系统的历史和发展14.3 4.3 专家系统专家系统 人工智能人工智能(Artificial Intelligence, AI)是计算是计算机科学的一个分支，是机科学的一个分支，是20世纪中期产生的并世纪中期产生的并正在迅速发展的新兴边缘学科。正在迅速发展的新兴边缘学科。ES是人工智能研究领域中最活跃、最具实用价是人工智能研究领域中最活跃、最具实用价值的应用领域。值的应用领域。 什么是专家系统什么是专家系统(Expert System, ES)？ 专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部专家系统是

12、一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。处理该领域问题。专家系统的工作原理专家系统的工作原理24.3 4.3 材料科学专家系统材料科学专家系统专家系统工作原理图专家系统工作原理图知识库知识库推理机推理机专家知识专家知识输入或提问输入或提问答案答案专家系统的工作原理专家系统的工作原理24.3 4.3 材料科学专家系统材料科学专家系统用 户领 域 专 家人 机 接 口推 理 机解 释 程 序知 识 获 得综 合 数 据 库知 识 库专

13、家系统工作原理图专家系统工作原理图专业知识专业知识Why How 信息信息Knowledge baseGlobal databaseReasoning machineExplicatorInterface（1）知识库）知识库 用于存放领域专家提供的专门知识。用于存放领域专家提供的专门知识。（2）工作数据库）工作数据库 主要由问题的有关初始数据和系统主要由问题的有关初始数据和系统求解期间所产生的中间信息组成。求解期间所产生的中间信息组成。（3）推理机）推理机 用于解决如何选择和使用知识库中的知用于解决如何选择和使用知识库中的知识。识。（4）知识获取机制）知识获取机制 为实现专家系统的自我学习，在

14、为实现专家系统的自我学习，在系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩大现系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩大现有系统功能。有系统功能。（5）解释机制）解释机制 回答用户提出的各种问题。回答用户提出的各种问题。（6）人机接口）人机接口 实现系统与用户之间的双向信息转换。实现系统与用户之间的双向信息转换。专家系统的工作原理专家系统的工作原理2专家系统的类型专家系统的类型34.3 4.3 专家系统专家系统解释专家系统解释专家系统（interpretation ES ） 预测专家系统预测专家系统（prediction ES) 诊断专家系统诊断专家系统（diagnosis ES ） 设计专家系统设

15、计专家系统（design ES ） 规划专家系统规划专家系统（planning ES ） 监视专家系统监视专家系统（monitoring ES）控制专家系统控制专家系统（control） 调试专家系统调试专家系统（debugging）教学专家系统教学专家系统（instruction） 修理专家系统修理专家系统（repair）1. 热处理工艺专家系统热处理工艺专家系统典型专家系统分析典型专家系统分析44.3 专家系统专家系统热处理工艺专家系统可根据用户提供的零件信息自动推热处理工艺专家系统可根据用户提供的零件信息自动推理出最恰当的热处理工艺，并确定相应的保温温度和时间理出最恰当的热处理工艺，并确

16、定相应的保温温度和时间等参数；得到用户调整后，系统自动绘制出热处理工艺卡，等参数；得到用户调整后，系统自动绘制出热处理工艺卡，并将工艺卡中得有关信息存储，以便以后需要时进行使用并将工艺卡中得有关信息存储，以便以后需要时进行使用和研究。和研究。1. 热处理工艺专家系统热处理工艺专家系统典型专家系统分析典型专家系统分析44.3 专家系统专家系统（1）信息输入模块）信息输入模块 接受初始的零件信息、热处理后的性能接受初始的零件信息、热处理后的性能要求和生产条件，并以一定的设计结构形式存储于动态数据库要求和生产条件，并以一定的设计结构形式存储于动态数据库中。中。（2）方案推理及参数选择模块）方案推理及

17、参数选择模块 根据用户输入的信息，推理根据用户输入的信息，推理出适当的热处理方式，同时选择出合适的温度和时间等参数。出适当的热处理方式，同时选择出合适的温度和时间等参数。（3）方案及参数调整模块）方案及参数调整模块 修改方案、改变参数。修改方案、改变参数。（4）绘图打印模块）绘图打印模块 绘制热处理工艺曲线。绘制热处理工艺曲线。（5）知识库管理模块）知识库管理模块 实现专家系统知识库的维护、完善和实现专家系统知识库的维护、完善和补充。补充。（6）系统管理模块）系统管理模块 完成方案确定过程中的辅助功能。完成方案确定过程中的辅助功能。1. 热处理工艺专家系统热处理工艺专家系统典型专家系统分析典型

18、专家系统分析44.3 专家系统专家系统金属材料数据库金属材料数据库、热处理工艺数据库热处理工艺数据库和和典型零件数据库。典型零件数据库。推理步骤：推理步骤：1）用户选择输入工件的类别，系统把符合条件的材料提）用户选择输入工件的类别，系统把符合条件的材料提供给用户选择；供给用户选择；2）确定工件材料，系统提供热处理方法供用户选择；）确定工件材料，系统提供热处理方法供用户选择；3）确定热处理方法后，系统提示输入参数；）确定热处理方法后，系统提示输入参数；4）系统根据条件从知识库中获得热处理工艺参数；）系统根据条件从知识库中获得热处理工艺参数；5）确认或修改工艺。）确认或修改工艺。2. 超精淬透性控

19、制专家系统超精淬透性控制专家系统The SKF Steel Extra Hardenabi1ity Control System),(CuVMoNiCrSPMnSiCfHV 将用户的淬透性要求同炼钢工艺过程的淬透性控制联系起将用户的淬透性要求同炼钢工艺过程的淬透性控制联系起来。钢厂能够按用户的要求提供具有指定淬透性的钢材。来。钢厂能够按用户的要求提供具有指定淬透性的钢材。淬透性带宽控制淬透性带宽控制(与成分、晶粒尺寸和夹杂物等有关）与成分、晶粒尺寸和夹杂物等有关）通过炉外精炼时的快速化学分析和借助电子计算机作淬透通过炉外精炼时的快速化学分析和借助电子计算机作淬透性计算预报性计算预报(在线联机在

20、线联机)进行钢液成分微调，以及将模铸改为进行钢液成分微调，以及将模铸改为连铸等措施，可使淬透性带宽控制在要求的范围之内。连铸等措施，可使淬透性带宽控制在要求的范围之内。“斯凯孚斯凯孚”典型专家系统分析典型专家系统分析44.3 专家系统专家系统2. 超精淬透性控制专家系统超精淬透性控制专家系统http:/瑞典奥瓦科钢公司模型中模型中Mo和和Mn对钢淬透性影响示意图对钢淬透性影响示意图模型考虑了合金模型考虑了合金元素对不同端淬元素对不同端淬距离处的淬透性距离处的淬透性贡献的差别贡献的差别, 对每对每个端淬距离建立个端淬距离建立了两个回归方程。了两个回归方程。典型专家系统分析典型专家系统分析42.

21、超精淬透性控制专家系统超精淬透性控制专家系统http:/瑞典奥瓦科钢公司过程控制计算机总过程控制计算机实验过程计算机数据补偿系统SKF淬透性模块合金优选模块离线淬透性模块SKF钢包炉SKF系统联合作业框图系统联合作业框图典型专家系统分析典型专家系统分析4http:/瑞典奥瓦科钢公司SKF152钢的淬透性带和用户要求钢的淬透性带和用户要求01020302003004005000102030200300400500硬度(HV)Jd /mm用户要求2. 超精淬透性控制专家系统超精淬透性控制专家系统典型专家系统分析典型专家系统分析4 复合材料设计中，材料选择专家系统将有复合材料设计中，材料选择专家系统

22、将有关材料及它们的特性的数据处理并储存在数据库关材料及它们的特性的数据处理并储存在数据库系统里。这样使用者就可以通过系统里。这样使用者就可以通过CADCAD系统中的图系统中的图形接口来接近材料的计算机辅助模型，从而选择形接口来接近材料的计算机辅助模型，从而选择最佳的材料最佳的材料 对于某些应用的聚合物通常是一些复杂性对于某些应用的聚合物通常是一些复杂性能的结合，因此对于大量可用聚合物的选择非常能的结合，因此对于大量可用聚合物的选择非常困难。为此，开发出了一个用于聚合物选择的专困难。为此，开发出了一个用于聚合物选择的专家系统，利用此系统，可有效的应用聚合物工程家系统，利用此系统，可有效的应用聚合

23、物工程的专门知识进行复合材料设计。的专门知识进行复合材料设计。 3. 人工智能专家系统在复合材料设计的应用人工智能专家系统在复合材料设计的应用4.4 4.4 人工神经网络技术人工神经网络技术人工神经网络是一种信息处理技术，力图模拟人工神经网络是一种信息处理技术，力图模拟人类处理问题方式去理解和利用信息。人类处理问题方式去理解和利用信息。（1 1）可以解决定性问题，也可以用于直接解）可以解决定性问题，也可以用于直接解决定量问题，具有较好的可靠性；决定量问题，具有较好的可靠性；（2 2）擅长处理复杂的多元非线性问题；）擅长处理复杂的多元非线性问题；（3 3）具有自学能力。）具有自学能力。人工神经网

24、络人工神经网络 (Artificial Neural Network)1人工神经网络由排列成层的神经单元组成。人工神经网络由排列成层的神经单元组成。输入层输入层；输出层输出层；中间层（隐含层）中间层（隐含层） 。输入层接受到输入模式的输入层接受到输入模式的一小部分出层通过连接传一小部分出层通过连接传递给中间层。中间层的输递给中间层。中间层的输入模式发生改变，中间层入模式发生改变，中间层单元将输入信号传递给输单元将输入信号传递给输出层的全部单元。出层的全部单元。人工神经网络的基本单元人工神经网络的基本单元人工神经网络的基本单元是人工神经网络的基本单元是神经元神经元，又称处理单元。，又称处理单元。

25、ijyjW1jW2jWijWnjX1X2X3Xn神经元模型神经元模型图中神经元图中神经元j有一个输入有一个输入集合集合X1,X2,Xn和一个和一个单位输出单位输出yj，其数学描述，其数学描述为：为：)()()()()a(S1cgybSfXWjjjjniijijj其中其中j(t)和和j(t)分别表示神经元的一个与时间有关的活动分别表示神经元的一个与时间有关的活动状态和阈值，状态和阈值，Wij表示神经元之间的连接强度的权值。表示神经元之间的连接强度的权值。人工神经网络的结构形式人工神经网络的结构形式（1）前馈式网络）前馈式网络 网络中神经元分层排列，每个神经元只与网络中神经元分层排列，每个神经元只

26、与前一层神经元相连。前一层神经元相连。（2）输入输出有反馈的前馈网络）输入输出有反馈的前馈网络（3）前馈内层互联网络）前馈内层互联网络y1y2ynx1x2xny1y2yny1y2ynx1x2xnx1x2xn（4）反馈型全互联网络）反馈型全互联网络 （5）反馈型局部连接网络）反馈型局部连接网络 反馈型网络存在稳定性问题，必须讨论其收敛性和稳定性。反馈型网络存在稳定性问题，必须讨论其收敛性和稳定性。神经网络的学习方法及规则神经网络的学习方法及规则2神经网络通过学习来解决问题而不是通过编程。对于每个神经网络通过学习来解决问题而不是通过编程。对于每个神经元来说，如果传递函数不变，输出由两个因素决定：神

27、经元来说，如果传递函数不变，输出由两个因素决定：输入数据输入数据和此神经元连接的和此神经元连接的各输入量的权重各输入量的权重。权重是变量，。权重是变量，可以动态修改，产生一定的输出。可以动态修改，产生一定的输出。两种不同的学习方式：有指导的训练和没有指导的训练两种不同的学习方式：有指导的训练和没有指导的训练（1）有指导的训练）有指导的训练 神经网络将应有的输出与实际输出数神经网络将应有的输出与实际输出数据进行比较。据进行比较。（2）没有指导的训练）没有指导的训练 网络不靠外部的影响来调整权重。网络不靠外部的影响来调整权重。误差反传神经网络构成和学习方法误差反传神经网络构成和学习方法3利用误差反

28、向传播（利用误差反向传播（back-propagation，BP）计算来处理）计算来处理误差的网络模型，其网络结构简单，使用方便，可以解决误差的网络模型，其网络结构简单，使用方便，可以解决大多数神经网络所面临的问题。大多数神经网络所面临的问题。BP网络是在输入层和输出网络是在输入层和输出层之间加上一层或几层中间层构成。层之间加上一层或几层中间层构成。BP网的学习过程主要由网的学习过程主要由四部分组成：输入模式四部分组成：输入模式顺传播；输出误差逆传顺传播；输出误差逆传播；循环记忆训练；播；循环记忆训练；学习结果判别。学习结果判别。2. 材料设计的范围材料设计的范围原料材料试样组织结构特性可否评价改变结构制备观察测试实际试用微观组织结构设计制备方法设计系统设计材料设计材料设计的范围材料设计的范围4.5 人工神经网络在材料科学中的应用人工神经网络在材料科学中的应用ANN实现材料设计与