计算机在材料科学与工程中的应用材料数据库和专家系统

1、计算机在材料科学与工程中的应用叶卫平第五章 材料数据库和专家系统本 章 要 点数据库系统的组成与结构材料科学与工程数据库材料科学专家系统典型材料学科专家系统渗碳过程系统控制 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 5.1 数据库系统的组成与结构数据库系统概述180s后涉及到各种工程和科技领域70-80s 关系数据库理论60s 层次数据模型和网状数据模型如：分布式数据库、工程数据库、模糊数据库、并行数据库以及多媒体数据库等。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系

2、统 :/ 5.1 数据库系统的组成与结构80s后涉及到各种工程和科技领域70-80s 关系数据库理论关系型DBMS和网状数据模型 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2 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 5.1 数据库系统的组成与结构 (1)数据库；(2)物理存储器； (3)数据库软件；数据库系统结构3三级结构 计算机在材料科学

3、与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 5.1 数据库系统的组成与结构数据库系统结构3三级结构 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 数据库数据主要特征45.1 数据库系统的组成与结构数据一致性和可维护性数据独立性数据共享数据的结构化减少数据冗余 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 工程数据库55.1 数据库系统的组成与结构Eg. 一个CAD系统主要包括DBMS、图形

4、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 应用程序方法库图像系统DBMS数据库 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库的开展15.2 材料科学与工程数据库FactSage Databases :/ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) Database :/ The Powder Diffraction File (PDF) The International Centre for Diffraction Data CSD(Cambrid

5、ge Structural Database System) :/ 国外MDI Jade 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库的开展15.2 材料科学与工程数据库材料热处理数据库北京机电研究所机械工程材料数据库上海材料研究所航空材料数据库航空航天工业部材料数据中心国内腐蚀数据库和摩擦数据库武汉材料保护研究所90s清华大学材料研究所等单位联合建成新材料数据库,包括新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料5个子库。80s以来 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专

6、家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库( :/)FactSage Databases 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库()PDF DatabasesPDF2-2004年版PDF2-2021年版 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章

7、材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库沉积工艺预抽真空20min；预轰击清洗15min离子镀沉积30min后冷却出炉负偏压(100-300V)靶电流(35-80A)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。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与

8、工程数据库Ti2N PDF 17-386 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库 结合PVD工艺，PDF卡片，得出TiN涂层外表主要有TiN、Ti2N、TiN0.26、FeTi相。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库()机械工程材料数据库 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统

9、:/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库()MDI Jade物相检索 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库二元相图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 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料数据库应用举例25.2 材料科学与工程数据库陶瓷相图数据库美国陶瓷学会，美国国家标准局(ACerS

10、-NIST)Eg,输入ZrO2-Y2O3 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 专家系统的历史和开展15.3 材料科学专家系统 人工智能(Artificial Intelligence, AI)是计算机科学的一个分支，是20世纪中期产生的并正在迅速开展的新兴边缘学科。ES是人工智能研究领域中最活泼、最具实用价值的应用领域。 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处理该领域问题。

11、 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 专家系统的工作原理25.3 材料科学专家系统专家系统工作原理图知识库推理机专家知识输入或提问答案 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 专家系统的工作原理25.3 材料科学专家系统专家系统工作原理图专业知识Why How 信息Knowledge baseGlobal databaseReasoning machineExplicatorInterface 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章

12、 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 专家系统的类型35.3 材料科学专家系统解释专家系统interpretation ES 预测专家系统prediction ES) 诊断专家系统diagnosis ES 设计专家系统design ES 规划专家系统planning ES 监视专家系统monitoring ES控制专家系统control 调试专家系统debugging教学专家系统instruction 修理专家系统repair 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 超精

13、淬透性控制专家系统15.4 典型材料学科专家系统 :/The SKF Steel Extra Hardenabi1ity Control System瑞典奥瓦科钢公司 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。淬透性带宽控制(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性计算预报(在线联机)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。“斯凯孚 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 超

14、精淬透性控制专家系统15.4 典型材料学科专家系统 :/瑞典奥瓦科钢公司模型中Mo和Mn对钢淬透性影响示意图 模型考虑了合金元素对不同端淬距离处的淬透性奉献的差异, 对每个端淬距离建立了两个回归方程。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 超精淬透性控制专家系统15.4 典型材料学科专家系统 :/瑞典奥瓦科钢公司SKF系统联合作业框图 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 超精淬透性控制专家系统15.4 典型材料学科专家系统 :/瑞

15、典奥瓦科钢公司SKF152钢的淬透性带和用户要求 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 水泥厂化验室专家系统25.4 典型材料学科专家系统 :/武汉亿胜科技 林宗寿 总结了几百家水泥厂化验室的工作经验，针对当前水泥厂普遍存在的一些技术问题，并经国家水泥质量监督检验中心认可，中国水泥协会推荐的适用于所有水泥厂的微机产质量分析、决策的管理系统。 有报表自动汇总、产质量分析、最正确配料方案、最正确磨机级配、最正确石膏掺量、最正确粉磨细度、最正确混合材掺量、窑况判断和自动预报结窑和生烧情况、智能化配料计算和智能化配球计算

16、、设备故障原因分析和排除、远程通讯、技术咨询等。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 汽车冲压件选材专家系统35.4 典型材料学科专家系统系统的总体结构图南京航空航天大学 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 汽车冲压件选材专家系统35.4 典型材料学科专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 汽车冲压件选

17、材专家系统35.4 典型材料学科专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 汽车冲压件选材专家系统35.4 典型材料学科专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 汽车冲压件选材专家系统35.4 典型材料学科专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统

18、:/ 人工神经网络 (Artificial Neural Network)15.5 ANN在材料科学中的应用 ANN模拟人类处理方式去理解和利用信息。材料科学所研究的许多问题无法建立确切的数学模型。 ANN具有自学习功能，能从实验数据中自动获取数学模型。 ANN在材料设计与成分优化，材料的智能加工与控制,材料加工工艺的优化，材料性能预测等方面得到了广泛应用。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ ANN材料设计与优化25.5 ANN在材料科学中的应用ANN的材料设计专家系统 计算机在材料科学与工

19、程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 材料设计(Materials Design)35.5 ANN在材料科学中的应用材料设计的范围 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 计算机辅助合金设计45.5 ANN在材料科学中的应用 日本三岛良绩和等建立的计算机辅助合金设计(Computer Aid Alloy Design，简称CAAD)系统。以元素的含量(百分数)为坐标，构筑以70多种元素的含量为坐标的多维空间，将上述各种信息记录在该多维空间中，然后按以下图

20、实现计算机辅助合金设计。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 计算机辅助合金设计45.5 ANN在材料科学中的应用集合并 集合交 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用例1： 一个典型的用来进行函数逼近的两层结构的神经网络，它具有一个双曲正切型的激活函数隐含层，其输出层采用线性函数。 有21组单输入矢量和相对应的目标矢量，试设计神经网络来实现这对数组的函数关系。P=-1:0.

21、1:1;P2=-1:0.1:1;T=-0.96 -0.577 -0.0729 0.377 0.641 0.66 0.461 0.1336 . -0.201 -0.434 -0.5 -0.393 -0.1647 0.0988 0.3072 . 0.396 0.3449 0.1816 -0.0312 -0.2183 -0.3201; 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用% 网络初始化R,Q=size(P);S2,Q=size(T);S1=5;W1,B1=ran

22、ds(S1,R);W2,B2=rands(S2,S1);b1=;b2=;b1=B1*ones(1,21);b2=B2*ones(1,21); 选择隐含层神经元为5；较复杂的函数需要较多的隐含层神经元：这可以根据试验或经验来确定。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用下载网站： 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用例2：

23、以铝青铜的化学成分作为输入参数，以抗拉强度b、屈服强度0.2、和延伸率作为输出，建立了高强度船用螺旋桨铝青铜的力学性能预测模型。采用数据5项输入:p指合金元素Cu、Mn、Al、Fe、Ni，t指三力学性能b， 0.2， 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用用人工神经网络模型预测铝青铜力学性能, 热加工工艺，2004 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计5

24、5.5 ANN在材料科学中的应用用人工神经网络模型预测铝青铜力学性能, 热加工工艺，2004 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用抗拉强度b延伸率 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ 函数逼近BP网络的设计55.5 ANN在材料科学中的应用注：BP1.m，BP2.m，BP3.m,BP4.m，BP5.m，BP6.m 结果：预测值与实测数据接近，抗拉强度和屈服强度的相对误差在1

25、%范围，延伸率的最大绝对误差为2.3，明显优于多元线性回归模型515%的误差。 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ Neural network(A set of four case studies)65.5 ANN在材料科学中的应用Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile ironsNeural network model of creep strength of austenitic stainless ste

26、elsNeural-network analysis of irradiation hardening in low-activation steelsApplication of Bayesian Neural Network for modeling and prediction of ferrite number in austenitic stainless steel weldsUniversity of Cambridge, Stphane Forsik 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ Esti

27、mation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons65.5 ANN在材料科学中的应用来源：University of Cambridge, Stphane ForsikRetained austenite helps to optimize the mechanical properties of austempered ductile irons.The maximization of the amount of retained austenite gives the best mechanical

28、 properties.Many variables are involved in this calculation and no models can give quantitative accurate predictions. 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons65.5 ANN在材料科学中的应用University of Cambridge, Stpha

29、ne ForsikInput parameters 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons65.5 ANN在材料科学中的应用University of Cambridge, Stphane ForsikInputs/outputsxixjxkh2h1hwt% C, wt% Si, wt% Mn, wt% Ni, wt% Cu Austenising time (mi

30、n) and temperature (K) Austempering time (min) and temperature (K) Volume fraction of retained austenite (%) HIDDEN UNITS 计算机在材料科学与工程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 :/第五章 材料数据库和专家系统 :/ Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons65.5 ANN在材料科学中的应用University of Cambridge, Stphane ForsikTraining and testing of the model