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.ppt

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,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 http:/,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 http:/,5.1 数据库系统的组成与结构,数据库系统概述,1,80s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 http:/,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)。,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 http:/,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；,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 http:/,5.1 数据库系统的组成与结构,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 http:/,数据库数据主要特征,4,5.1 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 http:/,工程数据库,5,5.1 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 http:/,材料数据库的发展,1,5.2 材料科学与工程数据库,FactSage Databaseshttp:/www.crct.polymtl.ca/,ICSD(Inorganic Crystal Structure Database)Databasehttp:/icsd.ill.fr/icsd/,The Powder Diffraction File(PDF)The International Centre for Diffraction Data http:/,CSD(Cambridge Structural Database System)http:/www.ccdc.cam.ac.uk/,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 http:/,材料数据库的发展,1,5.2 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 材料数据库和专家系统 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,(http:/www.crct.polymtl.ca/),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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,(http:/),PDF Databases,PDF2-2004年版,PDF2-2008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 http:/,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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,结合PVD工艺，PDF卡片，得出TiN涂层表面主要有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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,(http:/www.china-,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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 材料科学与工程数据库,(http:/www.china-,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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 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 http:/,材料数据库应用举例,2,5.2 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-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 http:/,专家系统的历史和发展,1,5.3 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。,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 http:/,专家系统的工作原理,2,5.3 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 http:/,专家系统的工作原理,2,5.3 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 base,Global database,Reasoning machine,Explicator,Interface,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 http:/,专家系统的类型,3,5.3 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 http:/,超精淬透性控制专家系统,1,5.4 典型材料学科专家系统,http:/,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 http:/,超精淬透性控制专家系统,1,5.4 典型材料学科专家系统,http:/,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贡献的差别,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 http:/,超精淬透性控制专家系统,1,5.4 典型材料学科专家系统,http:/,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 http:/,超精淬透性控制专家系统,1,5.4 典型材料学科专家系统,http:/,瑞典奥瓦科钢公司,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 http:/,水泥厂化验室专家系统,2,5.4 典型材料学科专家系统,http:/,武汉亿胜科技有限公司 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、最佳配料方案、最佳磨机级配、最佳石膏掺量、最佳粉磨细度、最佳混合材掺量、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、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 http:/,汽车冲压件选材专家系统,3,5.4 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 http:/,汽车冲压件选材专家系统,3,5.4 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 http:/,汽车冲压件选材专家系统,3,5.4 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 http:/,汽车冲压件选材专家系统,3,5.4 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 http:/,汽车冲压件选材专家系统,3,5.4 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 http:/,人工神经网络(Artificial Neural Network),1,5.5 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 http:/,ANN材料设计与优化,2,5.5 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程中的应用 第五章 材料数据库和专家系统 http:/,材料设计(Materials Design),3,5.5 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 http:/,计算机辅助合金设计,4,5.5 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，然后按下图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 http:/,计算机辅助合金设计,4,5.5 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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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=-1:0.1:1;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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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=rands(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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 ANN在材料科学中的应用,例2：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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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 http:/,函数逼近BP网络的设计,5,5.5 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%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 http:/,Neural network(A set of four case studies),6,5.5 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 steelsNeural-network analysis of irradiation hardening in low-activation steelsApplication of Bayesian Neural Network for modeling and prediction of ferrite number in austenitic stainless steel welds,University 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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,来源：University of Cambridge,Stphane Forsik,Retained austenite helps to optimize the mechanical properties of austempered ductile irons.,The maximization of the amount of retained austenite gives the best mechanical 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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,University of Cambridge,Stphane Forsik,Input 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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,University of Cambridge,Stphane Forsik,Inputs/outputs,wt%C,wt%Si,wt%Mn,wt%Ni,wt%Cu,Austenising time(min)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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,University of Cambridge,Stphane Forsik,Training and testing of the model,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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,University of Cambridge,Stphane Forsik,Predictions of Si and C,Volume fraction max for 3-3.25 wt%Si.,Below 3.1 wt%Si,more bainitic transformation and more austenite carbon enrichment.,Over 3.1 wt%Si,formation of islands of pro-eutectod ferrite in the bainite structure.,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 http:/,Estimation of the amount of retained austenite in austempered ductile irons,6,5.5 ANN在材料科学中的应用,University of Cambridge,Stphane Forsik,Predictions of Si and C,No effect below 3.6 wt%C.,Slight stabilization over 3.6 wt%C,possibly longer time to reach equilibrium for high concentrations.,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 http:/,1.3课程演变及安排,现代材料设计,微观结构设 计,材料性能预 测,响 应分 析,性 能优 化,材 料合 成,新技术革 命,数 据 库专家系统,材料物理细观力学,宏观力学细观力学,优 化方 法,合 成技 术,要求的性 能,外 加影响史,Thank You!,