材料数据库系统在选材评价中的综合应用研究.pdf

材料数据库系统在选材评价中的综合应用研究材料数据库系统在选材评价中的综合应用研究ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌＤａｔａｂａｓｅＳｙｓｔｅｍｉｎＭａｔｅｒｉａｌＳｅｌｅｃｔｉｏｎＥｖａｌｕａｔｉｏｎ郭启雯，才鸿年，王富耻，张洪梅，杨春，程建（１北京理工大学材料学院，北京１０００８１；２四川师范大学可视化计算与虚拟现实四川省重点实验室，成都６１００６８）———ＧＵＯＱｉｗｅｎ，ＣＡＩＨｏｎｇｎｉａｎ，ＷＡＮＧＦｕｃｈｉ，—ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｍｅｉ，ＹＡＮＧＣｈｕｎ。。ＣＨＥＮＧＪｉａｎ（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；２ＶｉｓｕａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｉｃｈｕａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＳｉｃｈｕａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６８，Ｃｈｉｎａ）摘要：基于材料数据库的选材评价，可以充分发挥数据库海量存贮能力、强大的检索功能与计算机的超级计算能力，使待评价材料的筛选和大量数据初始化处理与模型计算等评价的繁琐复杂过程变得快捷、准确、简便和智能。在构建材料数据库系统的基础上，开发出材料适用性评价方法功能模块，实现了基于材料数据库的计算机辅助选材评价，在材料数据库系统向智能化技术发展的方向上进行了有益的尝试。通过评价得到的量化结果，直观反映出性能相近或各有优劣的选材方案的差异，减少了仅凭经验甄别选材方案时的主观性或盲目性。关键词：材料；数据库；选材；评价中图分类号：ＴＨ１４Ｏ文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１２）０１０００１０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｍａｔｅｒｉａｌｄａｔａｂａｓｅｃａｎｂｒｉｎｇｄａｔａｂａｓｅｆｕｌｌｐｌａｙｉｎ—ｔｈｅｍａｓｓｍｅｍｏｒｙａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｓｅａｒｃｈｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄｃａｎｇｉｖｅｃｏｍｐｕｔｅｒｆｕｌｌｐｌａｙｉｎｔｈｅｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇｐｏｗｅｒ．Ｓｉｎｃｅｓｕｃｈ，ｔｈｅｏｌｄｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｍａｓｓｄａｔａｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｅｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｂｅｃｏｍｅｓｓｈｏｒｔｃｕｔ，ｅｘａｃｔ，ｓｉｍｐｌｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ．—Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄａｔａｂａｓｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ。ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄａｔａｂａｓｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓｉｓａｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｒｙｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄａｔａｂａｓｅ—ｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅａｔｔａｉｎｅｄｑｕａｎｔｉｆｉｅｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒ—ｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｌｏｓｅｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓ．Ｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｂｌｉｎｄｎｅｓｓｗｈｉｃｈａｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｗｈｅｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎｉｓｏｎｌｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉａｌ；ｄａｔａｂａｓｅ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ从２０世纪７０年代材料数据库问世以来发展到今“天，数据库相关技术已成为材料科学的一个重要分”支Ｌ１］，在工程材料的科学研究、制备加工、性能评价和开发应用等方面有着广泛的应用。２０１０年召开的第二届亚洲材料数据库会议（Ｔｈｅ２州ＡｓｉａｎＭａｔｅｒｉａｌｓＤａｔａｂａｓｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ），集中展示了材料数据库研究与应用的最新进展，它正朝着网络化、标准化、集成化、智能化和商业化的方向发展。材料数据库系统作为材料研究、生产与应用的数据共享和数据开发应用平台，已经成为世界各国技术发展的基础技术与战略性资源，发挥着越来越重要的作用。在材料工程领域，由于材料成分、制备过程和应用环境等对材料最终使用性能的影响非常复杂，具有很大的不确定性，使得研究方法不得不更多地依赖于专家经验。人工神经网络、模式识别等人工智能技术对于处理这种具有强非线性关系研究领域的优势已经越２材料工程／２０１２年１期来越多地引起材料界科研人员的重视，并随着应用范围的不断拓展开始发挥重要作用。将材料数据库技术与人工智能化技术相结合，形成了基于材料数据库的知识库、专家系统，主要应用集中在材料优化设计、智能加工与控制、缺陷诊断与质量控制、性能与寿命预测以及智能化选材等方面。这种技术已经在美国、德国、日本等国家的材料领域得到较广泛的应用，由一般基于经验或半经验的专家系统，发展到基于理论计算、智能分析、工程设计、综合决策相集成的应用系统，使材料科学研究由实验科学向计算科学的方向推进了一大步。材料数据库系统已经从材料科学研究与生产使用中的数据管理、检索等一般性应用向更高端的智能化阶段发展，充分展现出计算机技术的优势，使人工方法难以逾越的困难变得轻而易举，对促进材料科学的发展产生深远影响。１基于材料数据库系统的选材评价工业装备的选材评价是对材料及形成构件或产品的过程以及该构件或产品对工业装备形成的功能与效益进行的识别和评估，其中涉及材料本身的技术性能、材料制备和形成构件或产品的生产工艺、经济与社会效益以及对环境的影响等诸多因素，所以选材过程是一个十分复杂的过程］。基于材料数据库系统的选材评价，依赖于材料数据库系统拥有的海量数据资源和强大的检索功能，辅以材料适用性评价功能，可使选材过程程序化、定量化，再结合工程技术人员的判断和经验，才能达到比较正确而快捷的选择和权衡］。我国已有一些科研人员在这方面开展了研究，取得了宝贵的经验］。本研究在材料适用性选材评价方面进行了探索，应用层次分析法建立了材料适用性评价指标体系］，构建了评价模型［９］，开发了材料适用性计算机辅助评价功能模块，并应用该模块对多个选材方案开展了评价，在实现科学选材、量材为用方面进行了初步实践。通过量化分析评价，直观反映出性能相近或各有优劣的选材方案的差异，减少了仅凭经验甄别选材方案时的主观性或盲目性，在实现材料数据库系统向智能化技术发展的方向上进行了有益的尝试。１．１材料适用性选材评价指标体系与评价模型工程材料是工业装备实现功能的基础与载体，依照满足应用需求、性能稳定可靠、持续稳定供货、经济可承受等条件，建立了材料适用性评价指标体系＿８］。这是一个多目标、多指标的综合体系，由３层结构构成：第１层为目标层即材料适用性选材评价；第２层为主因素层，包括性能适用性、技术成熟性、能力保障性和经济可承受性等４项对材料适用性具有重要影响的主要因素；第３层为指标因子层，是评价的具体内容。该评价指标体系通过专家调查和优化调整后，经实例验证表明，各主要因素和评价因子的设置具有合理性与科学性，比较全面地反映了选材的客观要求。材料适用性选材评价模型＿＿９］为—ＡＷ×Ｒ（１）…式中：Ｒ一（ｒ，ｒ，，），为指标因子集；Ｗ一（ｗ，…ｗ。，，Ｗ。），为综合权重集。作为选材评价，若有ｒ／种候选材料需进行综合评价，其评价集Ｒ＝＝＝（ｒ）。，……其中ｉ一１，２，，７＂ｌ；一１，２，，１３。当进行单个材料的适用性评价时，Ｒ为行矩阵，可简化为１３∑Ａ一Ｗ×ｒ７（２）Ｊ＝１１．２选材评价方法选材评价时，按照材料的具体使用要求，首先对待评价材料的各项指标因子根据确定的赋值标准分别进行赋值，赋值标准主要包括指标因子的物理意义、赋值方法、取值范围等，是对指标因子的具体赋值方法进行的规范；然后对指标因子进行初始化处理，主要包括指标的正向化处理与无量纲化（归一化）处理，以使多样性、多量纲的指标因子具有公度性。将经过初始化处理的指标因子值代入选材评价模型中进行计算，最后将计算结果进行排序，大于且越接近于目标值的材料为最适合材料。１．３基于材料体系数据库的选材评价工作流程在选材评价过程中，涉及待评价材料的筛选和大量数据初始化处理与模型计算，依托于材料体系数据库，可以充分发挥其超大存贮能力、超强检索功能与超级计算能力，使材料评价的繁琐复杂过程变得快捷、简便、准确和智能，显现出强大的技术优势。基于材料体系数据库的选材评价工作流程如图１所示。（１）性能分析材料性能是选材时首要考虑的核心关键因素，因此首先根据工程应用要求进行材料性能需求分析，确定必要、关键的材料常规性能与使用性能。所谓常规性能是指在常温常压下的材料本征性能，使用性能是指与使用环境密切相关的服役性能，如高温、盐雾、高速冲击、湿热等环境下材料的承载或功能特性。（２）筛选材料选材的第二步，是通过材料数据库强大的检索功能筛选出满足关键常规性能和使用性能条件的材料，这些材料构成待评价材料集Ｍ。相对于应用需求，Ｍ中所包含的材料尽管能够满足性能要求，但只表明其具有可用性，却不一定具有适用性。首先在性能方面，４材料工程／２０１２年１期及每一项指标因子的赋值方法，以便于用户进行赋值。在赋值之前，系统将首先对每一个备选材料进行检索以查看其是否已有过赋值（系统对进行过评价的材料赋值表自动进行存储积累），但由于用户应用要求的不同，赋值会有所不同，因此已有赋值作为参考，用户可以对赋值表进行修改编辑。（４）数据初始化处理完成赋值后，系统依照程序对赋值的指标数据进行初始化处理，主要包括逆指标和适度指标的正向化处理，以及指标的归一化处理。（５）模型计算将完成初始化处理的数据代人评价模型中进行计算，得出评价结果。（６）显示评价结果将计算后得出的评价结果按照升序（或降序）自动排序后显示，其结果大于且越接近于目标值的材料为最适用材料。２应用实例针对某工程装备翼型结构应用需求，应用嵌人材料适用性评价功能模块的材料体系数据库系统开展选材评价。通过分析，翼型结构部件对材料的使用要求主要为轻质化和具有较高的承载能力，因此选择关键性能为材料密度、材料强度与弹性模量。根据设计要≤求，确定关键常规性能要求为密度２．７ｇ／ｃｍ。；关键≥≥使用性能为屈服强度Ｒ６７０ＭＰａ，模量Ｅ６３ＧＰａ。将这些条件输入数据库中进行检索，筛选出符合要求的Ｔ３００／ＨＤ０３，Ｔ７００／ＨＤ０３和炭／钛超混杂复合材料共３种材料；按照用户要求，又增加了Ｔ３００／４２１ｌ，Ｔ７００／４２１ｌ，高强玻纤／４２１１和高强铝合金４种材料共同参加选材评价。由于这７种材料各有优劣，须从性能适用性、技术成熟性、能力保障性和经济可承受性等方面进行全面综合性评价。按照赋值标准对所有待评价材料进行赋值，同时将设计人员对材料的要“”求虚拟为选材标准一同进行赋值，然后对数据进行初始化处理，再代入评价模型中进行计算，对计算结果进行排序后得到最终评价结果，见表１。可以看出Ｔ３００／ＨＤ０３，Ｔ７。０／ＨＤＯ３和炭／ｇｋ超混杂复合材料均满足选材要求，而Ｔ３００／ＨＤ０３最接近选材标准，为最适用材料。由于采用了基于材料数据库的计算机辅助选材方法，整个评价过程操作简单，计算快捷，评价结果与专家的经验判断和实际应用情况完全吻合。表１选材评价结果的排序Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｓｅｌｅｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎ３结论（１）基于材料数据库的选材评价方法得到的评价结果，经过初步验证，与实际应用情况相吻合，但尚需通过大样本量的试验检验和不断优化才能真正满足工程应用要求。（２）基于材料数据库的选材评价方法，可以充分发挥数据库的海量存贮能力、强大的检索功能与计算机的超级计算能力，使待评价材料的筛选、大量数据初始化处理与模型计算等评价的繁琐复杂过程变得快捷、准确、简便和智能，这种方法显现出来的强大技术优势，已成为材料数据库技术令人关注的主要发展方向之一。参考文献［１］李霞，苏航，陈晓玲，等．材料数据库的现状与发展趋势［Ｊ］．中国—冶金，２００７，１７（６）：４８．［２］杨瑞成，邓文怀．工程设计中的材料选择与应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．［３］羊海棠，杨瑞成，袁晓波，等．材料数据库在选材中的应用［Ｊ］．材—料开发与应用，２００４，１９（２）：４０４４．［４］汪建飞，殷国富，宁芊，等．金属材料模糊查询及选材数据库系统—［Ｊ］．机械，２００５，３２（３）：２６２８．［５］曹杰，赵立权．绿色材料评价体系与方法的研究［Ｊ］．华东船舶１业学院学报：自然科学版，２００３，１７（６）：６３～６６．［６］张良，刘光复，刘志峰．面向绿色设计的客户驱动型二级材料选择—方法［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２００６，２９（２）：２０９２１２．［７］刘书华．材料选择的模糊综合评判［Ｊ］．机械工艺师，２０００，（４）：９—１０．［８］郭启雯，才鸿年，王富耻，等．材料适用性评价指标体系构建研究—［Ｊ］．材料工程，２００９，（９）：９１２．［９］郭启雯，才鸿年，王富耻，等．材料适用性评价模型构建研究［Ｊ］．材料工程，２０１１，（１）：１ｌ一１６．——收稿日期：２０１Ｉ－０６０１；修订日期：２０１卜１０２１作者简介：郭启雯（１９５６），女，副研究员，材料加工专业，联系地址：北京市海淀区中关村南大街５号北京理工大学材料学院（１０００８１），Ｅｍａｉｌ：ｂｉｔｍｓｃ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ