材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用結(jié)課作業(yè)（題目：計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)班級：姓名：學(xué)號：二零年五月計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)21 世紀(jì)是一個(gè)全新的數(shù)字信息時(shí)代，人們的生活、娛樂、辦公、學(xué)習(xí)都離 不開計(jì)算機(jī)的幫助。 不僅如此， 它改變了包括各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域在內(nèi)的世界面貌。 21 世紀(jì)伴隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 計(jì)算機(jī)在軟硬件方面都取得了長足的進(jìn)步， 而網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)、信息高速公路的出現(xiàn)， 是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已遠(yuǎn)不止科學(xué)計(jì)算， 更成為科技領(lǐng) 域存儲、傳輸、處理、加工數(shù)字化信息的工具。在 20 世紀(jì) 50 年代科學(xué)家就設(shè)想用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“材料設(shè)計(jì)” ，其旨是通過理 論與計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者是通

2、過理論設(shè)計(jì)來“訂做”具 有特別性能的新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計(jì)”最佳的制備與加工方法。在“材料設(shè) 計(jì)”的研發(fā)下，人工智能在 20 世紀(jì)中葉產(chǎn)生并迅速的發(fā)展了起來。人工智能的 研究是要分析人類的思維過程或人類智能可能具有的功能， 并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中模 擬實(shí)現(xiàn)。而專家系統(tǒng)是人工智能研究領(lǐng)域中最活躍、 最具實(shí)現(xiàn)價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域之 一。把專家系統(tǒng)應(yīng)用于我們的材料設(shè)計(jì)之中，便誕生了材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。 材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能 運(yùn)用這些知識解決材料設(shè)計(jì)中有關(guān)問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。最理想的專家 系統(tǒng)是從基本理論出發(fā)，通過計(jì)算和邏輯推理預(yù)測未知材料的性能和制備 方法。但由于影

3、響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的因素極其復(fù)雜，這種完全演繹 式的專家系統(tǒng)還難以實(shí)現(xiàn)。目前的專家系統(tǒng)是以經(jīng)驗(yàn)知識和理論知識相結(jié) 合為基礎(chǔ)的。一個(gè)完整的材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)通常由知識庫、工作數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、 知識獲取機(jī)制、解釋機(jī)制和人機(jī)接口六個(gè)部分組成。材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)根 據(jù)用戶提出的有關(guān)材料性能的要求，以綜合材料數(shù)據(jù)庫為出發(fā)點(diǎn)，在控制 策略的引導(dǎo)下，由推理機(jī)運(yùn)用知識庫中的有關(guān)知識，通過不斷的探索推理 以達(dá)到目標(biāo)。材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的工作過程是以知識為基礎(chǔ)、對目標(biāo)問題 進(jìn)行求解的過程，是一個(gè)搜索過程。近幾年我國科學(xué)家利用專家系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) , 開發(fā)了一個(gè)基于 web 的纖維 增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)原型

4、, 它總結(jié)了有關(guān)的設(shè)計(jì)原則、 經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則 , 能在 web 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)信息的交流和數(shù)據(jù)的共享 , 能實(shí)現(xiàn)具有一定 功能的復(fù)合材料及其典型構(gòu)件的設(shè)計(jì) , 實(shí)用價(jià)值十分明顯。 該系統(tǒng)是模擬復(fù)合材 料設(shè)計(jì)的專家和工程技術(shù)人員根據(jù)最初的技術(shù)要求和實(shí)際條件 ( 如荷情況、環(huán)境 條件及幾何尺寸和尺寸大小的限制等 ) , 給出一種設(shè)計(jì)方案。 復(fù)合材料設(shè)計(jì)過程 可分為兩大部分： 一是材料設(shè)計(jì)、 材料選擇和鋪層設(shè)計(jì)部分； 二是材料性能預(yù) 測、應(yīng)力應(yīng)變分析、強(qiáng)度校核部分。在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)中。一般是利用 從多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中積累起來的不嚴(yán)格的經(jīng)驗(yàn)知識， 對這部分將采用專家系統(tǒng)進(jìn) 行設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)

5、的經(jīng)驗(yàn)、規(guī)定、原則用知識來表示。通過推理機(jī)制分別加 載不同的知識庫進(jìn)行推理， 從而實(shí)現(xiàn)各種情況下的材料設(shè)計(jì)、 選材工作和鋪層設(shè) 計(jì)工作。基于 Internet 專家系統(tǒng)，用戶通過瀏覽器提交請求， web 服務(wù)器收到 請求后將請求格式化并送至邏輯服務(wù)器( Logic Server )， Logic Server 根據(jù)請 求從知識庫提取所需知識，進(jìn)行推理，并將結(jié)果傳回Web服務(wù)器。web服務(wù)器將格式化推理結(jié)果，傳回用戶瀏覽器。該系統(tǒng)能再web環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè) 計(jì)信息的交流和數(shù)據(jù)的共享， 整個(gè)設(shè)計(jì)過程通過一系列的人機(jī)交互對話， 可不停 反復(fù)進(jìn)行，直到得到比較滿意的結(jié)果為止。同時(shí)，材料設(shè)計(jì)專家系

6、統(tǒng)也被用于熱處理工藝的制定，我們稱其為熱處 理工藝專家系統(tǒng)。熱處理工藝專家系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的零件信息自動推 理出最適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，并確定相應(yīng)的保溫溫度和時(shí)間等參數(shù)；在得到 用戶調(diào)整后，系統(tǒng)自動繪制出熱處理工藝卡，并將工藝卡中的有關(guān)信息存儲， 以便以后需要時(shí)進(jìn)行使用和研究。 系統(tǒng)的知識庫由事實(shí)庫、 規(guī)則庫和實(shí)例庫組成， 包括金屬材料數(shù)據(jù)庫、熱處理工藝數(shù)據(jù)庫、典型零件數(shù)據(jù)庫。熱處理工藝專家 系統(tǒng)以用戶選擇輸入的有關(guān)零件的初始信息為條件，搜索金屬材料數(shù)據(jù)庫 或熱處理工藝數(shù)據(jù)庫，得到與之匹配的粗略的工藝信息提供用戶選擇或確 認(rèn)，然后以此條件再次搜索金屬材料數(shù)據(jù)庫或熱處理工藝數(shù)據(jù)庫，得到較 精確的工

7、藝信息，如此多次搜索，最終得到推理結(jié)果，經(jīng)過用戶調(diào)整確認(rèn) 后，即形成正式的工藝文件。熱處理工藝專家系統(tǒng)中的知識庫是一個(gè)動態(tài) 結(jié)構(gòu)。在用戶使用過程中，知識庫應(yīng)當(dāng)能夠不斷地更新與完善，從而使系 統(tǒng)表現(xiàn)出越來越好的使用效果。鋼材用戶為了限制淬透性的波動，往往對特定鋼種的一些合金元素提 出更窄的成分范圍。然而即使采用在嚴(yán)格的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，淬透性的波動 仍然很大，這是因?yàn)閹缀趺恳粋€(gè)合金元素幾乎都能使鋼的淬透性增加，而 且元素對淬透性的增加的疊加不是簡單的算數(shù)加和。為了解決這個(gè)問題， OVAK（公司開發(fā)了鋼超精淬透性預(yù)測和控制系統(tǒng)，將用戶的淬透性要求同煉鋼工藝過程的淬透性控制聯(lián)系起來，鋼廠能夠按用戶的要求提供具有指定 淬透性的鋼材。作為一種理論研究工具，