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《计算机在材料科学中的应用》 结课作业 题
目：计算机用于新材料的设计 班 级： 姓
名： 学
号：
二零一一年五月
计算机用于新材料的设计
——材料设计专家系统
21世纪是一个全新的数字信息时代，人们的生活、娱乐、办公、学习都离不开计算机的帮助。

不仅如此，它改变了包括各个学科领域在内的世界面貌。

21世纪伴随着信息产业的发展，计算机在软硬件方面都取得了长足的进步，而网络技术、信息高速公路的出现，是计算机的应用已远不止科学计算，更成为科技领域存储、传输、处理、加工数字化信息的工具。

在20世纪50年代科学家就设想用计算机进行“材料设计”，其旨是通过理论与计算机预报新材料的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订做”具有特别性能的新材料，按生产要求“设计”最佳的制备与加工方法。

在“材料设计”的研发下，人工智能在20世纪中叶产生并迅速的发展了起来。

人工智能的研究是要分析人类的思维过程或人类智能可能具有的功能，并在计算机系统中模拟实现。

而专家系统是人工智能研究领域中最活跃、最具实现价值的应用领域之一。

把专家系统应用于我们的材料设计之中，便诞生了材料设计专家系统。

材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。

最理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推理预测未知材料的性能和制备方法。

但由于影响材料的组织结构和性能的因素极其复杂，这种完全演绎式的专家系统还难以实现。

目前的专家系统是以经验知识和理论知识相结合为基础的。

一个完整的材料设计专家系统通常由知识库、工作数据库、推理机、知识获取机制、解释机制和人机接口六个部分组成。

材料设计专家系统根据用户提出的有关材料性能的要求，以综合材料数据库为出发点，在控制策略的引导下，由推理机运用知识库中的有关知识，通过不断的探索推理以达到目标。

材料设计专家系统的工作过程是以知识为基础、对目标问题进行求解的过程，是一个搜索过程。

近几年我国科学家利用专家系统和网络技术, 开发了一个基于web的纤维增强树脂基复合材料设计专家系统原型, 它总结了有关的设计原则、经验和规则, 能在web环境下实现复合材料设计信息的交流和数据的共享, 能实现具有一定功能的复合材料及其典型构件的设计, 实用价值十分明显。

该系统是模拟复合材料设计的专家和工程技术人员根据最初的技术要求和实际条件( 如荷情况、环境条件及几何尺寸和尺寸大小的限制等) , 给出一种设计方案。

复合材料设计过程可分为两大部分：一是材料设计、材料选择和铺层设计部分；二是材料性能预测、应力应变分析、强度校核部分。

在复合材料设计、铺层设计中。

一般是利用从多年实践经验中积累起来的不严格的经验知识，对这部分将采用专家系统进行设计，将设计领域内的经验、规定、原则用知识来表示。

通过推理机制分别加载不同的知识库进行推理，从而实现各种情况下的材料设计、选材工作和铺层设计工作。

基于Internet 专家系统，用户通过浏览器提交请求， web服务器收到请求后将请求格式化并送至逻辑服务器（Logic Server），Logic Server根据请求从知识库提取所需知识，进行推理，并将结果传回Web服务器。

web 服务器将格式化推理结果，传回用户浏览器。

该系统能再web环境下，实现复合材料设计信息的交流和数据的共享，整个设计过程通过一系列的人机交互对话，可不停反复进行，直到得到比较满意的结果为止。

同时，材料设计专家系统也被用于热处理工艺的制定，我们称其为热处理工艺专家系统。

热处理工艺专家系统可根据用户提供的零件信息自动推理出最适当的热处理工艺，并确定相应的保温温度和时间等参数；在得到用户调整后，系统自动绘制出热处理工艺卡，并将工艺卡中的有关信息存储，以便以后需要时进行使用和研究。

系统的知识库由事实库、规则库和实例库组成，包括金属材料数据库、热处理工艺数据库、典型零件数据库。

热处理工艺专家系统以用户选择输入的有关零件的初始信息为条件，搜索金属材料数据库或热处理工艺数据库，得到与之匹配的粗略的工艺信息提供用户选择或确认，然后以此条件再次搜索金属材料数据库或热处理工艺数据库，得到较精确的工艺信息，如此多次搜索，最终得到推理结果，经过用户调整确认
后，即形成正式的工艺文件。

热处理工艺专家系统中的知识库是一个动态结构。

在用户使用过程中，知识库应当能够不断地更新与完善，从而使系统表现出越来越好的使用效果。

钢材用户为了限制淬透性的波动，往往对特定钢种的一些合金元素提出更窄的成分范围。

然而即使采用在严格的化学成分标准，淬透性的波动仍然很大，这是因为几乎每一个合金元素几乎都能使钢的淬透性增加，而且元素对淬透性的增加的叠加不是简单的算数加和。

为了解决这个问题，OVAKO公司开发了钢超精淬透性预测和控制系统，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。

作为一种理论研究工具，材料设计专家系统推动了人工智能的发展，也推动了材料界的进步。

作为一种实用工具，材料设计专家系统为人类保存、传播、实用和评价知识提供了一种有效的手段。

材料设计专家系统在21世纪中必将有着更加广阔的发展前景与运用空间。