材料基因工程在船舶領(lǐng)域的應用思路

中國船舶工業(yè)經(jīng)濟與市場研究中心 楊世雄

材料基因應得到船舶行業(yè)的重視，短期內(nèi)材料基因項目可以縮短船用材料研發(fā)周期并降低成本，長期來看還可以實現(xiàn)船用材料的按需設(shè)計。

材料基因工程，是借鑒生物學上的基因工程技術(shù)，研究材料結(jié)構(gòu)、配方、工藝與材料性能變化的關(guān)系。2011年，時任美國總統(tǒng)奧巴馬提出了“材料基因組計劃”(materials genome initiative，MGI)，目的是實現(xiàn)材料從設(shè)計發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化改進到生產(chǎn)應用的全流程加速，最終縮短研發(fā)周期并降低成本。2011年以后，美國、歐盟、日本、俄羅斯和中國均開展了材料基因研究計劃。

材料基因工程化應用現(xiàn)狀

國外材料基因工程的成果集中在建模工具、先進算法及大數(shù)據(jù)應用等方面，包括材料建模和仿真示范、材料創(chuàng)新平臺、數(shù)據(jù)庫、材料測量方法等。數(shù)據(jù)庫方面主要成果有材料數(shù)據(jù)知識庫、材料資源注冊表、材料工程項目數(shù)據(jù)庫、電池聯(lián)合中心、納米多孔材料數(shù)據(jù)平臺、集成結(jié)構(gòu)材料科學預測中心共享數(shù)據(jù)庫、能源材料網(wǎng)絡、無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)合金手冊、工程材料數(shù)據(jù)庫等。具體應用的領(lǐng)域涉及能源材料領(lǐng)域、氣體分離材料領(lǐng)域、催化材料領(lǐng)域及航空航天、船舶等特定應用領(lǐng)域。

能源材料領(lǐng)域：哈佛大學通過機器學習和高通量篩選等進行高性能有機光伏材料的制備。麻省理工大學的Ceder教授采用高通量計算的方法來對電極材料進行篩選。加州大學伯克利分校通過高性能計算等研發(fā)清潔能源領(lǐng)域的新材料，并預測新材料性能，建立了開放的數(shù)據(jù)庫。

復合材料領(lǐng)域：美國橡樹嶺國家實驗室建立“制造示范工廠”，通過材料基因技術(shù)推動低成本碳纖維復合材料在汽車領(lǐng)域的商業(yè)應用。

氣體分離材料領(lǐng)域：Snurr等通過高通量實驗與計算，制備出了高性能的CO2、H2和CH4等的捕獲分離材料。Haranczyk等利用巨正則系綜Monte Carlo模擬，篩選出了捕獲CO2和捕獲存儲CH4的高性能材料。

催化材料領(lǐng)域：Schubert等通過材料基因組學篩選藥物催化載體，使藥物更充分發(fā)揮效用。Winkler和Le論述基因遺傳算法能夠指導篩選出多元催化材料。

航空航天領(lǐng)域：QuesTek創(chuàng)新公司開發(fā)了Ferrium S53飛機著陸架用齒輪鋼。GE開發(fā)了燃氣渦輪機用GTD262高溫合金等。

圖1 材料基因組研究思路

材料基因組方法研究思路

材料基因組學的核心是建立材料配方、加工工藝與產(chǎn)品性質(zhì)的定量聯(lián)系，該定量關(guān)系確定便可在材料設(shè)計初期進行產(chǎn)品性能指標預測。性能指標預測模型的成功主要依賴于兩方面： 一是描述符集合的建立，二是多參數(shù)定量關(guān)系函數(shù)（預測模型）的建立。材料基因組研究思路可分為四步：數(shù)據(jù)集建立、描述符集合建立、預測模型建立和模型的可靠性檢驗與應用。

1、數(shù)據(jù)處理。首先選擇具有完備性和代表性的數(shù)據(jù)集，然后進行數(shù)據(jù)清洗等預處理，以移除數(shù)據(jù)集中的異常數(shù)據(jù)。最后進行數(shù)據(jù)歸一化等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過以上三步使原始數(shù)據(jù)具備準確且可用條件。

2、描述符集合建立。為了使不同方面的描述符最終能夠收斂地表達性質(zhì)參數(shù)， 描述符被分為多個子集。這些描述符可以基于二維結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)進行計算得出。

3、預測模型建立。合適的機器學習算法也是影響模型可靠性和準確性的關(guān)鍵一步。每種算法都有自己的優(yōu)勢和缺陷，需要依據(jù)待解決問題的不同而選擇不同特征功能的算法。如回歸、集成分類通常用于材料宏觀和微觀性質(zhì)的預測，機器學習常常搭配智能優(yōu)化算法（如遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法）進行模型的參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)材料研究應用場景不同，數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模算法總結(jié)如下。及船舶甲板機械對材料的使用須防腐、防污、防滑、減重等有較高的要求，船用機電設(shè)備如船舶主機、輔機等長期運行在高溫、高壓工況，對設(shè)備零件的剛度、強度、耐腐蝕性、導熱性具有較高的要求。我國船舶領(lǐng)域一些高端材料品種亟需解決國產(chǎn)化問題。如LNG船儲罐用殷

圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模算法

4、預測模型可靠性。訓練集訓練的模型需要通過測試集進行檢驗，并通過誤差對模型可靠性進行評估。目前常用的有留出法、交叉驗證法、自提升法三種模型評估方法。

船舶材料的需求特點

船舶工作環(huán)境復雜惡劣，船體瓦鋼、主機燃燒室相關(guān)部件材料、防污、F級高強度鋼、雙相不銹鋼板，以及齒條鋼等超高強度船舶與海洋工程用鋼。隨著我國船舶工業(yè)的高速發(fā)展，對船舶及其配套設(shè)備的材料也提出了新的要求。這就要求船舶材料向高性能、多功能、低成本化、智能化、復合化、整體化等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的“試錯”材料研制方法使船舶材料研發(fā)周期長、費用高，基于材料基因的船用材料研制方法可推進船舶設(shè)備快速更新?lián)Q代進而實現(xiàn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

就船舶工業(yè)而言，材料基因組技術(shù)的工作范圍包括：基于數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括材料數(shù)據(jù)庫設(shè)計、開發(fā)及數(shù)據(jù)庫集成應用；基于計算的技術(shù)，包括材料成分設(shè)計、材料工藝仿真模擬、材料虛擬服役性能模擬；基于實驗的技術(shù)，包括極端環(huán)境下的模擬考核實驗、材料成分和工藝的快速篩選實驗等。下面從新材料成分設(shè)計、工藝優(yōu)化、服役性能、材料數(shù)據(jù)庫等幾個方面，分析船舶工業(yè)對材料基因組技術(shù)的需求。

新材料成分設(shè)計方面，為了保證我國在船舶材料研發(fā)方面的持續(xù)競爭力，滿足未來船舶工業(yè)對新材料的重大需求，需要采用材料基因組技術(shù)設(shè)計新的材料。高溫合金、高性能鋼、鋁合金、鈦合金的新型成分計算涉及第一原理計算、Calphad相圖計算、相場分析等多尺度計算，需要對各種可能組分進行計算篩選，必然帶來高通量、高并發(fā)、長時間的大規(guī)模計算的需求。

工藝優(yōu)化方面，目前鑄造、焊接、鍛壓等大型制件和復雜制件的“變形-殘余應力-缺陷”的控制水平需要進一步提高?，F(xiàn)階段由于缺乏相關(guān)國產(chǎn)材料數(shù)據(jù)、模型及其參數(shù)測定方法和設(shè)備，未建立模擬驗證手段，因而建模仿真的可靠性不足?，F(xiàn)有能力不能滿足對船舶配套設(shè)備關(guān)鍵材料的納觀、微觀、細觀和宏觀特性進行多尺度建模和仿真，對不同工藝過程進行多學科仿真與優(yōu)化，對不同檢測試驗進行多場耦合分析和性能模擬的需求；現(xiàn)有軟件尚未集成，只能應用于材料工藝流程局部，未打通工藝過程數(shù)據(jù)鏈。因此，針對工藝仿真需求量大、任務急迫的特點，亟需建設(shè)高通量物性測試系統(tǒng)、高并行計算能力的硬件系統(tǒng)和工藝仿真軟件系統(tǒng)，提高重要材料制件的工藝控制水平。

服役性能方面，船舶配套材料制件的服役環(huán)境包括高溫、高應變率沖擊、高載荷等極端工況，實驗周期長、費用高；制件在服役過程中存在缺陷的萌生、發(fā)展、裂紋擴展、失效等一系列損傷演化過程。在材料設(shè)計、制造階段對服役行為進行研究，利用集成計算技術(shù)對含缺陷制件進行完整性分析，提出檢測和修理的判定標準，可以降低實驗成本、提高航行的安全性。

材料數(shù)據(jù)庫方面，材料數(shù)據(jù)庫設(shè)計、開發(fā)與集成應用是材料基因組技術(shù)的重要組成部分。材料研發(fā)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)和服役數(shù)據(jù)的收集、整理和集成應用有助于將歷史上積累的隱形經(jīng)驗顯性化、有助于使服役數(shù)據(jù)反饋到新材料研制階段形成閉環(huán)，從而加快材料研發(fā)流程。建立全流程覆蓋的工業(yè)級的船舶材料數(shù)據(jù)共享平臺，在互利互惠的基礎(chǔ)上實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的分級分類共享，促進船舶材料工業(yè)的發(fā)展。

材料基因在船舶設(shè)備中應用思路

短期內(nèi)材料基因項目可以縮短船用材料研發(fā)周期并降低成本，長期來看還可以實現(xiàn)船用材料的按需設(shè)計。材料基因工程在船舶設(shè)備中應用的最終目標是通過理論模擬和計算完成產(chǎn)品的性能提升優(yōu)化、新材料及新工藝技術(shù)應用和功能擴展，即優(yōu)化產(chǎn)品的綜合性能、完成新工藝研究和新產(chǎn)品研發(fā)。從而利用虛擬設(shè)計、虛擬制造、高通量、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)推進船舶及配套設(shè)備的研發(fā)速度。

基于材料基因工程的船舶及配套設(shè)備材料研制大致流程是：根據(jù)材料基因工程化應用思路、結(jié)合船舶對材料的需求特點以及具體應用中的功能導向提出材料研制需求，根據(jù)需求并結(jié)合材料組分與最終性能之間的關(guān)系確定初步的候選材料配方和加工工藝，通過理論模擬和計算完成材料配方的優(yōu)化，再通過試生產(chǎn)、裝船試驗等最終研制成功、開始服役、進入市場化應用階段。

應用材料基因（組）方法進行船舶及其配套設(shè)備研發(fā)的具體方法為：根據(jù)船舶及其配套設(shè)備具體產(chǎn)品性能指標找到影響相關(guān)指標的關(guān)鍵零部件及其服役性能要求，根據(jù)提取出的關(guān)鍵材料服役性能數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的材料數(shù)據(jù)庫進行材料介觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計。然后研究材料從介觀結(jié)構(gòu)到零部件制造全工藝流程的高通量計算方法并計算提取最優(yōu)的材料相關(guān)性能和工藝數(shù)據(jù)。通過這一過程梳理出基于高通量和大數(shù)據(jù)的船用材料全工藝流程研究方法，同時不斷豐富發(fā)展船用材料數(shù)據(jù)庫及高通量材料計算平臺。建立材料配方、加工工藝與產(chǎn)品性能的定量聯(lián)系，根據(jù)定量聯(lián)系建立虛擬試驗驗證的考核模型，利用虛擬試驗技術(shù)進行虛擬試驗驗證。建立專用物理試驗裝置對實物零件進行試驗驗證，驗證零部件服役性能與實際需求的符合性；同時，也不斷豐富發(fā)展船用材料虛擬試驗平臺，以指導更多船用材料設(shè)計開發(fā)。

圖3 材料基因在船舶及設(shè)備中應用路線圖