材料基因工程在船舶領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)預(yù)測中心共享數(shù)據(jù)庫、能源材料網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。

能源材料領(lǐng)域：哈佛大學(xué)通過機器學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(yù)測新材料性能，建立了開放的數(shù)據(jù)庫。

復(fù)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(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(biāo)預(yù)測。性能指標(biāo)預(yù)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(yù)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(yù)測模型建立和模型的可靠性檢驗與應(yīng)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(yù)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(zhǔn)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(yù)測模型建立。合適的機器學(xué)習(xí)算法也是影響模型可靠性和準(zhǔn)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(yù)測，機器學(xué)習(xí)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(yīng)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(dǎo)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(yù)測模型可靠性。訓(xùn)練集訓(xùn)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(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)雜制件的“變形-殘余應(yīng)力-缺陷”的控制水平需要進一步提高。現(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。現(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(xué)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(yīng)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(wù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用的最終目標(biāo)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(yīng)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(yīng)用思路、結(jié)合船舶對材料的需求特點以及具體應(yīng)用中的功能導(dǎo)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(yīng)用階段。

應(yīng)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(biāo)找到影響相關(guān)指標(biāo)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(dǎo)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(yīng)用路線圖