中國(guó)船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)與市場(chǎng)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(xiàng)目可以縮短船用材料研發(fā)周期并降低成本，長(zhǎng)期來(lái)看還可以實(shí)現(xiàn)船用材料的按需設(shè)計(jì)。

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(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出了“材料基因組計(jì)劃”(materials genome initiative，MGI)，目的是實(shí)現(xiàn)材料從設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化改進(jìn)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(guó)、歐盟、日本、俄羅斯和中國(guó)均開(kāi)展了材料基因研究計(jì)劃。

材料基因工程化應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外材料基因工程的成果集中在建模工具、先進(jìn)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(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、材料測(cè)量方法等。數(shù)據(jù)庫(kù)方面主要成果有材料數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)、材料資源注冊(cè)表、材料工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)、電池聯(lián)合中心、納米多孔材料數(shù)據(jù)平臺(tái)、集成結(jié)構(gòu)材料科學(xué)預(yù)測(cè)中心共享數(shù)據(jù)庫(kù)、能源材料網(wǎng)絡(luò)、無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)、工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量篩選等進(jìn)行高性能有機(jī)光伏材料的制備。麻省理工大學(xué)的Ceder教授采用高通量計(jì)算的方法來(lái)對(duì)電極材料進(jìn)行篩選。加州大學(xué)伯克利分校通過(guò)高性能計(jì)算等研發(fā)清潔能源領(lǐng)域的新材料，并預(yù)測(cè)新材料性能，建立了開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)。

復(fù)合材料領(lǐng)域：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立“制造示范工廠”，通過(guò)材料基因技術(shù)推動(dòng)低成本碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用。

氣體分離材料領(lǐng)域：Snurr等通過(guò)高通量實(shí)驗(yàn)與計(jì)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(chǔ)CH4的高性能材料。

催化材料領(lǐng)域：Schubert等通過(guò)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(kāi)發(fā)了Ferrium S53飛機(jī)著陸架用齒輪鋼。GE開(kāi)發(fā)了燃?xì)鉁u輪機(jī)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(jì)初期進(jìn)行產(chǎn)品性能指標(biāo)預(yù)測(cè)。性能指標(biāo)預(yù)測(cè)模型的成功主要依賴(lài)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(cè)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(cè)模型建立和模型的可靠性檢驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)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(dá)性質(zhì)參數(shù)， 描述符被分為多個(gè)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(jìn)行計(jì)算得出。

3、預(yù)測(cè)模型建立。合適的機(jī)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(shì)和缺陷，需要依據(jù)待解決問(wèn)題的不同而選擇不同特征功能的算法。如回歸、集成分類(lèi)通常用于材料宏觀和微觀性質(zhì)的預(yù)測(cè)，機(jī)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(jìn)行模型的參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)材料研究應(yīng)用場(chǎng)景不同，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模算法總結(jié)如下。及船舶甲板機(jī)械對(duì)材料的使用須防腐、防污、防滑、減重等有較高的要求，船用機(jī)電設(shè)備如船舶主機(jī)、輔機(jī)等長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓工況，對(duì)設(shè)備零件的剛度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性具有較高的要求。我國(guó)船舶領(lǐng)域一些高端材料品種亟需解決國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。如LNG船儲(chǔ)罐用殷

圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模算法

4、預(yù)測(cè)模型可靠性。訓(xùn)練集訓(xùn)練的模型需要通過(guò)測(cè)試集進(jìn)行檢驗(yàn)，并通過(guò)誤差對(duì)模型可靠性進(jìn)行評(píng)估。目前常用的有留出法、交叉驗(yàn)證法、自提升法三種模型評(píng)估方法。

船舶材料的需求特點(diǎn)

船舶工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，船體瓦鋼、主機(jī)燃燒室相關(guān)部件材料、防污、F級(jí)高強(qiáng)度鋼、雙相不銹鋼板，以及齒條鋼等超高強(qiáng)度船舶與海洋工程用鋼。隨著我國(guó)船舶工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)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(cuò)”材料研制方法使船舶材料研發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，基于材料基因的船用材料研制方法可推進(jìn)船舶設(shè)備快速更新?lián)Q代進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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(kù)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)庫(kù)集成應(yīng)用；基于計(jì)算的技術(shù)，包括材料成分設(shè)計(jì)、材料工藝仿真模擬、材料虛擬服役性能模擬；基于實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，包括極端環(huán)境下的模擬考核實(shí)驗(yàn)、材料成分和工藝的快速篩選實(shí)驗(yàn)等。下面從新材料成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、服役性能、材料數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)方面，分析船舶工業(yè)對(duì)材料基因組技術(shù)的需求。

新材料成分設(shè)計(jì)方面，為了保證我國(guó)在船舶材料研發(fā)方面的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足未來(lái)船舶工業(yè)對(duì)新材料的重大需求，需要采用材料基因組技術(shù)設(shè)計(jì)新的材料。高溫合金、高性能鋼、鋁合金、鈦合金的新型成分計(jì)算涉及第一原理計(jì)算、Calphad相圖計(jì)算、相場(chǎng)分析等多尺度計(jì)算，需要對(duì)各種可能組分進(jìn)行計(jì)算篩選，必然帶來(lái)高通量、高并發(fā)、長(zhǎng)時(shí)間的大規(guī)模計(jì)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(jìn)一步提高?，F(xiàn)階段由于缺乏相關(guān)國(guó)產(chǎn)材料數(shù)據(jù)、模型及其參數(shù)測(cè)定方法和設(shè)備，未建立模擬驗(yàn)證手段，因而建模仿真的可靠性不足?，F(xiàn)有能力不能滿(mǎn)足對(duì)船舶配套設(shè)備關(guān)鍵材料的納觀、微觀、細(xì)觀和宏觀特性進(jìn)行多尺度建模和仿真，對(duì)不同工藝過(guò)程進(jìn)行多學(xué)科仿真與優(yōu)化，對(duì)不同檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行多場(chǎng)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(guò)程數(shù)據(jù)鏈。因此，針對(duì)工藝仿真需求量大、任務(wù)急迫的特點(diǎn)，亟需建設(shè)高通量物性測(cè)試系統(tǒng)、高并行計(jì)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(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高；制件在服役過(guò)程中存在缺陷的萌生、發(fā)展、裂紋擴(kuò)展、失效等一系列損傷演化過(guò)程。在材料設(shè)計(jì)、制造階段對(duì)服役行為進(jìn)行研究，利用集成計(jì)算技術(shù)對(duì)含缺陷制件進(jìn)行完整性分析，提出檢測(cè)和修理的判定標(biāo)準(zhǔn)，可以降低實(shí)驗(yàn)成本、提高航行的安全性。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)方面，材料數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、開(kāi)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(yàn)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(jí)的船舶材料數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，在互利互惠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的分級(jí)分類(lèi)共享，促進(jìn)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(xiàng)目可以縮短船用材料研發(fā)周期并降低成本，長(zhǎng)期來(lái)看還可以實(shí)現(xiàn)船用材料的按需設(shè)計(jì)。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(guò)理論模擬和計(jì)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(kuò)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(jì)、虛擬制造、高通量、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)推進(jìn)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(duì)材料的需求特點(diǎn)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(guò)理論模擬和計(jì)算完成材料配方的優(yōu)化，再通過(guò)試生產(chǎn)、裝船試驗(yàn)等最終研制成功、開(kāi)始服役、進(jìn)入市場(chǎng)化應(yīng)用階段。

應(yīng)用材料基因（組）方法進(jìn)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(kù)進(jìn)行材料介觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。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(jì)算方法并計(jì)算提取最優(yōu)的材料相關(guān)性能和工藝數(shù)據(jù)。通過(guò)這一過(guò)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(shí)不斷豐富發(fā)展船用材料數(shù)據(jù)庫(kù)及高通量材料計(jì)算平臺(tái)。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(yàn)驗(yàn)證的考核模型，利用虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證。建立專(zhuān)用物理試驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)物零件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證零部件服役性能與實(shí)際需求的符合性；同時(shí)，也不斷豐富發(fā)展船用材料虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，以指導(dǎo)更多船用材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

圖3 材料基因在船舶及設(shè)備中應(yīng)用路線(xiàn)圖