基于物理约束状态空间可达判定的铝基材料设计方法

本发明属于铝基材料设计，涉及一种基于物理约束状态空间可达判定的铝基材料设计方法。

背景技术：

1、随着数据驱动方法在材料科学中的广泛应用，铝基材料的成分设计与性能推荐方法不断涌现。当前主流方法包括：基于机器学习的成分-性能预测方法，以合金成分和工艺参数为输入，通过神经网络或树模型建立“成分-工艺-性能”的黑箱映射关系；逆向设计方法，设定目标性能后在成分空间中搜索最优成分组合，例如基于贝叶斯优化、遗传算法或潜空间优化的成分逆向设计方法；材料性能图谱方法，将材料性能绘制于二维或多维性能空间中，通过性能指标线辅助材料筛选，以ashby图为代表；以及知识图谱与图搜索方法，将材料知识表达为图结构，通过图推理辅助材料推荐。

2、然而，上述现有方法在铝基材料设计过程中存在以下不足：

3、第一，现有方法将低维性能空间中的信息缺失直接等同于物理不可达。铝基材料的真实状态由高维空间决定，成分、热处理状态、加工路径、析出状态、性能证据等多维因素共同作用，最终通过性能投影映射至低维性能空间。这是一个典型的高维到低维的投影过程，必然伴随信息丢失。现有方法将低维投影中的空缺统一判定为不可达或直接跳过，无法区分“样本稀疏但高维可达”与“高维状态空间确无可达路径”两种情形。以7055铝合金的回归再时效（rra）状态为例，该状态的抗拉强度可达660mpa以上，但其热导率的直接实验数据在公开文献中极为稀少，在抗拉强度-热导率二维性能空间中该区域呈现空白，常规方法会将该区域判定为不可达或直接跳过；而实际上7055-rra状态并非物理上不存在，只是其热导率数据尚未被充分测量。

4、第二，现有方法构建的图结构缺乏材料物理演化约束，属于数据图而非物理可达图。现有知识图谱或图搜索方法将材料数据构建为图结构，但图中的边通常基于数据共现或相似性构建，而非基于材料物理演化规律。例如，t6状态到rra状态之间存在真实的工艺演化关系，rra是在t6基础上增加回归和再时效步骤实现的；而t73状态到t6状态在物理上不可逆，过时效导致的粗大析出相无法通过简单热处理恢复至峰值时效状态。普通知识图谱无法区分这两种边的物理性质，缺乏物理约束的图结构会导致错误的状态转移判定。

5、第三，现有方法在搜索失败时仅输出“未找到”，无法证明在受限状态空间中不存在可达路径。现有逆向设计方法在搜索失败时通常输出未找到满足条件的成分，但这只能说明搜索算法未收敛或数据不足，无法证明目标性能在物理上确实不可达；用户无法判断“未找到”究竟源于算法问题、数据不足，还是该性能组合在受限可制造状态空间中确实不存在。

技术实现思路

1、针对现有方法将低维性能空间中的信息缺失直接等同于物理不可达、无法区分投影不可达与真实不可达的技术问题，本发明提供一种基于物理约束状态空间可达判定的铝基材料设计方法，以在受限可制造状态空间中形式化判定目标性能区域是否存在可达材料状态，并输出可追溯的判定结果。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于物理约束状态空间可达判定的铝基材料设计方法，包括以下步骤：

4、构建高维材料状态空间，所述高维材料状态空间由铝基材料的成分空间、热处理状态空间、加工状态空间、材料状态代理变量空间和性能证据状态空间张成，其中，所述成分空间由铝基材料中各合金元素的质量百分比张成；

5、构建受物理约束的材料状态可达网络，其中，v为材料状态节点集合，为状态转移边集合，ω为状态转移约束集合；所述状态转移边由材料状态演化算子生成，其中u为材料处理动作，所述状态转移边受成分约束、热处理约束和物理约束的启用条件限制；

6、建立性能投影映射，将高维材料状态映射到低维性能投影空间y，所述低维性能投影空间由铝基材料的至少两个性能指标张成；

7、接收目标性能区域，所述目标性能区域由所述性能指标的目标取值限定；从初始可用节点集合出发，沿满足所述状态转移约束集合ω的状态转移边进行搜索，生成可达闭包；

8、构建所述目标性能区域的高维提升集合，所述高维提升集合为能够投影到所述目标性能区域的高维材料状态的集合；根据所述可达闭包与所述高维提升集合的交集情况，判定为存在可达状态、存在潜在补偿状态或真实不可达状态中的一种；

9、输出状态空间可达判定结果。

10、进一步地，所述性能证据状态空间由数据置信类型和来源可靠性张成。

11、进一步地，所述材料处理动作u包括成分调整动作、热处理动作和形变处理动作中的至少一种；所述热处理动作包括固溶处理、时效处理、回归处理、再时效处理中的至少一种。

12、进一步地，所述状态转移边包括成分转移边、热处理转移边和状态完备化边中的至少一种；所述状态完备化边通过补充直接性能测量数据将材料状态节点从不完备状态转化为完备状态。

13、进一步地，所述状态转移约束集合ω包括成分约束、热处理约束和物理约束中的至少两种；所述热处理约束包括状态转移方向必须符合热处理工艺演化方向；所述物理约束基于材料状态演化一致性函数确定，不要求性能单调。

14、进一步地，所述可达闭包为从初始可用节点集合出发，沿满足状态转移约束集合ω的状态转移边可达的所有材料状态节点的集合。

15、进一步地，所述存在可达状态的判定条件为：。

16、进一步地，所述存在潜在补偿状态的判定条件为：，且存在可达节点在至少一个性能维度上满足目标要求，并通过状态完备化边可转化为可用状态。

17、进一步地，所述真实不可达状态的判定条件为：，且不存在可通过状态完备化边转化为可用状态的材料状态节点；所述真实不可达状态的判定结果还包括不可达证明和最小松弛方向。

18、进一步地，本发明还提供一种铝基材料设计系统，包括：

19、高维状态空间构建模块，用于构建高维材料状态空间x；

20、可达网络构建模块，连接至所述高维状态空间构建模块，用于接收所述高维状态空间构建模块输出的高维材料状态空间，并构建受物理约束的材料状态可达网络；

21、投影映射构建模块，连接至所述高维状态空间构建模块和所述可达网络构建模块，用于建立性能投影映射；

22、输入模块，用于接收用户输入的目标性能区域；

23、可达判定模块，连接至所述可达网络构建模块、所述投影映射构建模块和所述输入模块，用于执行状态空间可达判定，包括生成可达闭包、构建高维提升集合，以及根据所述可达闭包与所述高维提升集合的交集情况输出判定结果；

24、输出模块，连接至所述可达判定模块，用于接收所述可达判定模块输出的判定结果并输出。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

26、本发明通过构建受物理约束的材料状态可达网络并生成可达闭包，实现了对目标性能区域是否存在可达材料状态的系统判定，克服了现有方法将低维性能空洞一律判定为不可达或直接跳过的缺陷。

27、本发明通过材料状态演化算子将状态转移与物理可执行的材料处理动作绑定，使状态转移边区别于现有知识图谱中基于数据共现或相似性构建的边，从而构建得到物理可达图而非数据图，避免了缺乏物理约束的图结构所导致的错误状态转移判定。

28、本发明通过高维提升集合与可达闭包的交集判定，区分投影不可达与真实不可达，揭示了低维性能空洞可能仅由投影信息丢失造成，从而避免将样本稀疏但高维可达的材料状态误判为不可达。

29、本发明通过输出受限空间不可达证明和最小松弛方向，克服了现有方法在搜索失败时仅输出“未找到”而无法证明目标性能在受限可制造状态空间中确实不可达的缺陷，为材料设计决策提供可追溯的判定依据。

30、本发明通过状态演化一致性函数约束状态转移且不要求性能单调，仅要求状态转移满足成分连续性、工艺连续性和性能变化范围约束，更符合材料物理实际，使状态转移判定结果更为准确可靠。

31、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。