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西工大頂刊《Acta Materialia》高效高精度的微觀組織重構(gòu)新方法！

2022-08-16 11:56:24 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

工藝過程、結(jié)構(gòu)和性能是材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的三個主要研究內(nèi)容，在逆向設(shè)計過程中，發(fā)展高效可靠的預(yù)測能力是實現(xiàn)信息流從所需性能到結(jié)構(gòu)再到工藝過程的關(guān)鍵，其中從低維信息重構(gòu)微觀組織是性能預(yù)測、材料設(shè)計、工藝優(yōu)化等重要組成部分。在微觀組織信息提取方面，兩點相關(guān)函數(shù)統(tǒng)計是一種嚴(yán)格且無偏的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，該方法克服了基于像素的微觀組織數(shù)字信息缺乏自然原點而導(dǎo)致的平移、旋轉(zhuǎn)不變性的缺陷，易于和先進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法(如主成分分析、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)耦合降維，實現(xiàn)微觀組織特征的低維表征。該方法已被廣泛引用于組織分析[Hu et al., J. Mater. Inf. 2(2021): 5]、性能預(yù)測[Hu et al., Mater. Des. 201(2021): 109497]等領(lǐng)域。然而，從統(tǒng)計特征反向預(yù)測或重構(gòu)微觀組織仍是材料領(lǐng)域一項極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)任務(wù)，該問題的多解性要求求解方法考慮多個約束或先驗，這些約束的施加勢必帶來高昂的計算代價，減少約束又會損失計算精度。傳統(tǒng)方法單一的追求精度(如模擬退火算法)或效率(如相位恢復(fù)算法，高斯隨機(jī)場方法等)，從而不具備在材料過程-結(jié)構(gòu)-性能(PSP)關(guān)系研究過程中的實際應(yīng)用價值。

近日，西北工業(yè)大學(xué)王錦程研究團(tuán)隊提出了從兩點相關(guān)函數(shù)統(tǒng)計量重構(gòu)微觀組織的新方法—連續(xù)再激活迭代投影(CRIP)方法，該方法通過消除孤立像素或噪聲像素使每次迭代的輸出向減少誤差的方向移動(施加相體積分?jǐn)?shù)和形貌約束)，從而激活下一次循環(huán)的迭代投影過程(施加傅里葉約束)。經(jīng)證明，該方法兼具高效率、高精度的特點。研究團(tuán)隊將CRIP方法應(yīng)用到鎳基高溫合金及雙相鋼的PSP建模過程中，并證實了其可行性。該研究成果以題“Continually reactivating iterative-projection method for instantiating microstructure from two-point statistics”發(fā)表在《Acta Materialia》。論文的第一作者為博士研究生虎小兵，碩士研究生趙佳軍為共同一作，通訊作者為王錦程教授和李俊杰副教授，西北工業(yè)大學(xué)為通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118230

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如圖1所示，CRIP方法以傳統(tǒng)相位恢復(fù)-混合輸入輸出(HIO)算法為基礎(chǔ)，引入圖像處理、誤差降低及形貌最優(yōu)化三個模塊，這些模塊允許耦合多個先驗約束，使每次迭代的輸出通過像素點調(diào)整的方式從而被快速更新和優(yōu)化，加速算法收斂。該方法實現(xiàn)了輸出連續(xù)優(yōu)化從而不斷激活迭代投影過程的目標(biāo)，繼承了HIO算法的矩陣運算框架，具有計算高效的特點；同時，該方法以模塊化方式施加多個先驗約束，具備靈活性，克服了HIO算法不適用于輸入為周期性兩點相關(guān)函數(shù)的問題。

圖1 連續(xù)再激活迭代投影過程(CRIP)方法計算流程圖

如圖2所示，使用兩個實驗微觀組織，將CRIP方法與傳統(tǒng)HIO算法[Acta Mater, 56(2008): 942-948]、模擬退火算法[Phys. Rev. E, 90(2014: 023306)]比較，證明了CRIP方法兼具高效率、高精度的優(yōu)勢。

圖2 CRIP方法精度-效率評估

將CRIP方法應(yīng)用到鎳基高溫合金時效工藝—微觀組織關(guān)系建模，如圖3所示。進(jìn)行了微觀組織低維特征分析、機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練及組織特征預(yù)測。

圖3 鎳基高溫合金時效條件和微觀組織特征建模及預(yù)測結(jié)果：(a)-(c) 前三個主成分基向量云圖；(d)-(e) 微觀組織在主成分空間上投影；(f) 不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型交叉驗證精度；(g)-(i) 隨機(jī)森林模型預(yù)測和實際主成分比較

圖4對比了從預(yù)測的低維特征重構(gòu)的和原始的微觀組織及其兩點自相關(guān)函數(shù)。證明了CRIP方法在實際PSP關(guān)系建模及驗證任務(wù)中應(yīng)用的可行性。

圖4 預(yù)測和原始微觀組織及其兩點統(tǒng)計特征比較

西北工業(yè)大學(xué)材料微觀組織計算與合金設(shè)計課題組已在機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行微觀組織信息提取、合金設(shè)計等領(lǐng)域取得顯著成果。課題組已經(jīng)在Acta Mater /Scripta Mater發(fā)表論文近30篇（西工大3篇金屬頂刊：材料微觀組織演化理論研究取得重要突破）。課題組網(wǎng)站http://www.jchwang.com/

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