本發(fā)明涉及材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中金屬基復(fù)合材料的智能化設(shè)計領(lǐng)域，具體而言，涉及一種用于復(fù)合材料的強度-塑性分析模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、高熵合金作為突破傳統(tǒng)合金設(shè)計范式的新型材料體系，通過多主元等原子比混合形成復(fù)雜固溶體，憑借熱力學(xué)高熵效應(yīng)、動力學(xué)滯后擴散效應(yīng)等核心優(yōu)勢展現(xiàn)出高強度、耐高溫及抗腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、能源裝備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，高熵合金的固有強度-塑性的權(quán)衡仍是工程化應(yīng)用的核心瓶頸，表現(xiàn)為高強度材料往往塑性不足，而高塑性材料強度偏低，難以滿足結(jié)構(gòu)件對綜合力學(xué)性能的嚴(yán)苛要求。

2、目前，改善高熵合金性能的主要策略包括合金成分優(yōu)化與第二相增強。其中，石墨烯因其優(yōu)異力學(xué)性能與二維結(jié)構(gòu)，被廣泛用于構(gòu)建高熵合金/石墨烯復(fù)合材料，通過界面強化、位錯釘扎等機制協(xié)同提升強度與塑性。然而，對復(fù)合材料的強度與塑性性能的分析調(diào)控面臨多重挑戰(zhàn)：例如，由于傳統(tǒng)"熔煉-表征"流程需消耗大量時間與資源，且難以觀測位錯演化與界面失效行為這類的納米尺度變形機制，所以采用實驗試錯法進行分析調(diào)控則存在效率低下的問題；分子動力學(xué)模擬雖能揭示原子級行為，但參數(shù)空間（如成分、溫度、石墨烯取向角和體積分?jǐn)?shù)）探索受限于計算資源，單組模擬耗時長達數(shù)百小時，可見單純的模擬方法存在較大局限性；采用現(xiàn)有機器模型的方式多基于單一尺度特征（如成分參數(shù)），但因為缺乏對熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)特征的綜合考量，且可解釋性差，難以解析多因素耦合作用機制，存在數(shù)據(jù)不足難以達到滿意效果的問題。

3、因此，亟須一種融合多學(xué)科技術(shù)的技術(shù)方案，突破傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計的瓶頸，改善傳統(tǒng)高熵合金固有的強度與塑性倒置關(guān)系，便于在設(shè)計過程中實現(xiàn)對合金材料強度-塑性的均衡分析。

4、

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了一種用于復(fù)合材料的強度-塑性分析模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

2、對高熵合金/石墨烯復(fù)合材料進行多維參數(shù)空間采樣生成模擬變量，對所述模擬變量進行分子動力學(xué)建模、執(zhí)行模擬，提取模擬后的特征數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)構(gòu)建樣本集；所述模擬變量包括：高熵合金基體的元素濃度、分子動力學(xué)模擬溫度、石墨烯體積分?jǐn)?shù)和石墨烯與高熵合金基體的取向角；所述樣本集的特征數(shù)據(jù)由大類特征構(gòu)成，所述大類特征包括：原子基本屬性、化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征；所述樣本集的標(biāo)簽數(shù)據(jù)包括：限抗拉強度和延展性；

3、定義極限抗拉強度回歸預(yù)測模型集，使用所述樣本集對所述極限抗拉強度回歸預(yù)測模型集的各個模型進行訓(xùn)練，選擇最優(yōu)模型，構(gòu)成強度-塑性分析模型；

4、根據(jù)所述強度-塑性分析模型進行超參數(shù)優(yōu)化，獲取所述強度-塑性分析模型的最適配模擬變量。

5、其中，多維參數(shù)空間采樣通過sobol準(zhǔn)隨機序列實現(xiàn)；

6、所述高熵合金基體的元素濃度包括fe、ni、cr、co和cu的濃度；

7、所述分子動力學(xué)模擬溫度范圍為0至1100k；

8、所述石墨烯體積分?jǐn)?shù)范圍為0.4-3.4?vol%；

9、所述石墨烯與高熵合金基體的取向角范圍為0-45°。

10、進一步的，進行分子動力學(xué)建模包括：將復(fù)合材料的原子構(gòu)型初步構(gòu)建為高熵合金模型，隨后將石墨烯插入高熵合金基體中，形成高熵合金/石墨烯復(fù)合模型；

11、其中，所述高熵合金/石墨烯復(fù)合模型模擬的高熵合金/石墨烯復(fù)合材料由fcc組成，且：石墨烯嵌入在高熵合金基體的中間；所述石墨烯體積分體現(xiàn)為石墨烯的體積除以高熵合金/石墨烯復(fù)合材料的體積，表示為：，其中，為石墨烯的體積分?jǐn)?shù)、為石墨烯的長度、為石墨烯的寬度、為單層石墨烯的厚度、是高熵合金/石墨烯復(fù)合材料的體積。

12、其中，執(zhí)行模擬的過程包括：執(zhí)行0壓模擬和拉伸模擬后，獲取所述模擬變量對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；其中，0壓模擬時， x和z軸方向的壓力保持為0bar；拉伸模擬時，沿y軸正方向施加1×109s-1的應(yīng)變速率并保持恒定；

13、所述模擬的環(huán)境實現(xiàn)包括：對高熵合金/石墨烯復(fù)合材料系統(tǒng)的能量進行最小化處理；

14、在等溫等壓系綜中弛豫50ps后，在恒溫恒容系綜進一步弛豫50ps，直至系統(tǒng)能量達到熱力學(xué)平衡。

15、進一步的，應(yīng)力-應(yīng)變曲線用于提取所述模擬變量對應(yīng)的極限抗拉強度和延展性數(shù)據(jù)；所述極限抗拉強度和延展性數(shù)據(jù)用于構(gòu)建標(biāo)簽數(shù)據(jù)；

16、根據(jù)所述延展性標(biāo)記延展性類型，所述延展性類型包括延展性不足和延展性良好；如果所述延展性不足和延展性良好的樣本量不平衡，采用smote過采樣方法合成少數(shù)類樣本平衡數(shù)據(jù)集。

17、其中，原子基本屬性包括原子序數(shù)、原子質(zhì)量、金屬半徑、體積、電子親和能和價電子濃度；所述化學(xué)性質(zhì)包括：pauling電負(fù)性、mulliken電負(fù)性、電離能、混合焓、混合熵和失配熵；

18、所述物理性質(zhì)包括密度、熔點、比熱容、熱擴散系數(shù)、彈性模量和泊松比；

19、所述結(jié)構(gòu)特征包括原子尺寸差、半徑差、電負(fù)性差和理論摩爾體積；

20、整合原子基本屬性、化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，采用線性混合規(guī)則、導(dǎo)數(shù)混合規(guī)則、偏差混合規(guī)則和差分混合規(guī)則計算生成第一特征數(shù)據(jù)；

21、所述第一特征數(shù)據(jù)進行特征篩選，構(gòu)成特征數(shù)據(jù)；所述特征數(shù)據(jù)包括用于預(yù)測極限抗拉強度的；用于預(yù)測延展性的；其中，為體積模量的線性混合、為內(nèi)聚能的導(dǎo)數(shù)混合、為空位形成能的線性混合、為混合焓、 t為模擬溫度 、為石墨烯的取向角、為石墨烯的體積分?jǐn)?shù)。

22、進一步的，特征篩選的步驟包括：第一步：通過方差閾值過濾掉所述第一特征數(shù)據(jù)中方差低于設(shè)定閾值的低貢獻的特征數(shù)據(jù)，在第一特征數(shù)據(jù)中保留具有顯著變異性的數(shù)據(jù)；

23、第二步：利用隨機森林模型計算第一特征數(shù)據(jù)各元素的特征重要性，識別對目標(biāo)變量有影響的特征；

24、第三步：通過pearson相關(guān)分析量化特征間的線性相關(guān)性，剔除高度冗余的特征數(shù)據(jù)后，更新所述第一特征數(shù)據(jù)；

25、第四步：使用遞歸特征消除結(jié)合模型精度反饋，迭代移除第一特征數(shù)據(jù)中的次要特征后，更新第一特征數(shù)據(jù)；

26、第五步：采用窮舉法搜索第一特征數(shù)據(jù)，尋找最優(yōu)組合以確保特征子集的預(yù)測性能與可解釋性平衡，構(gòu)成特征數(shù)據(jù)。

27、進一步的，極限抗拉強度回歸預(yù)測模型集包括極限抗拉強度回歸預(yù)測模型和延展性分類預(yù)測模型；

28、所述選擇最優(yōu)模型由通過決定系數(shù)和均方根誤差評估預(yù)測性能實現(xiàn)，表示為：

29、

30、其中，為樣本數(shù)量、為真實值、為的平均值、為預(yù)測值、是和值的數(shù)量、為決定系數(shù)rmse為均方根誤差；

31、預(yù)測性能表示為：的取值范圍為[0,1]，的值越接近1，表明模型與數(shù)據(jù)擬合越好，在完全擬合的情況下，接近1；

32、rmse值越小，模型的預(yù)測誤差越??；的取值范圍為0到1，值越接近1，表明模型的分類效果越理想，正確分類的比例越高；的取值范圍同樣為0到1，值越接近1，意味著模型的性能越出色。

33、進一步的，超參數(shù)優(yōu)化指通過領(lǐng)域知識約束與shap可解釋性方法進行對高熵合金/石墨烯復(fù)合材料的模擬變量空間進行縮減，結(jié)合遺傳算法對模擬變量進行優(yōu)化，獲取具有更高極限拉伸強度和延展性的耦合參數(shù)組合。

34、進一步的，獲取強度-塑性分析模型的最適配模擬變量后，還執(zhí)行微觀結(jié)構(gòu)分析，實現(xiàn)閉環(huán)驗證；其中，閉環(huán)驗證用于驗證所述強度-塑性分析模型的最適配模擬變量對應(yīng)的極限抗拉強度和延展性是否優(yōu)于原始數(shù)據(jù)集；

35、所述微觀結(jié)構(gòu)分析是指通過共有近鄰分析與位錯密度分析對變形機制進一步驗證。

36、根據(jù)本發(fā)明，可以通過對高熵合金/石墨烯材料的組成元素、溫度條件、石墨烯的取向角及其體積分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)提取特征集，引入機器學(xué)習(xí)模型、領(lǐng)域知識、shap可解釋性分析和優(yōu)化算法構(gòu)建最優(yōu)的強度-塑性分析模型。通過強度-塑性分析模型的使用，可實現(xiàn)對極限抗拉強度和延展性的預(yù)測，還可達成多尺度協(xié)同優(yōu)化，打破傳統(tǒng)高熵合金強度-塑性權(quán)衡限制。同時，為高熵合金基復(fù)合材料提供普適設(shè)計范式，可擴展至其他二維材料增強體系，優(yōu)化后材料適用于航空發(fā)動機葉片等極端環(huán)境部件，為高性能復(fù)合材料開發(fā)提供新路徑。