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計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 Computer in MSE（Material Science and Engineering） 本課程在教學(xué)計劃中的地位、作用和任務(wù) 本課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課。 課程教學(xué)所要達(dá)到的目的：了解計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用； 初步掌握在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中更好地應(yīng)用計算機的思路、方法和原理； 初步將計算機用于后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)設(shè)計中去。1.1 材料科學(xué)與工程(MSE) 1.1.1 材料的作用與分類 研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。（Next page） MSE特點：多學(xué)科交叉的新興科學(xué)。它與許多基礎(chǔ)學(xué)科有著不可分割的聯(lián)系，如固體物理學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、量子化學(xué)、數(shù)學(xué)與計算機等。一門發(fā)展不成熟的學(xué)科，它的研究很大程度依賴于實驗和經(jīng)驗的積累，系統(tǒng)的研究材料還有一個很長的過程。 1.2 計算機在MSE中的應(yīng)用 計算機在MSE的應(yīng)用非常廣泛: 材料科學(xué)是研究材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性能與應(yīng)用以及它們之間相互關(guān)系的一門科學(xué)，在所有的這些方面，計算機都發(fā)揮了非常重要的作用。 1.2.1計算機用于新材料的設(shè)計 材料設(shè)計主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)， 使人們能將物理、化學(xué)理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來， 用歸納和演繹相結(jié)合的方式對新材料的研制作出決策， 為材料設(shè)計的實施提供行之有效的技術(shù)和方法。 材料設(shè)計是指通過理論分析與計算預(yù)報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者是通過理論設(shè)計來“訂做”具有特定性能的新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計”最佳的制備和加工方法。20世紀(jì)50年代開始；80年代實現(xiàn)這一目標(biāo)的條件趨于成熟；計算機技術(shù)是保障、條件。 材料設(shè)計一般可分為三個層次（按照設(shè)計對象和所涉及的空間尺寸可分）：微觀設(shè)計層次，尺度約1nm數(shù)量級，是電子、原子、分子層次的設(shè)計；介觀設(shè)計層次，尺度約為1µm數(shù)量級，材料被看作是連續(xù)介質(zhì)、是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計；宏觀設(shè)計層次。尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研究，是工程應(yīng)用層次的設(shè)計。不同的結(jié)構(gòu)層次有不同理論和方法，不同層次之間常常相互交叉、不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同。 1.2.2材料科學(xué)研究中的計算機模擬 計算機模擬是一種根據(jù)實際體系在計算機上進行的模擬實驗。 通過將模擬結(jié)果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進行比較， 可以檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性， 也可以檢驗出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否成功，還可為現(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型做詳細(xì)的預(yù)測并提供方法。 1.2.3 材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制 材料加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛速發(fā)展， 微機和可編程控制器在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種發(fā)展和趨勢。在材料加工過程中利用計算機技術(shù)不僅能減輕勞動強度， 更能改善產(chǎn)品的質(zhì)量和精度， 提高產(chǎn)量。 在材料的制備中， 可以對過程進行精確的控制，例如材料表面處理熱處理中的爐溫控制等。計算機技術(shù)和微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)相結(jié)合， 使工藝設(shè)備、檢測手段的準(zhǔn)確性和精確度等大大提高。 1.2.4 計算機用于數(shù)據(jù)和圖像處理 材料科學(xué)研究在實驗中可以獲得大量的實驗數(shù)據(jù)， 借助計算機的存儲設(shè)備， 可以大量保存數(shù)據(jù)， 并對這些數(shù)據(jù)進行處理計算、繪圖， 擬合分析和快速查詢等。利用計算機的圖像處理和分析功能就可以研究材料的結(jié)構(gòu)， 從圖像中獲取有用的結(jié)構(gòu)信息， 如晶體的大小， 分布， 聚集方式等， 并將這些信息和材料性能建立相應(yīng)的聯(lián)系， 用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究。 1.3 材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型建立和數(shù)值分析 數(shù)學(xué)模型建立是一種具有創(chuàng)新性的科學(xué)方法，它將現(xiàn)實問題簡化， 抽象為一個數(shù)學(xué)問題或數(shù)學(xué)模型， 再采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法求解， 進而對現(xiàn)實問題進行定量的分析和研究， 最終達(dá)到解決實際問題的目的。 有限差分法 建立差分方程， 用有限差分代替無限微分， 以差分代數(shù)方程代替微分方程， 以數(shù)值計算代替數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程， 從而將連續(xù)函數(shù)離散化， 以有限的， 離散的數(shù)值代替連續(xù)的函數(shù)分布。計算機是實現(xiàn)上述離散和計算的強大工具。有限元法 有限元法是將連續(xù)的介質(zhì)材料劃分為許多微小的單元有限個單元， 在確定其邊界條件后對其進行單元求解， 從而獲得整體介質(zhì)的相關(guān)性能。有限元法的實現(xiàn)必須通過計算機， 利用計算機強大而快速的數(shù)據(jù)計算、處理和存儲能力進行有限元計算。 主要是利用有限元軟件進行分析， 方法是先建立某個零件的幾何模型， 然后賦予其一定的材質(zhì)鋼材、木材等這些材質(zhì)的力學(xué)等性能是己知的， 施加載荷， 然后根據(jù)其邊界條件進行有限元分析。 1.3.1 材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬 包括材料的傳熱(溫度場)、應(yīng)力場(力學(xué)問題)和濃度場(內(nèi)部原子的遷移流動)等的計算， 以上問題即可采用前述的有限元分析法進行模擬“ 傳熱傳質(zhì)過程”。 材料內(nèi)部原子遷移的微觀過程和由此引起的物質(zhì)的宏觀流動與材料在生產(chǎn)和使用過程中的許多物理化學(xué)過程密切相關(guān)， 因此使用有限元法對擴散的濃度場進行計算的技術(shù)具有重要的意義。 1.3.2 組織轉(zhuǎn)變的計算機模擬 鋼材的性能主要取決于其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)， 鋼的常溫組織是在加熱之后的冷卻過程中形成和完成的， 為了使鋼材獲得某種預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)， 就需要準(zhǔn)確地測量鋼在熱處理或熱加工過程中的冷卻過程。計算機模擬技術(shù)的開展使材料的組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬成為可能， 鋼的TTT曲線和CCT曲線為組織轉(zhuǎn)變提供了兩種不同的模擬途徑。 顯微組織模擬 1.3.3 相圖計算及其軟件 相圖是描述相平衡系統(tǒng)的重要幾何圖形， 通過相圖可以獲得某些熱力學(xué)資料反之， 由熱力學(xué)數(shù)據(jù)建立一定的模型也可計算和繪制相圖。用計算機來計算和繪制相圖有了廣泛的應(yīng)用。 Thermo-Calc包括物質(zhì)和溶液數(shù)據(jù)庫、熱力學(xué)計算系統(tǒng)和熱力學(xué)評估系統(tǒng)。Fact包括物質(zhì)和溶液兩個數(shù)據(jù)庫及一套熱力學(xué)和相圖等的優(yōu)化計算軟件。這些軟件的共同特定是集成了具有自洽性的熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫和先進的計算軟件�？捎糜诟鞣N類型的二元、三元和多元相圖的平衡計算。 1.3.4 材料數(shù)據(jù)庫 計算機材料數(shù)據(jù)庫具有存儲信息量大、存取速度快、查詢方便、使用靈活、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。目前已有的材料數(shù)據(jù)庫包括合金相圖數(shù)據(jù)庫、陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫、材料腐蝕數(shù)據(jù)庫、材料摩擦磨損數(shù)據(jù)庫等，還包括材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬彈性性能數(shù)據(jù)中心和金屬擴散數(shù)據(jù)中心等數(shù)種各類數(shù)據(jù)庫。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得材料數(shù)據(jù)庫進一步走向現(xiàn)代化，在材料研究、理化測試、產(chǎn)品設(shè)計和決策咨詢中得到廣泛應(yīng)用。 另外， 利用人工智能技術(shù)的材料加工等專家系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。包括預(yù)測專家系統(tǒng)、診斷專家系統(tǒng)、設(shè)計專家系統(tǒng)、規(guī)劃專家系統(tǒng)、監(jiān)視專家系統(tǒng)、控制專家系統(tǒng)等。 1.3.5 材料加工過程的計算機控制 生產(chǎn)過程自動控制是生產(chǎn)過程現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。在材料加工控制領(lǐng)域， 運用較多的是微型計算機和可編程控制器。計算機在材料加工中的應(yīng)用包括以下幾個方面物化性能測試數(shù)據(jù)的自動聚集和處理、加工過程的自動控制、計算機輔助設(shè)計和制造、計算機輔助研究、材料加工過程的全面質(zhì)量管理等。溫度控制 1.3.6 材料科學(xué)研究中的數(shù)據(jù)與圖像處理 利用計算機可以大量保存并方便快速查找實驗數(shù)據(jù)， 而且更重要的是可以對數(shù)據(jù)作進一步的后續(xù)處理計算、繪圖、擬合分析等。目前， 可用于數(shù)據(jù)管理、計算、繪圖、解析和擬合分析的軟件很多， 有些功能強大， 有些則相對簡單、專業(yè)化。比如origin可以對科學(xué)數(shù)據(jù)進行一般的處理與繪圖， 對實驗數(shù)據(jù)進行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計分析， 計算機圖像分析系統(tǒng)正逐漸成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間定量關(guān)系的一種重要手段。圖像處理主要是用常規(guī)軟件(photo shop等)進行材料的圖像分析與處理， 例如， 材料凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)單元的測量，利用圖像色調(diào)整的方法進行圖像的二值化， 包括目標(biāo)粒子的分離， 背景的去除， 設(shè)定閉值進行二值化等。 材料性能的測定大多使用專門的測試設(shè)備和儀表。如果使用計算機來控制整個系統(tǒng)，使其協(xié)調(diào)運行，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，通常使整個系統(tǒng)的功能得到飛躍性增強。計算機化得材料性能測試系統(tǒng)(CAT系統(tǒng))是提高材料研究水平的重要手段。由于計算機靈活的編程方式、強大的數(shù)據(jù)處理能力和很高的運算速度，使得CAT系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動方式不能完成的許多測試工作，提高了材料試驗研究的水平和測試精度。 計算機作為一種現(xiàn)代工具， 在當(dāng)今世界的各個領(lǐng)域日益發(fā)揮巨大的作用， 它己滲透到各門學(xué)科領(lǐng)域以及日常生活中成為現(xiàn)代化的標(biāo)志。在材料領(lǐng)域， 計算機也正在逐漸成為極其重要的工具， 計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用正是材料科學(xué)飛速發(fā)展的重要原因之一。先進鑄造工藝計算模擬大家對鑄造過程并不陌生，傳統(tǒng)的鑄造工藝是“睜眼造型，閉眼澆注”。我們不禁要問“閉眼”操作能做好嗎？沒錯，“眼見為實”在鑄造工藝設(shè)計中非常重要，而金屬液一旦進入模具型腔之后我們就無法看到其動態(tài)流動、溫度分布以及凝固過程。所以工程師們只能憑經(jīng)驗和想象來設(shè)計模具，這很令人頭疼，那么如何才能看到整個鑄造過程，讓其在我們面前變得“可視”，從而優(yōu)化鑄造工藝呢？首先采用計算機模擬技術(shù)和現(xiàn)代鑄造理論，模擬鑄件充型、溫度分布和凝固過程； 其次用三維X射線實時觀察和監(jiān)測澆注過程獲得初步試驗數(shù)據(jù)； 最后通過實際澆鑄生產(chǎn)并與模擬、監(jiān)測結(jié)果對比，確定最佳的生產(chǎn)工藝。 通過這樣三步，我們就實現(xiàn)了“可視化鑄造”！ 先進鍛造工藝計算模擬 其它加工過程的模擬 由于工程材料的種類繁多，而每一種材料都有其特定的成分、結(jié)構(gòu)及性能，因此所有工程材料的成分、結(jié)構(gòu)及性能就構(gòu)成了一個龐大的信息系統(tǒng)，為了便于材料工作者查詢和研究，有必要建立各種類型的材料數(shù)據(jù)庫。目前已建立了許多不同類型的材料數(shù)據(jù)庫，如中科院金屬所的材料數(shù)據(jù)庫http://www.material.csdb.cn/SDB 美國材料性能數(shù)據(jù)庫http://www.jahm.com 美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)材料數(shù)據(jù)庫http://www.nist.gov/srd/materials.htm 日本國立材料科學(xué)研究所材料數(shù)據(jù)庫http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm Matweb材料性能數(shù)據(jù)庫http://www.matweb.com 知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果，它是實現(xiàn)人工智能的基本條件。實際上知識庫就是材料計算設(shè)計中的一系列數(shù)理模型，用于定量計算或半定量描述的關(guān)系式的總和。數(shù)據(jù)庫中存儲的是具體的數(shù)據(jù)值，它只能進行查詢，不能進行推理。而知識庫中存儲的是規(guī)則、規(guī)律，通過數(shù)理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需的性能等數(shù)據(jù)；也可以利用知識庫進行成分和工藝控制參量的計算設(shè)計。利用數(shù)據(jù)庫和知識庫可以實現(xiàn)材料性能的預(yù)測功能和設(shè)計功能，達(dá)到設(shè)計的雙向性。 材料設(shè)計專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設(shè)計中有關(guān)問題的計算機程序系統(tǒng)。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下列幾個模塊：優(yōu)化模塊、集成化模塊和知識模塊�，F(xiàn)在逐步在發(fā)展智能專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。目前基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理技術(shù)在材料科學(xué)中可到了越來越多的應(yīng)用，在處理規(guī)律不明顯、組分變量多、非線性方面的問題具有特殊的優(yōu)越性，并且也可以對建立的數(shù)學(xué)模型和計算結(jié)果進行驗證。量子化學(xué)第一原理計算軟件 ABINIT VASP WIN2K Gaussian Material Studio PWSCF 材料熱力學(xué)和相圖計算軟件 Thermo-Calc Pandat FactSage 有限元分析軟件 有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。 有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個比較知名比較大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非線性分析方面有較強的能力目前是業(yè)內(nèi)最認(rèn)可的兩款有限元分析軟件，ANSYS、MSC進入中國比較早所以在國內(nèi)知名度高應(yīng)用廣泛。目前在多物理場耦合方面幾大公司都可以做到結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合分析，但是除ADINA以外其它三個必須與別的軟件搭配進行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的軟件只有ADINA。 ANSYS是商業(yè)化比較早的一個軟件，目前公司收購了很多其他軟件在旗下。ABAQUS專注結(jié)構(gòu)分析目前沒有流體模塊。MSC是比較老的一款軟件目前更新速度比較慢。ADINA是在同一體系下開發(fā)有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析的一款軟件，功能強大但進入中國時間比較晚市場還沒有完全鋪開。 結(jié)構(gòu)分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流體分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS 耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS 性價比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC 1.5 計算機技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理 材料科學(xué)中的實驗為材料科學(xué)研究提供了大量的含有材料基本行為特征信息的實驗數(shù)據(jù)，如何快速精確地處理這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，從而得到真實客觀的材料行為信息，對材料科學(xué)研究而言非常重要�，F(xiàn)代計算機的大容量存儲特征和快速運算為存儲和處理大量的材料實驗數(shù)據(jù)提供很好的平臺。 計算機對材料數(shù)據(jù)的處理工作主要包括存儲、計算、繪圖、擬合分析及快速查詢等。 計算機圖像分析已成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間定量關(guān)系的一種重要方法。其應(yīng)用涉及材料科學(xué)研究的各個方面，主要包括晶粒度的測量，夾雜物的評級、相分析以及顯微硬度、孔洞率、球化率、涂層的測量等。常用的軟件 Excel Origin Photoshop CorelDraw Matlab 1.6 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于材料科學(xué)研究 借助計算機網(wǎng)絡(luò)，不同區(qū)域的材料科學(xué)研究者可以相互交流，及時了解材料科學(xué)的發(fā)展動向，查閱各種科技文獻，共享材料研究的最新成果，迅速獲得各種相關(guān)信息。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)資源共享，材料研究工作者可以在辦公室、家里或其他任何地方，訪問查詢網(wǎng)上任何資源，極大地提高了工作效率。而且，利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使原本繁瑣的文獻檢索工作變得非常簡單，可以更快捷、更準(zhǔn)確地獲得相關(guān)的材料科學(xué)研究信息�？蒲谐Ｓ玫乃阉饕�擎 1、http://scholar.google.com/ 2、 http://qns.cc/ 科研人員的良好助手，上此網(wǎng)站的90%是從事科研的學(xué)生與老師。其詞典搜索集成了目前市面上最好的在線英漢寫作及科研詞典，用此搜索引擎寫作英文論文相當(dāng)方便；其文獻搜索集成了目前最優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫。 3、 http://www.scirus.com Scirus是目前互聯(lián)網(wǎng)上最全面、綜合性最強的科技文獻搜索引擎之一，由 Elsevier科學(xué)出 -版社開發(fā)，用于搜索期刊和專利，效果很不錯！Scirus覆蓋的學(xué)科范圍包括：農(nóng)業(yè)與生物學(xué)，天文學(xué)，生物科學(xué)，化學(xué)與化工，計算機科學(xué)，地球與行星科學(xué)，經(jīng)濟、金融與管理科學(xué)，工程、能源與技術(shù)，環(huán)境科學(xué)，語言學(xué)，法學(xué)，生命科學(xué)，材料科學(xué)，數(shù)學(xué)，醫(yī)學(xué)，神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)，藥理學(xué)，物理學(xué)，心理學(xué)，社會與行為科學(xué)，社會學(xué)等。 4、 http://www.base-search.net/ BASE是德國比勒費爾德(Bielefeld)大學(xué)圖書館開發(fā)的一個多學(xué)科的學(xué)術(shù)搜索引擎，提供對全球異構(gòu)學(xué)術(shù)資源的集成檢索服務(wù)。它整合了德國比勒費爾德大學(xué)圖書館的圖書館目錄和大約160 個開放資源（超過200 萬個文檔）的數(shù)據(jù)。 5、 http://www.vascoda.de/ Vascoda是一個交叉學(xué)科門戶網(wǎng)站的原型，它注重特定主題的聚合，集成了圖書館的收藏，文獻數(shù)據(jù)庫和附加的學(xué)術(shù)內(nèi)容。 6、http://www.goole.com/ 與 google比較了一下發(fā)現(xiàn)，能搜索到一些google搜索不到的好東東 。它界面簡潔，功能強大，速度快，YAHOO、網(wǎng)易都采用了它的搜索技術(shù)。與材料科學(xué)相關(guān)的專業(yè)網(wǎng)站 http://www.bindt.org英國無損檢測中心 http://www.ctcms.nist.gov計算材料學(xué)中心 http://www.twi.co.uk TWI提供的材料焊接技術(shù)服務(wù) http://emuch.net/bbs/小木蟲論壇-學(xué)術(shù)科研第一站 http://www.matweb.com 材料性能數(shù)據(jù)庫 http://www.nist.gov/mml/ 材料測量實驗室 http://www.polymersdatabase.com高分子材料網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 http://icsd.ill.fr/icsd/index.php無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫文獻檢索（電子書和電子期刊等）中文英文 1.7 課程學(xué)習(xí)特點理論講解與上機實踐相結(jié)合重點學(xué)習(xí)軟件Orgin、MATLAB，需自己安裝和上機練習(xí)一般了解軟件Office(Word， Excel)、ISCD、Thermo-calc、Material Studio和Turbo C等及常用的數(shù)據(jù)庫zOt紅軟基地

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