計算機在材料科學與工程中的應用

計算機技術的發展正改變着世界，對整個人類文明和社會進步產生了極其深遠的影響。材料科學技術的發展也與計算機的發展分不開。計算機技術和網絡技術等對材料科學與工程中的傳統產業的革新，已給材料產業帶來了革命性的變化。而且，隨着應用範圍的擴大，所帶來的經濟效益和社會效益也日臻顯著。為了進一步推動和促進計算機技術在材料科學領域中的應用和實踐，使攻讀材料專業的學生對計算機應用有更多的瞭解，作者結合多年來的教學和科研實踐經驗，編寫了本書。 ^[1] 

本書系統地介紹了計算機在材料科學中應用的基本理論、基本方法和相關應用。全書內容共分為9章，主要介紹了計算機在材料科學中的應用概況；數學模型及數值求解的方法；應力場、温度場與濃度場這幾個典型物理場中的數值模擬方法；材料數據庫、專家系統、人工神經網絡的應用；材料科學中數據、圖像的處理與分析方法；正交試驗方法在材料科學中的應用；分子動力學在材料科學與工程中的應用；Rietveld/XRD精修在材料科學與工程中的應用等。

本書在講解理論的基礎上，主要側重於應用計算機的實際操作，翔實講解了上機實驗中所需的各種軟件，使學生初步瞭解和掌握計算機知識在材料科學領域中的應用思路和方法，注重培養學生利用計算機解決實際問題的能力，培養和引導學生的創新意識。

本書可作為材料科學與工程專業本科生及研究生的專業基礎課程教材，也可供從事材料科學與工程研究的工程技術人員參考。 ^[1] 

第1章 緒論001

1.1計算機的發展和應用001

1.1.1計算機的發展歷程001

1.1.2微型計算機的發展004

1.2材料科學與工程的概念和內容005

1.2.1涵蓋的基本內容005

1.2.2材料的分類005

1.2.3材料的性能005

1.2.4基本要素005

1.3計算機在材料科學與工程中的應用簡介006

1.3.1計算機技術用於數值計算與模擬007

1.3.2計算機技術用於材料數據和圖像處理007

1.3.3計算機技術用於材料數據庫和知識庫007

1.3.4計算機技術用於材料設計008

1.3.5計算機技術用於材料性能表徵與檢測008

1.3.6計算機網絡技術用於材料科學研究009

第2章 數學模型及數值求解方法010

2.1數學模型的介紹010

2.1.1數學模型的含義010

2.1.2數學模型的分類011

2.1.3建立數學模型的一般步驟和原則012

2.2常用的數學建模方法013

2.2.1機理分析法013

2.2.2模擬方法014

2.2.3類比分析法016

2.2.4數據分析法017

2.3數學模型的求解方法019

2.3.1有限差分法019

2.3.2有限元法025

思考題與上機操作題037

第3章 材料科學研究中主要物理場的數值分析的模擬038

3.1應力場模型與計算038

3.1.1彈性力學基礎038

3.1.2應力場的有限元計算041

3.1.3工字懸臂樑撓曲變形的模型建立與計算046

3.1.4開孔矩形板受荷載作用變形的模型建立與計算050

3.2温度場模型與計算055

3.2.1熱傳遞的基本方式與導熱微分方程055

3.2.2初始條件與邊界條件058

3.2.3二維穩態導熱問題的有限差分求解059

3.2.4非穩態導熱問題的有限差分求解061

3.2.5有限元法求解064

3.2.6發電廠煙囱温度分佈模型的建立與計算069

3.2.7短圓柱體熱傳導過程的模型建立與計算073

3.3濃度場模型與計算080

3.3.1擴散控制模型081

3.3.2有限元求解082

3.3.3半無限長鋼板碳擴散情況的模型建立與計算085

3.3.4Hydrus介紹與實例091

思考題與上機操作題096

第4章 材料數據庫和人工神經網絡099

4.1材料數據庫099

4.1.1數據庫的組成與結構099

4.1.2材料科學與工程數據庫100

4.2專家系統101

4.2.1專家系統基本知識101

4.2.2材料科學與工程中專家系統舉例103

4.3人工神經網絡技術及其應用108

4.3.1人工神經網絡108

4.3.2神經網絡的學習方法與規則110

4.3.3神經網絡在材料科學與工程中的應用111

思考題與上機操作題114

第5章 材料科學與工程中的數據處理與分析115

5.1數據處理的基本理論115

5.1.1曲線擬合和最小二乘法115

5.1.2線性插值法120

5.2Origin軟件在數據處理中的應用123

5.2.1Origin軟件介紹123

5.2.2Origin軟件的基本功能和使用方法124

5.2.3Origin在數據處理中的應用實例129

思考題與上機操作題140

第6章 材料科學與工程中的圖像處理142

6.1圖像與圖像處理142

6.2數字圖像的獲得途徑143

6.3Photoshop軟件進行圖像處理與分析舉例143

6.3.1Photoshop六大基本功能144

6.3.2Photoshop圖例144

6.4MatLab軟件進行圖像處理與分析舉例151

6.4.1MatLab的主要功能151

6.4.2基本操作151

6.4.3MatLab語言基礎153

6.4.4MatLab程序設計初步154

6.5Image J軟件進行圖像處理與分析舉例156

6.5.1Image J的界面156

6.5.2圖片編輯與分析159

6.5.3測量和計數160

思考題與上機操作題163

第7章 正交試驗方法在材料科學與工程中的應用165

7.1正交試驗設計的基本原理165

7.1.1正交表介紹166

7.1.2正交性原理167

7.2正交試驗設計的基本方法168

7.3正交試驗設計在材料科學與工程中的應用172

7.4正交試驗的方差分析方法174

思考題與上機操作題178

第8章 分子動力學在材料科學與工程中的應用179

8.1分子動力學介紹179

8.1.1力場180

8.1.2分子動力學基本原理183

8.1.3分子動力學計算流程185

8.1.4分子動力學的一些基本算法186

8.1.5系綜的分類187

8.1.6週期性邊界條件188

8.1.7輸出軌跡分析188

8.2常用的分子動力學軟件191

8.2.1Lammps191

8.2.2Materials Studio192

8.2.3Materials Studio在材料科學中常用的模塊介紹192

8.3分子動力學在材料科學與工程中的應用舉例193

8.3.1Materials Studio算例193

8.3.2Lammps算例197

思考題與上機操作題203

第9章 Rietveld/XRD精修在材料科學與工程中的應用206

9.1Rietveld/XRD方法介紹與基本理論206

9.1.1XRD衍射峯的理論計算206

9.1.2Rietveld定量精修210

9.1.3Rietveld結構精修213

9.1.4Rietveld全譜擬合正確性數值判斷214

9.2Rietveld精修軟件——GSAS-EXPGUI介紹215

9.2.1軟件菜單欄界面介紹215

9.2.2軟件選項欄界面介紹219

9.3Rietveld定量精修在材料科學與工程中的應用223

9.3.1基於標樣SiO2-ZnO二元體系的精修策略和準確性驗證223

9.3.2水泥基材料的Rietveld精修定量策略226

參考文獻232 ^[1]