計算機在材料科學與工程中的應用

本書為高等學校教材，主要介紹計算機在材料科學與工程中的應用。全書共分9章，其中第1章主要介紹材料科學與工程的基本知識和計算機在材料科學與工程中的應用概況；第2章主要介紹材料科學與工程中數據的計算機處理；第3章主要介紹數學模型的建立及數值求解；第4章主要介紹材料科學與工程中典型物理場的數值模擬；第5章主要介紹ANSYS軟件及其在材料科學與工程中的應用；第6章主要介紹計算機在相圖計算及材料設計中的應用；第7章主要介紹數據庫及專家系統在材料科學與工程中的應用；第8章主要介紹人工神經網絡及Matlab軟件在材料科學與工程中的應用；第9章主要介紹材料加工成形過程的計算機模擬。

本書可作為材料科學與工程專業本科生及研究生的教學用書，也可供從事材料科學及材料加工研究、開發及應用的工程技術人員參考。 ^[1] 

第1章 緒論 1

1.1 材料科學與工程的概念 1

1.1.1 材料的作用及分類 1

1.1.2 材料科學與工程的內容 1

1.2 計算機在材料科學與工程中的應用簡介 2

1.2.1 用於新材料和新合金的設計 2

1.2.2 用於材料科學研究中的模擬 3

1.2.3 用於材料工藝過程的優化及自動控制 5

1.2.4 用於材料組成和微觀結構的表徵 5

1.2.5 用於數據和圖像處理及其他 5

第2章 材料科學與工程中數據的計算機處理 7

2.1 數據處理的基本理論 7

2.1.1 曲線擬合與最小二乘法 7

2.1.2 插值法 17

2.2 Origin軟件在數據處理中的應用 18

2.2.1 Origin軟件介紹 18

2.2.2 Origin在數據處理中的應用實例 18

2.3 Excel軟件在數據處理中的應用 28

2.3.1 計算功能 28

2.3.2 參數估計 30

思考題與上機操作實驗題 35

第3章 數學模型的建立及數值求解 39

3.1 數學模型介紹 39

3.1.1 數學模型的含義 39

3.1.2 數學模型的分類 39

3.1.3 數學模型的建立步驟 40

3.1.4 其他概念 41

3.2 數學模型的建立方法及實例 41

3.2.1 理論分析法 41

3.2.2 數值模擬的方法 43

3.2.3 類比分析法 47

3.2.4 數據分析法 49

3.2.5 利用計算機軟件（Origin軟件）建立數學模型 50

3.3 數學模型的數值求解 53

3.3.1 常用的計算方法 54

3.3.2 有限差分法 58

3.3.3 有限元法 64

思考題與上機操作實驗題 78

第4章 材料科學與工程中典型物理場的數值模擬 79

4.1 温度場數學模型及求解 79

4.1.1 温度場的基本知識 79

4.1.2 温度場數學模型的建立 82

4.1.3 温度場的有限差分求解 86

4.2 鑄件充型過程的通用數學模型 100

4.3 濃度場的通用數學模型與計算 102

4.3.1 菲克第一定律 102

4.3.2 菲克第二定律 103

4.3.3 滲碳濃度場的有限差求解 103

思考題與上機操作實驗題 110

第5章 ANSYS軟件及其在材料科學與工程中的應用 112

5.1 ANSYS軟件介紹 112

5.2 ANSYS在材料科學與工程中的應用實例 113

5.2.1 鑄件温度場分佈及模具內部應力場分佈 113

5.2.2 熱處理淬火過程的温度場模擬 118

5.2.3 熱噴塗過程的温度場和應力場分析 126

5.2.4 鋁材擠壓過程的應力應變分析 131

5.2.5 焊接過程中的應力和變形分析 138

思考題與上機操作實驗題 158

第6章 計算機在相圖計算及材料設計中的應用 162

6.1 相圖計算的理論及實踐 162

6.1.1 相圖計算過程及特點 162

6.1.2 THERMO-CALC相圖計算軟件介紹及使用 164

6.2 材料設計的理論及實踐 167

6.2.1 材料設計介紹 167

6.2.2 Material studio軟件及其在材料設計中的應用 172

思考題與上機操作實驗題 176

第7章 數據庫及專家系統在材料科學與工程中的應用 177

7.1 數據庫在材料科學與工程中的應用 177

7.1.1 數據庫的組成與結構 177

7.1.2 材料科學與工程數據庫的發展 178

7.2 專家系統及其在材料科學與工程中的應用 179

7.2.1 專家系統基本知識 179

7.2.2 材料科學與工程中的部分專家系統介紹 181

思考題 185

第8章 人工神經網絡及Matlab軟件在材料科學與工程中的應用 186

8.1 人工神經網絡與Matlab軟件簡介 186

8.1.1 人工神經網絡介紹 186

8.1.2 線性神經網絡 189

8.1.3 BP神經網絡 190

8.2 Matlab軟件在材料科學與工程中的應用 193

8.2.1 數表公式化——曲線擬合 193

8.2.2 焊接神經網絡模型建立 194

8.2.3 混凝土板瞬態温度場算法分析 195

思考題 199

第9章 材料加工成形過程的計算機模擬 200

9.1 概述 200

9.2 MoldFlow塑料注塑成形過程模擬軟件介紹及使用 201

9.2.1 MoldFlow軟件介紹 201

9.2.2 MoldFlow軟件操作步驟及分析實例 202

9.3 Deform體積成形分析軟件介紹及使用 208

9.3.1 Deform分析軟件介紹 208

9.3.2 Deform軟件操作步驟及實例 209

9.4 ProCAST鑄造成形過程模擬軟件介紹及使用 217

9.4.1 ProCAST軟件介紹 217

9.4.2 ProCAST軟件的操作步驟 220

9.4.3 ProCAST軟件應用實例 224

思考題與上機操作實驗題 229

參考文獻 230 ^[1]