計算機在材料科學與工程中的應用

本書為教育部高等學校材料科學與工程教學指導委員會規劃教材,主要介紹計算機在材料科學與工程中的應用｡

全書共分10章,其中第1章主要介紹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研究中的數學模型及分析方法;第3章主要介紹材料科學研究中主要物理場的數值模擬;第4章主要介紹材料數據庫與專家系統;第5章主要介紹計算機輔助材料設計與模擬;第6章主要介紹材料加工過程的計算機控制;第7章主要介紹材料檢測中的計算機應用;第8章主要介紹數據與圖形圖像處理過程中的計算機應用;第9章主要介紹Internet與材料科學;第10章主要通過實驗設計對所講述的理論知識進行具體應用｡ ^[1] 

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 概 述…………………………………………………………………………… (1)

1.1 材料科學進展與計算機應用技術………………………………………………… (1)

1.2 計算機在材料科學中的應用……………………………………………………… (2)

1.2.1 計算機模擬技術用於材料行為工藝研究………………………………………… (2)

1.2.2 計算機技術用於材料數據庫和知識庫…………………………………………… (2)

1.2.3 計算機技術用於材料設計……………………………………………………… (3)

1.2.4 計算機技術用於材料加工控制………………………………………………… (4)

1.2.5 計算機技術用於材料性能表徵與檢測…………………………………………… (5)

1.2.6 計算機技術用於材料數據和圖像處理…………………………………………… (5)

1.2.7 計算機網絡技術用於材料科學研究…………………………………………… (5)

參考文獻………………………………………………………………………………… (6)

第2章 材料科學研究中的數學模型及分析方法………………………………… (7)

2.1 數學模型基礎及建模方法………………………………………………………… (7)

2.1.1 數學模型基礎………………………………………………………………… (7)

2.1.2 建立數學模型的一般步驟和原則……………………………………………… (8)

2.1.3 常用的數學建模方法…………………………………………………………… (9)

2.2 有限差分法……………………………………………………………………… (14)

2.2.1 有限差分法簡介……………………………………………………………… (14)

2.2.2 有限差分法數學基礎………………………………………………………… (15)

2.2.3 有限差分法解題基本步驟…………………………………………………… (17)

2.2.4 有限差分法解題示例………………………………………………………… (18)

2.2.5 商用有限差分軟件簡介……………………………………………………… (19)

2.3 有限元法………………………………………………………………………… (20)

2.3.1 有限元法簡介………………………………………………………………… (20)

2.3.2 有限元法常用術語…………………………………………………………… (21)

2.3.3 有限元法數學基礎…………………………………………………………… (22)

2.3.4 有限元分析基本步驟………………………………………………………… (23)

2.3.5 有限元法解題示例…………………………………………………………… (23)

2.3.6 有限元軟件簡介……………………………………………………………… (26)

2.3.7 ANSYS有限元軟件解題示例………………………………………………… (30)

2.4 蒙特卡洛方法…………………………………………………………………… (64)

2.4.1 蒙特卡洛方法簡介…………………………………………………………… (64)

2.4.2 蒙特卡洛模擬基本步驟……………………………………………………… (64)

2.4.3 隨機數的生成………………………………………………………………… (66)

2.4.4 蒙特卡洛法解題示例………………………………………………………… (67)

2.5 分子動力學方法………………………………………………………………… (68)

2.5.1 分子動力學方法簡介………………………………………………………… (68)

2.5.2 分子動力學方法模擬基本步驟………………………………………………… (69)

2.5.3 勢函數……………………………………………………………………… (70)

2.5.4 邊界條件…………………………………………………………………… (71)

2.5.5 分子動力學積分算法………………………………………………………… (72)

2.5.6 分子動力學中的系綜………………………………………………………… (73)

2.5.7 温度與壓力的調節…………………………………………………………… (73)

2.5.8 宏觀物理量的計算…………………………………………………………… (74)

2.5.9 分子動力學方法解題示例…………………………………………………… (75)

2.5.10 分子動力學相關軟件………………………………………………………… (77)

2.6 人工神經網絡方法……………………………………………………………… (78)

2.6.1 人工神經網絡簡介…………………………………………………………… (78)

2.6.2 人工神經網絡基本結構……………………………………………………… (79)

2.6.3 人工神經網絡基本要素……………………………………………………… (79)

2.6.4 誤差反向傳播神經網絡(BP網絡) …………………………………………… (82)

2.6.5 人工神經網絡方法解題基本步驟……………………………………………… (84)

2.6.6 人工神經網絡方法解題示例…………………………………………………… (86)

習題及思考題…………………………………………………………………………… (88)

參考文獻………………………………………………………………………………… (91)

第3章 材料科學研究中主要物理場的數值模擬………………………………… (92)

3.1 温度場的計算…………………………………………………………………… (92)

3.1.1 導熱方程與邊界條件………………………………………………………… (92)

3.1.2 平面温度場的有限元求解…………………………………………………… (94)

3.2 應力場計算……………………………………………………………………… (95)

3.2.1 彈性力學基礎………………………………………………………………… (95)

3.2.2 彈性問題分析………………………………………………………………… (98)

3.3 電磁場計算……………………………………………………………………… (101)

3.3.1 電磁場計算方法概述………………………………………………………… (101)

3.3.2 合金材料製備中的電磁場計算……………………………………………… (103)

3.4 濃度場計算……………………………………………………………………… (106)

3.4.1 擴散控制方程……………………………………………………………… (106)

3.4.2 濃度場的數值解法………………………………………………………… (107)

習題及思考題………………………………………………………………………… (109)

參考文獻……………………………………………………………………………… (110)

第4章 材料數據庫與專家系統…………………………………………………… (111)

4.1 數據庫技術……………………………………………………………………… (111)

4.1.1 數據庫技術的產生和發展…………………………………………………… (111)

4.1.2 數據庫數據的主要特徵……………………………………………………… (112)

4.1.3 數據庫系統………………………………………………………………… (112)

4.1.4 數據庫管理系統…………………………………………………………… (113)

4.2 材料科學與工程數據庫………………………………………………………… (113)

4.2.1 材料數據庫的發展………………………………………………………… (113)

4.2.2 材料數據庫的應用………………………………………………………… (115)

4.3 專家系統………………………………………………………………………… (116)

4.3.1 專家系統發展歷史………………………………………………………… (117)

4.3.2 專家系統的構成及工作原理………………………………………………… (117)

4.3.3 專家系統中的知識獲取與推理……………………………………………… (118)

4.3.4 專家系統的特徵和類型……………………………………………………… (118)

4.3.5 專家系統在材料科學與工程中應用………………………………………… (119)

閲讀資料……………………………………………………………………………… (125)

習題及思考題………………………………………………………………………… (126)

參考文獻……………………………………………………………………………… (126)

第5章 計算機輔助材料設計與模擬……………………………………………… (127)

5.1 材料設計概述…………………………………………………………………… (127)

5.1.1 材料設計的定義､範圍與層次………………………………………………… (127)

5.1.2 多尺度材料設計…………………………………………………………… (128)

5.2 材料設計基礎…………………………………………………………………… (130)

5.2.1 電子結構計算……………………………………………………………… (130)

5.2.2 材料熱力學､動力學和相圖計算……………………………………………… (135)

5.2.3 基於概率斷裂力學的可靠性評價…………………………………………… (140)

5.3 材料設計軟件及應用…………………………………………………………… (143)

5.3.1 量子化學第一性原理計算軟件……………………………………………… (143)

5.3.2 材料熱力學和相圖計算軟件………………………………………………… (154)

5.3.3 基於有限元分析和概率斷裂力學的可靠性評價軟件………………………… (164)

5.4 計算機輔助材料設計與模擬舉例……………………………………………… (165)

5.4.1 陶瓷材料的設計———摻雜TiO2光催化劑的電子結構的第一性原理研究……… (166)

5.4.2 金屬材料的設計———Ti2

AlNb基合金的相結構設計…………………………… (169)

5.4.3 多場耦合應用實例———液態金屬連續鑄造工藝的多物理場模擬……………… (170)

習題及思考題………………………………………………………………………… (174)

參考文獻……………………………………………………………………………… (175)

第6章 材料加工過程的計算機控制……………………………………………… (176)

6.1 計算機控制概述………………………………………………………………… (176)

6.1.1 計算機控制的概念………………………………………………………… (176)

6.1.2 計算機控制系統的結構和組成……………………………………………… (177)

6.1.3 計算機控制系統的分類……………………………………………………… (180)

6.1.4 計算機控制系統的主要特點和基本要求……………………………………… (183)

6.2 材料加工的計算機控制………………………………………………………… (184)

6.2.1 加熱爐温度控制…………………………………………………………… (184)

6.2.2 焊接過程的計算機控制……………………………………………………… (186)

習題及思考題………………………………………………………………………… (190)

參考文獻……………………………………………………………………………… (191)

第7章 材料檢測中的計算機應用………………………………………………… (192)

7.1 材料的物相及成分檢測………………………………………………………… (192)

7.1.1 X射線衍射分析…………………………………………………………… (192)

7.1.2 電子探針儀………………………………………………………………… (193)

7.1.3 光譜分析…………………………………………………………………… (195)

7.2 材料的組織結構檢測…………………………………………………………… (196)

7.2.1 定量金相分析……………………………………………………………… (196)

7.2.2 計算機仿真………………………………………………………………… (197)

7.3 材料的力學性能檢測…………………………………………………………… (199)

7.3.1 萬能材料試驗機…………………………………………………………… (199)

7.3.2 衝擊試驗機………………………………………………………………… (201)

7.4 材料的物理性能測量…………………………………………………………… (203)

7.4.1 磁性測量中的計算機數據處理……………………………………………… (203)

7.4.2 超導材料特性曲線的計算機測量…………………………………………… (205)

7.4.3 金屬熔點附近熱物性參數的計算機測量……………………………………… (207)

閲讀資料……………………………………………………………………………… (209)

習題及思考題………………………………………………………………………… (210)

參考文獻……………………………………………………………………………… (210)

第8章 數據與圖形圖像處理過程中的計算機應用…………………………… (211)

8.1 數據與圖像處理常用軟件簡介………………………………………………… (211)

8.1.1 Excel軟件簡介……………………………………………………………… (211)

8.1.2 Origin 軟件簡介…………………………………………………………… (218)

8.1.3 Photoshop軟件簡介………………………………………………………… (224)

8.1.4 MatLab圖像處理工具箱簡介………………………………………………… (227)

8.2 應用實例詳解…………………………………………………………………… (230)

8.2.1 數據處理實例……………………………………………………………… (230)

8.2.2 圖形處理實例……………………………………………………………… (235)

8.2.3 圖像處理實例……………………………………………………………… (240)

習題及思考題………………………………………………………………………… (241)

參考文獻……………………………………………………………………………… (242)

第9章 Internet與材料科學………………………………………………………… (243)

9.1 Internet技術簡介………………………………………………………………… (243)

9.2 Internet在材料科學中的應用…………………………………………………… (244)

9.2.1 強大的搜索引擎…………………………………………………………… (244)

9.2.2 與材料科學相關的專業網站………………………………………………… (245)

9.2.3 文獻檢索…………………………………………………………………… (246)

習題及思考題………………………………………………………………………… (252)

第10章 實驗設計與上機實踐……………………………………………………… (253)

10.1 材料合成加工工藝單指標正交實驗設計與實現…………………………… (253)

10.1.1 實驗目的…………………………………………………………………… (253)

10.1.2 問題描述與分析…………………………………………………………… (253)

10.1.3 求解步驟…………………………………………………………………… (256)

10.1.4 習題及思考題……………………………………………………………… (258)

10.2 用曲線擬合實現材料科學研究中的數學建模……………………………… (262)

10.2.1 實驗目的…………………………………………………………………… (262)

10.2.2 問題描述與分析…………………………………………………………… (263)

10.2.3 求解步驟…………………………………………………………………… (265)

10.2.4 習題及思考題……………………………………………………………… (267)

10.3 材料學科中物理場的數值模擬……………………………………………… (271)

10.3.1 實驗目的…………………………………………………………………… (271)

10.3.2 問題描述與分析…………………………………………………………… (271)

10.3.3 求解步驟…………………………………………………………………… (272)

10.3.4 習題及思考題……………………………………………………………… (277)

10.4 理想溶液二元相圖計算……………………………………………………… (280)

10.4.1 實驗目的…………………………………………………………………… (280)

10.4.2 問題描述與分析…………………………………………………………… (280)

10.4.3 求解步驟…………………………………………………………………… (281)

10.4.4 習題及思考題……………………………………………………………… (286)

參考文獻……………………………………………………………………………… (287) ^[1]