计算机在材料科学与工程中的应用（课堂PPT）

1、.1计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用Computer in MSE（Material Science and Engineering）.2主要参考资料主要参考资料1、计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用-杨明波杨明波 胡红军胡红军 唐丽文（化学工唐丽文（化学工业出版社业出版社,2008）2、计算机在材料工程中的应用计算机在材料工程中的应用-汤爱涛汤爱涛 (重庆大学出版社重庆大学出版社,2008)3、计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用- 曾令可曾令可(武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社,2004)4、计算机在材料科学

2、中的应用计算机在材料科学中的应用-许鑫华（机械工业出版社许鑫华（机械工业出版社,2003）5、计算机在材料科学与工程中的应用计算机在材料科学与工程中的应用-刘兴江（东北大学出版社刘兴江（东北大学出版社,2007 ）6、计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用-李琼（电子科技出版社李琼（电子科技出版社,2007）7、材料科学中计算机的应用、材料科学中计算机的应用-乔宁（中国纺织出版社乔宁（中国纺织出版社,2007）8、计算机在材料科学与工程中的应用、计算机在材料科学与工程中的应用张朝晖（中南大学出版社张朝晖（中南大学出版社,2008） .3 目 录.4本课程在教学计划中的地位、作用和任务

3、本课程在教学计划中的地位、作用和任务 o 本课程是一门专业基础课。o 课程教学所要达到的目的： 了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用； 初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理； 初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。.5o考核方式：考核方式： 查阅一篇计算机在材料科学与工程中应用的文献； 上机考试。 .61.1 材料科学与工程(MSE)1.1.1 材料的作用与分类材料材料是用是用以制造有以制造有用物件的用物件的物质物质第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述材料材料是人类社会是人类社会发展的里程碑，发展的里程碑，是人类生产和生是人类生产和生活水平提高

4、的物活水平提高的物质基础，是现代质基础，是现代文明进步的重要文明进步的重要标志和发展高新标志和发展高新技术的基础和先技术的基础和先导。导。石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器时代当代文明三大支柱（当代文明三大支柱（20世纪世纪60年年代说法）：代说法）：材料材料、能源和信息、能源和信息新技术革命主要标志（新技术革命主要标志（ 20世纪世纪70年代说法年代说法）：）：新材料新材料、信息技、信息技术和生物技术术和生物技术.7材材料料的的分分类类金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料结构材料结构材料功能材料功能材料建筑材料建筑材料能源材料能源

5、材料电子材料电子材料耐火材料耐火材料医用材料医用材料耐火材料耐火材料.8 研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。美国国家研究院材料科学与工程委员会美国国家研究院材料科学与工程委员会90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力 材料科学与工程领域存在材料科学与工程领域存在 四个要素四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工）与加工） 两个关键两个关键（仪器设备和分析建模）（仪器设备和分析建模） 1.1.2 MSE研究内容.9Source: Materials Scie

6、nce and Engineering for the 1990s, NRC, 1989Composition &Processing成分与工艺成分与工艺Structure组织结构组织结构Properties材料性能材料性能.Performance使用性能使用性能四个要素四个要素.10 MSE特点：o多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学科有着不可分割的联系，如固体物理学、电子学、光学、声学、量子化学、数学与计算机等。o一门发展不成熟的学科，它的研究很大程度依赖于实验和经验的积累，系统的研究材料还有一个很长的过程。.111.2 计算机在MSE中的应用计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料

7、科学中的广泛应用提供了计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了有力保证。有力保证。Moore定律（1965）：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍。.12 计算机在MSE的应用非常广泛。 材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们之间相互关系的一门科学,在所有的这些方面,计算机都发挥了非常重要的作用。.13 材料行为工艺的计算模拟是指利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。如对材料相变、对材料成型过程、对材料在冲击载荷下的计算机模拟等。采用计算机模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微

8、观性质及其宏观力学行为，并且在没有实际制备加工出这些新材料之前就能预测它们的性能，为设计优异性能的新型材料提供强有力的理论指导，同时可避免大量的实验工作，提高材料研究的效率，降低工作强度，节省研究经费。1.2.1计算机模拟技术用于材料行为工艺研究.14 计算模拟技术是一种根据实际体系在计算机上进行的模型试验，通过将模拟结果和实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的正确性，也可以检验由计算模型得到的解析理论所作的简化近似是否成功。在模型体系上获得的相关信息一般比在实际体系上通过实验得到的信息更多。在很多情况下，计算机模拟可以部分地取代实验。另外，计算机模拟对于理论的发展具有重要的支撑作用，它们

9、为现实模型和实验室中无法实现的探索模型提供了一种行之有效的研究方法，如材料在超高压力和温度条件下相变，材料在超高速冲击条件下的损伤与失效等，都可以借助计算机模拟技术进行详细研究。.15 计算模拟技术已应用于材料行为工艺研究的各个方面，包括材料组织结构的计算机模拟、材料热处理计算机模拟、材料腐蚀与防护的计算模拟、铸造过程计算机模拟、材料塑性成形过程计算机模拟、材料焊接过程计算机模拟等。.16o模拟的主要目的模拟的主要目的是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑

10、世界的真实性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模

11、型、实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、理论的合理性。理论的合理性。o计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识的眼界。的眼界。.17典型模拟方法及所对应的模拟尺度典型模拟方法及所对应

12、的模拟尺度FDM= finite difference method, FEM=finite element method .18 网格划分网格划分有限元模拟人有限元模拟人脚走路受力情脚走路受力情况况有限元方法.19先进铸造工艺计算模拟o大家对铸造过程并不陌生，传统的铸造工艺是“睁眼造型，闭眼浇注”。我们不禁要问“闭眼”操作能做好吗？没错，“眼见为实”在铸造工艺设计中非常重要，而金属液一旦进入模具型腔之后我们就无法看到其动态流动、温度分布以及凝固过程。所以工程师们只能凭经验和想象来设计模具，这很令人头疼，那么如何才能看到整个铸造过程，让其在我们面前变得“可视”，从而优化铸造工艺呢？o首先采用计

13、算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温度分布和凝固过程；度分布和凝固过程； o其次用三维其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据；射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据； o最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的生产工艺。生产工艺。 o通过这样三步，我们就实现了“可视化铸造”！.20 计算机模拟计算机模拟X射线实时观察射线实时观察实际生产实际生产.21 图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到

14、专业模拟软件view cast，从动，从动画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。 .22此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程，其中不同的颜色代表不此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程，其中不同的颜色代表不同的温度，这样温度这一不可见的过程也将变得同的温度，这样温度这一不可见的过程也将变得“可视可视”。 .23先进锻造工艺计算模拟先进锻造工艺计算模拟 锻造加工的悠久历史锻造加工的悠久历史 锻造锻造=打铁？打铁？No！如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？.24曲拐加工工艺的计算机模拟曲拐加工工艺的计算机模拟 .25

15、工艺的模拟和工厂试制的比较工艺的模拟和工厂试制的比较 .26 对一个大型压力容器件的加工模拟过程，用计算模拟的结果来指导生产对一个大型压力容器件的加工模拟过程，用计算模拟的结果来指导生产，已经取得了很好的效果！，已经取得了很好的效果！ .27其它加工过程的模拟 钻孔钻孔横楔轧横楔轧晶粒演化晶粒演化 齿轮架齿轮架感应加热感应加热连杆连杆 .28显微组织模拟 图中显示了计算机模拟的不同时刻的凝固枝晶形貌图，不同的颜色代表不同的浓度分布。这样显微组织形核、生长等过程也将实现“可视化”！ .29三维等轴树枝晶形貌的模拟三维等轴树枝晶形貌的模拟 .301.2.2 计算机技术用于材料数据库和知识库 由于工

16、程材料的种类繁多，而每一种材料都有其特定的成分、结构及性能，因此所有工程材料的成分、结构及性能就构成了一个庞大的信息系统，为了便于材料工作者查询和研究，有必要建立各种类型的材料数据库。目前已建立了许多不同类型的材料数据库，如中科院金属所的材料数据库http:/ 知识库主要是材料成分、组织、工艺和性能间的关系以及材料科学与工程的有关理论成果，它是实现人工智能的基本条件。实际上知识库就是材料计算设计中的一系列数理模型，用于定量计算或半定量描述的关系式的总和。数据库中存储的是具体的数据值，它只能进行查询，不能进行推理。而知识库中存储的是规则、规律，通过数理模型的推理、运算，以一定的可信度给出所需的性

17、能等数据；也可以利用知识库进行成分和工艺控制参量的计算设计。利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测功能和设计功能，达到设计的双向性。.33 材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。传统的专家系统主要有下列几个模块：优化模块、集成化模块和知识模块。现在逐步在发展智能专家网络系统，这是以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统。目前基于人工神经网络的处理技术在材料科学中可到了越来越多的应用，在处理规律不明显、组分变量多、非线性方面的问题具有特殊的优越性，并且也可以对建立的数学模型和计算结果进行验证。.34 材料设计是指通过

18、理论分析与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。20世纪50年代开始；80年代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保障、条件。1.2.3 计算机技术用于材料设计.35 材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计层次，尺度约为1m数量级，材料被看作是连续介质、是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层次有不同理论和方法

19、，不同层次之间常常相互交叉、不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。.36量子化学第一原理计算软件oABINIToVASPoWIN2KoGaussianoMaterial StudiooPWSCF.37材料热力学和相图计算软件oThermo-CalcoPandatoFactSage.38有限元分析软件 有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是来的一种现代计算方法。它是50年代首先年代首先在连续体力学领域在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随分析中应用的一种有效的数值分析方法，随

20、后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。流体力学等连续性问题。.39 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。 .40 ANSYS是商业化比较早的一个软件，目

21、前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。 o结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS o流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS o耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS o性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC .41 材料加工主要包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶金等，所有这些材料加工

22、过程均可采用计算机对其进行自动控制。材料加工过程计算机控制的基本原理是：根据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据，将得到的信息进过A/D转换器转化成数字信号输入计算机，计算机经过程序处理，最后将处理后数字信号经D/A转化器变成模拟信息，进而将模拟信息传输到相应的执行设备以到达自动控制效果。材料及加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微型计算机和可编程控制器在材料加工过程中普遍应用体现了这种发展趋势。采用计算机技术控制材料的加工过程可以大幅度提高产品的加工精度和加工质量，同时也可以提供加工效率，改善工作条件。1.2.4 计算机技术用于材料的加工控制.42温度控制.43 材料性能的测

23、定大多使用专门的测试设备和仪表。如果使用计算机来控制整个系统，使其协调运行，进行数据采集和数据处理，通常使整个系统的功能得到飞跃性增强。计算机化得材料性能测试系统(CAT系统)是提高材料研究水平的重要手段。由于计算机灵活的编程方式、强大的数据处理能力和很高的运算速度，使得CAT系统可以实现手动方式不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的水平和测试精度。1.2.5计算机技术用于材料性能表征与检测.44X射线衍射仪射线衍射仪.45电子显微镜电子显微镜.46金相显微镜金相显微镜.471.2.6 计算机技术用于材料数据和图像处理 材料科学中的实验为材料科学研究提供了大量的含有材料基材料科学中的实验

24、为材料科学研究提供了大量的含有材料基本行为特征信息的实验数据，如何快速精确地处理这些复本行为特征信息的实验数据，如何快速精确地处理这些复杂的数据，发现其中的规律，从而得到真实客观的材料行杂的数据，发现其中的规律，从而得到真实客观的材料行为信息，对材料科学研究而言非常重要。现代计算机的大为信息，对材料科学研究而言非常重要。现代计算机的大容量存储特征和快速运算为存储和处理大量的材料实验数容量存储特征和快速运算为存储和处理大量的材料实验数据提供很好的平台。据提供很好的平台。 计算机对计算机对材料数据的处理材料数据的处理工作主要包括存储、计算、绘图、工作主要包括存储、计算、绘图、拟合分析及快速查询等。

25、拟合分析及快速查询等。 计算机计算机图像分析图像分析已成为辅助研究材料结构和性能之间定量已成为辅助研究材料结构和性能之间定量关系的一种重要方法。其应用涉及材料科学研究的各个方关系的一种重要方法。其应用涉及材料科学研究的各个方面，主要包括晶粒度的测量，夹杂物的评级、相分析以及面，主要包括晶粒度的测量，夹杂物的评级、相分析以及显微硬度、孔洞率、球化率、涂层的测量等。显微硬度、孔洞率、球化率、涂层的测量等。.48常用的软件oExceloOriginoPhotoshopoCorelDraw oMatlab.491.2.7 计算机网络技术用于材料科学研究 借助计算机网络，不同区域的材料科学研究者可以相互

26、交流，及时了解材料科学的发展动向，查阅各种科技文献，共享材料研究的最新成果，迅速获得各种相关信息。计算机网络技术实现资源共享，材料研究工作者可以在办公室、家里或其他任何地方，访问查询网上任何资源，极大地提高了工作效率。而且，利用计算机网络技术使原本繁琐的文献检索工作变得非常简单，可以更快捷、更准确地获得相关的材料科学研究信息。.50科研常用的搜索引擎o1、http:/ 2、 http:/qns.cc/ 科研人员的良好助手，上此网站的90%是从事科研的学生与老师。其词典搜索集成了目前市面上最好的在线英汉写作及科研词典，用此搜索引擎写作英文论文相当方便；其文献搜索集成了目前最优秀的数据库。 3、 http:/ Scirus是目前互联网上最全面、综合性最强的科技文献搜索引擎之一，由 Elsevier科