《材料加工与改性数值模拟》教学大纲

《材料加工与改性数值模拟》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：03145171课程性质：专业必修课学分：2学分学时：32学时（理论16学时，实践16学时）先修课程：高等数学、工程制图与CAD、材料制备计算机辅助设计、材料科学基础等后续课程：材料制备分析综合实验、毕业实习、毕业设计适用专业：材料科学与工程开课单位：材料科学与工程学院一、课程说明《材料加工与改性数值模拟》是材料科学与工程专业一门同计算机应用有密切联系的专业必修课程。本课程主要介绍计算机在材科加工与改性中的应用及相关软件的使用，任务是在加强对基础知识、基本方法掌握的基础上，结合材料科学与工程研究领域的新方法、新技术中计算机的应用，使学生初步具备在材料科学领域应用计算机解决实际问题的能力，了解计算机应用中常用技术手段的工作原理、性能及特点，掌握材料制备、加工、改性和检测中运用计算机解决问题的的基本方法及材料科学领域常用的计算机相关软件。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握材料加工与改性中的数学建模、数值分析方法、物理场的数值模拟等相关理论知识；熟悉材料数据库和新材料设计、材料加工过程的计算机控制、计算机在材料检测中的应用、数据与图像处理等方面的专业知识；了解材料加工与改性技术的发展现状和趋势。课程目标2：具备材料加工与改性方面的数学建模、物理场数值模拟、材料加工过程预测与模拟等方面的基本能力；具有在材料科学与工程相关领域从事生产、技术研发、工艺设计与优化等工作的初步能力。课程目标3：具有良好的材料设计、制备、改性、性能检测与分析等方面的计算机应用素质；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；树立正确的是非观念和劳动意识；具有坚定正确的政治方向、科学的世界观、人生观和价值观。三、课程目标与毕业要求《材料加工与改性数值模拟》课程教学目标对材料科学与工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.2能针对具体对象建立数学模型并求解。1.3掌握相关自然科学知识、工程基础知识和思维方法，并能将其应用于解决材料专业相关复杂工程问题。课程目标1：掌握材料加工与改性中的数学建模、数值分析方法、物理场的数值模拟等相关理论知识；熟悉材料数据库和新材料设计、材料加工过程的计算机控制、计算机在材料检测中的应用、数据与图像处理等方面的专业知识；了解材料加工与改性技术的发展现状和趋势。M3.设计/开发解决方案3.2设计/开发解决方案过程中，能够在考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素的前提下，论证方案的可行性。课程目标3：具有良好的材料设计、制备、改性、性能检测与分析等方面的计算机应用素质；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；树立正确的是非观念和劳动意识；具有坚定正确的政治方向、科学的世界观、人生观和价值观。M5.使用现代工具5.2能够开发、选择与使用现代工程工具和信息技术工具对材料专业相关复杂工程问题进行辅助设计、预测和模拟，并理解其局限性。课程目标2：具备材料加工与改性方面的数学建模、物理场数值模拟、材料加工过程预测与模拟等方面的基本能力；具有在材料科学与工程相关领域从事生产、技术研发、工艺设计与优化等工作的初步能力。H注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实践学时对应的课程目标绪论1.材料科学研究中的数学模型1.1数学模型基础1.2建立数学模型的步骤和原则上机1：实验数据分析1.3数学建模的方法上机2：曲线拟合与建模教学要求：理解本课程的任务、主要内容和学习方法，熟知计算机在材料科学的应用，了解新材料革命与材料基因组计划，了解我国超级和量子计算机的发展。理解数学模型的概念，了解数学模型的类型、作用和数学建模方法，掌握实验数据分析方法，掌握材料研究中的曲线拟合与建模方法。重点：实验数据分析，材料研究中的曲线拟合与建模方法。难点：常用数学建模方法的理解与应用。221、2、32.材料科学研究中常用的数值分析方法2.1有限差分法2.2有限元法上机3：带孔矩形板静力学分教学要求：熟悉数值分析基础知识，理解有限差分法的基本概念、原理，了解差分方程的求解方法。熟悉有限元的基础知识

，了解常用的有限元软件，掌握带孔矩形板静力学分析方法。重点：带孔矩形板静力学分析方法。难点：差分方程的求解方法。221、23.材料科学研究中主要物理场的数值模拟3.1温度场理论基础上机4：电池发热的稳态热分析3.2热应力场理论基础上机5：泵壳稳态热应力场分析教学要求：了解热力学分析理论基础，熟悉温度场数值模拟研究现状，掌握利用有限元软件对电池发热稳态热分析方法。了解涡轮叶片数值模拟应用，理解传热学基础知识，理解弹性力学基础知识，掌握泵壳稳态热应力场计算。重点：利用有限元软件对电池发热稳态热分析，泵壳稳态热应力场分析。难点：热力学分析理论基础，理解传热学基础知识，理解弹性力学基础知识。241、2、34.材料科学与行为工艺的计算机模拟4.1组织转变的计算机模拟4.2计算机相平衡计算方法上机6：相图计算与分析教学要求：理解组织转变的模拟过程，了解热力学模型，理解相图的绘制过程。掌握相图计算的方法与分析，了解计算机相平衡计算方法。重点：相图计算方法与分析。难点：计算机相平衡计算方法。222、35.材料数据库和新材料、新合金的设计5.1材料科学与工程数据库5.2人工神经网络在材料科学中的应用上机7：人工神经网络材料设计优化与建模教学要求：熟悉数据库系统的组成与结构。了解材料科学与工程数据库的发展。了解人工神经网络的概念，熟悉人工神经网络的组成、工作原理及类型。了解人工神经网络在材料科学中的应用。掌握人工神经网络材料设计优化与建模。重点：人工神经网络材料设计优化与建模。难点：人工神经网络的结构、原理及开发应用。221、26.材料加工过程的计算机控制上机8：铸造模拟软件使用教学要求：了解铸造模拟软件的特点与应用，学会铸造模拟软件使用，掌握铸造充型与凝固过程方法。重点：铸造模拟软件使用。难点：铸造充型与凝固过程方法。111、2、37.计算机在材料检测中的应用7.1材料成分和组织检测7.2材料力学和物理性能检测教学要求：熟悉金相图像分析系统、材料显微组织的计算机仿真。了解万能材料试验机的计算机辅助测试系统、专项实验设备的计算机数据采集和处理系统。重点：金相图像分析系统、材料显微组织的计算机仿真。难点：显微组织的计算机模拟的理解。22、38.材料科学研究中的数据与图像处理上机9：材料组织参数图像分析教学要求：熟悉数据与图像处理相关软件，可以利用相关软件进行数据处理及简单绘图。熟悉相关图像分析与处理软件，可以利用该软件进行图像处理。重点：材料组织参数图像分析。难点：图像的精细处理。21、29.互联网在材料科学研究中的应用9.1材料科学文献检索9.2课程小论文规范与要求教学要求：了解互联网上的材料科学信息资源，熟悉其检索方法。熟悉常用材料科学数据库，掌握材料科学文献的检索方法。重点：材料科学文献数据库及其检索方法。难点：文献的精确查找方法。111、3机动2合计16162.上机部分上机教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实践教学项目、内容与学时上机项目上机内容和要求上机学时对应的课程目标实验数据分析上机内容：数据分析软件工作簿、图表、函数曲线等窗口，曲线拟合建模。上机要求：掌握数据分析软件数据分析的基本操作步骤，了解数据分析软件各功能模块的应用。11、3曲线拟合与建模上机内容：变量相关性、实验数据建立数学模型，曲线拟合建模上机要求：确定材料研究中的变量之间是否存在相关性，用实验数据建立数学模型，根据一个或几个变量的取值预测或控制另一个变量的取值范围。11、2带孔矩形板静力学分析上机内容：使用相关软件对带孔矩形板静力学分析上机要求：掌握静力学的计算步骤，定义材料模型的方法，求解应力、应变和位移的方法。21、2、3电池发热的稳态热分析上机内容：电池发热的稳态热分析上机要求：掌握稳态传热计算步骤、学会定义多层材料模型的方法、施加热边界条件。21、2泵壳稳态热应力场分析上机内容：泵壳稳态热应力场计算与分析上机要求：掌握稳态热应力场的计算步骤，定义材料模型的方法。21、2、36.相图计算与分析上机内容：用相图计算软件获得Fe-Cr-C垂直截面和等温截面相图。上机要求：了解相图计算软件和数据库，用相图计算软件计算Al-Mg-Si垂直截面与等温截面相图。21、2、37.人工神经网络材料设计优化与建模上机内容：人工神经网络工具箱上机要求：初步掌握人工神经网络工具箱的使用方法，能够对材料组织与性能数据进行分析和建模。21、38.铸造模拟软件使用上机内容：利用铸造模拟软件进行铝合金压力铸造充型和凝固过程。上机要求：熟悉铸造模拟软件，了解压力铸造充型和凝固分析方法。21、2、39.材料组织参数图像分析上机内容：练习使用常见的图像处理软件，材料组织参数分析。上机要求：了解金相显微照片图像处理的基本方法，掌握图像处理软件的基本操作。21、2合计16五、教学方法及手段本课程采用讲授、上机操作、视频学习、文献查阅、课堂练习和案例分析等教学方式方法完成课程教学任务和相关能力的培养。使学生较为全面地掌握数值模拟的常用分析技巧和基本设计流程，掌握相关材料科学领域应用软件的使用方法，培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：（1）许鑫华.计算机在材料科学中的应用[M].北京：机械工业出版社,2022.122.参考书：（1）杨明波.计算机在材料科学与工程中的应用[M].北京：化学工业出版社，2022.01（2）董湘怀.材料加工理论与数值模拟[M].北京：高等教育出版社，2005.08（3）汤爱涛.计算机在材料工程中的应用[M].重庆：重庆大学出版社,2008.06（4）曾令可.计算机在材料科学与工程中的应用[M].武汉：武汉理工大学出版社,2014.033.期刊：（1）高英俊.计算机模拟在材料科学中的应用[J].广西大学学报(自然科学版),2001,26(4):291-294.（2）陈明和.计算机模拟与预测方法在材料科学研究中的应用[J].机械工程材料,2005,29(6):1-3.（3）王丹丹.计算机模拟技术在材料科学中的应用[J].内蒙古石油化工,2011,37(07):191-192.（4）陈文革.计算机在材料科学中的应用[J].材料导报,2000,14(2):20-21.（5）VarshikaSingh.Recenttrendsincomputationaltoolsanddata-drivenmodelingforadvancedmaterials[J].MaterialsAdvances,2022,3,4069-4087.（6）SchmidtJ.Recentadvancesandapplicationsofmachinelearninginsolid-statematerialsscience[J].ComputationalMaterials,2019(1):1-36.4.网络资源：（1）中国CAE联盟,/（2）中国互动仿真网，/（3）中国慕课网-计算机在材料科学应用，/course/NEU-1466001174七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现15（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442上机操作15（1）根据每个上机的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次上机操作单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以上机操作成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√15平时作业20（1）主要考查学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√663期末考核50（1）课程小论文成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核材料科学与工程领域相关软件的使用方法和心得体会，查阅相关文献，关注相关软件在材料科学与工程的应用现状等内容，以实现培养学生材料研究、创新能力的效果。√√√252510合计：100分355015八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、上机操作、平时作业、期末考核等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末考核即课程小论文成绩，课堂表现、上机操作和平时作业过程性评价成绩组成，其中过程性评价成绩权重占50%、课程小论文成绩权重占50%。分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现30积极参与并按时、按质完成课堂任务，踊跃