計(jì)算材料學(xué)的現(xiàn)實(shí)重要性

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計(jì)算材料學(xué)的現(xiàn)實(shí)重要性【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究的體系越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析推導(dǎo)方法已不敷應(yīng)用，甚至無能為力。計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，為復(fù)雜體系的研究提供了新的手段。計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展無論是在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都使原有的材料研究手段得以極大的改觀。它不僅使理論研究從解析推導(dǎo)的束縛中解脫出來，而且使實(shí)驗(yàn)研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客觀的基礎(chǔ)上，更有利于從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中揭示客觀規(guī)律，證實(shí)客觀規(guī)律?！娟P(guān)鍵詞】計(jì)算材料學(xué)、計(jì)算模擬、材料的及計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)方法、計(jì)算機(jī)應(yīng)用計(jì)算材料學(xué)，是材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興

2、學(xué)科，是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能的計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)的學(xué)科，是材料科學(xué)研究里的“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”。它涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究的體系越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析推導(dǎo)方法已不敷應(yīng)用，甚至無能為力。計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，為復(fù)雜體系的研究提供了新的手段。以材料這樣一個(gè)典型的復(fù)雜體系為研究對(duì)象的新學(xué)科 計(jì)算材料科學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到發(fā)展。對(duì)于復(fù)雜體系，由于理論研究往往不能給出解析表達(dá)，或者即使能夠給出解析表達(dá)也常常不能求解，因此也就失去了對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的指導(dǎo)意義。反之，失去了理論指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究，也只能在原有的工作基礎(chǔ)上，根據(jù)科研人員

3、的經(jīng)驗(yàn)理解、分析與判斷，在各種工藝條件下反復(fù)摸索，反復(fù)實(shí)驗(yàn)。之所以造成理論研究和實(shí)驗(yàn)研究相互脫節(jié)的根本原因并不在于理論和實(shí)驗(yàn)本身，而是由于人們?yōu)榱俗非竽軌蛉娑鴾?zhǔn)確地反映客觀實(shí)際，使理論模型變得十分復(fù)雜，無法直接解析求解。研究體系的復(fù)雜性表現(xiàn)在多個(gè)方面，從低 自由度體系轉(zhuǎn)變到多維自由度體系，從標(biāo)量體系擴(kuò)展到 矢量、 張量系統(tǒng)，從 線性系統(tǒng)到非線性系統(tǒng)的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算與模擬恰恰成為唯一可能的途徑。復(fù)雜性是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，計(jì)算材料科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展也是必然趨勢(shì)，它對(duì)一些重要 科學(xué)問題的圓滿解決，充分說明了計(jì)算材料科學(xué)的重要作用和現(xiàn)實(shí)意義計(jì)算材料科學(xué)的

4、發(fā)展無論是在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都使原有的材料研究手段得以極大的改觀。它不僅使理論研究從解析推導(dǎo)的束縛中解脫出來，而且使實(shí)驗(yàn)研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客觀的基礎(chǔ)上，更有利于從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中揭示客觀規(guī)律，證實(shí)客觀規(guī)律。因此，計(jì)算材料科學(xué)是材料研究領(lǐng)域理論研究與實(shí)驗(yàn)研究的橋梁，不僅為理論研究提供了新途徑，而且使實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。計(jì)算材料學(xué)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一方面是計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)際過程;另一方面是材料的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，即直接通過理論模型和計(jì)算，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能。前者使材料研究不是停留在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系

5、的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上升為一般的、定量的理論，后者則使材料的研究與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。計(jì)算材料學(xué)涉及材料的各個(gè)方面，如不同層次的結(jié)構(gòu)、各種性能等等，因此，有很多相應(yīng)的計(jì)算方法。在進(jìn)行材料計(jì)算時(shí)，首先要根據(jù)所要計(jì)算的對(duì)象、條件、要求等因素選擇適當(dāng)?shù)姆椒?。要想做好選擇，必須了解材料計(jì)算方法的分類。目前，主要有兩種 分類方法：一是按 理論模型和方法分類，二是按材料計(jì)算的特征空間尺寸分類。材料的性能在很大程度上取決于材料的 微結(jié)構(gòu)，材料的用途不同，決定其性能的微結(jié)構(gòu)尺度會(huì)有很大的差別。例如，對(duì)結(jié)構(gòu)材料來說，影響其力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)尺度在微米以上，而對(duì)于電、光、磁等功能材料

6、來說可能要小到 納米，甚至是電子結(jié)構(gòu)。因此，計(jì)算材料學(xué)的研究對(duì)象的特征空間尺度從埃到米。時(shí)間是計(jì)算材料學(xué)的另一個(gè)重要的參量。對(duì)于不同的研究對(duì)象或計(jì)算方法，材料計(jì)算的 時(shí)間尺度可從10-15秒（如 分子動(dòng)力學(xué)方法等）到年（如對(duì)于腐蝕、 蠕變、 疲勞等的模擬）。對(duì)于具有不同特征空間、 時(shí)間尺度的研究對(duì)象，均有相應(yīng)的材料計(jì)算方法。目前常用的計(jì)算方法包括第一性原理從頭計(jì)算法，分子動(dòng)力學(xué)方法， 蒙特卡洛方法，元胞自動(dòng)機(jī)方法、相場(chǎng)法、幾何拓?fù)淠Ｐ头椒ā?有限元分析等計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展密切相關(guān)的。從前，即便使用大型計(jì) 算機(jī)也極為困難的一些材料計(jì)算，如材料的量子力學(xué)計(jì)算等，現(xiàn)在使用微機(jī)就能夠完成，由此可以預(yù)見，將來計(jì)算材料學(xué)必將有更加迅速的發(fā)展。另外，隨著計(jì)算材料學(xué)的不斷進(jìn)步與成熟，材料的計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)已不僅僅是材料物理以及材料計(jì)算理論學(xué)家的熱門研究課題，更將成為一般材料研究人員的一個(gè)重要研究工具。由于模型與 算法的成熟，通用軟件的出現(xiàn)，使得材料計(jì)算的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。因此，計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)