計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用概述

1、1計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用Application of Computer in MSE（Material Science and Engineering）主講：李小波主講：李小波 TelelE_mail:E_mail:機(jī)械工程學(xué)院金屬材料系機(jī)械工程學(xué)院金屬材料系2主要參考資料主要參考資料1、計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用-楊明波（化學(xué)工業(yè)出版社楊明波（化學(xué)工業(yè)出版社,2008）2、計算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用-湯愛濤湯愛濤 (重慶大學(xué)出版社重慶大學(xué)出版社,2

2、008)3、計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用- 曾令可曾令可(武漢理工大學(xué)出版社武漢理工大學(xué)出版社,2004)4、計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用-許鑫華（機(jī)械工業(yè)出版社許鑫華（機(jī)械工業(yè)出版社,2003）5、計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用-劉興江（東北大學(xué)出版社劉興江（東北大學(xué)出版社,2007 ）6、計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用-李瓊（電子科技出版社，李瓊（電子科技出版社，2007）7、材料科學(xué)中計算機(jī)的應(yīng)用材料科學(xué)中計算機(jī)的應(yīng)用-喬寧（中國紡織出版社喬寧（中國紡織出版社, 2007）8、材料設(shè)計教程

3、材料設(shè)計教程-戴起勛戴起勛（化學(xué)工業(yè)出版社（化學(xué)工業(yè)出版社, 2007）建議教材：建議教材：計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用張朝暉（中南大學(xué)出版社張朝暉（中南大學(xué)出版社,2008） 3 目 錄4本課程在教學(xué)計劃中的地位、作用和任務(wù)本課程在教學(xué)計劃中的地位、作用和任務(wù) 本課程是金屬材料工程專業(yè)的本課程是金屬材料工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。專業(yè)基礎(chǔ)課。 課程教學(xué)所要達(dá)到的課程教學(xué)所要達(dá)到的目的目的是：是： 了解了解計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在材料科學(xué)和工程計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在材料科學(xué)和工程中的應(yīng)用；中的應(yīng)用； 初步掌握初步掌握在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中更好地應(yīng)用計在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中更

4、好地應(yīng)用計算機(jī)的思路、方法和原理，并使之能初步將計算機(jī)的思路、方法和原理，并使之能初步將計算機(jī)用于后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)設(shè)計中去；算機(jī)用于后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)設(shè)計中去；5考核方式：考核方式： 作業(yè)完成情況，上課出勤率，上機(jī)表現(xiàn)， 上機(jī)考試。成績評定：成績評定： 平時成績占30，期末考試占70。61.1 材料科學(xué)與工程(MSE)1.1.1 材料的作用與分類材料材料是是用以制用以制造有用造有用物件的物件的物質(zhì)物質(zhì)第1章 計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中應(yīng)用概述材料材料是人類社是人類社會發(fā)展的里程會發(fā)展的里程碑，是人類生碑，是人類生產(chǎn)和生活水平產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基提高的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代文礎(chǔ)，是現(xiàn)代文明

5、進(jìn)步的重要明進(jìn)步的重要標(biāo)志和發(fā)展高標(biāo)志和發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。和先導(dǎo)。石器時代石器時代銅器時代銅器時代鐵器時代鐵器時代當(dāng)代文明三大支柱（當(dāng)代文明三大支柱（20世世紀(jì)紀(jì)60年代說法）：年代說法）：材料材料、能源和信息能源和信息新技術(shù)革命主要標(biāo)志（新技術(shù)革命主要標(biāo)志（ 20世紀(jì)世紀(jì)70年代說法年代說法）：）：新材料新材料、信息技術(shù)和生物、信息技術(shù)和生物技術(shù)技術(shù)7材材料料的的分分類類金屬材料金屬材料無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料建筑材料建筑材料能源材料能源材料電子材料電子材料耐火材料耐火材料醫(yī)用材料醫(yī)用材料耐火

6、材料耐火材料8 研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。美國國家研究院材料科學(xué)與工程委員會美國國家研究院材料科學(xué)與工程委員會90年代的材料科學(xué)與工程：在材料時代保持競爭力年代的材料科學(xué)與工程：在材料時代保持競爭力 材料科學(xué)與工程領(lǐng)域存在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域存在 四個要素四個要素（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工）與加工） 兩個關(guān)鍵兩個關(guān)鍵（儀器設(shè)備和分析建模）（儀器設(shè)備和分析建模） 1.1.2 MSE研究內(nèi)容9Source: Materials Science and Engineering for the 19

7、90s, NRC, 1989Composition &Processing成分與工藝成分與工藝Structure組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)Properties材料性能材料性能.Performance使用性能使用性能四個要素四個要素10 MSEMSE特點：特點：o 是多學(xué)科交叉的新興科學(xué)。它與許多基礎(chǔ)是多學(xué)科交叉的新興科學(xué)。它與許多基礎(chǔ)學(xué)科有著學(xué)科有著不可分割的聯(lián)系，如固體物理學(xué)、不可分割的聯(lián)系，如固體物理學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、量子化學(xué)、數(shù)學(xué)與電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、量子化學(xué)、數(shù)學(xué)與計算機(jī)等。計算機(jī)等。o 是一門發(fā)展不成熟的學(xué)科，它的研究很大是一門發(fā)展不成熟的學(xué)科，它的研究很大程度依賴于實驗和經(jīng)驗的積累，系

8、統(tǒng)的研程度依賴于實驗和經(jīng)驗的積累，系統(tǒng)的研究材料還有一個很長的過程。究材料還有一個很長的過程。111.2 計算機(jī)在MSE中的應(yīng)用計算機(jī)硬件條件的飛速發(fā)展為計算機(jī)在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用提供了計算機(jī)硬件條件的飛速發(fā)展為計算機(jī)在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用提供了有力保證。有力保證。Moore定律（1965）：計算機(jī)的CPU速度每1.5年增加一倍。12 計算機(jī)在計算機(jī)在MSEMSE的應(yīng)用非常廣泛。的應(yīng)用非常廣泛。 材料科學(xué)是研究材料的組成與結(jié)構(gòu)、材料科學(xué)是研究材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性能與應(yīng)用以及它合成與制備、性能與應(yīng)用以及它們之間相互關(guān)系的一門科學(xué)們之間相互關(guān)系的一門科學(xué), ,在所在所有的這些方面有的

9、這些方面, ,計算機(jī)都發(fā)揮了非計算機(jī)都發(fā)揮了非常重要的作用。常重要的作用。13 計算模擬技術(shù)計算模擬技術(shù)是一種根據(jù)實際體系在計算機(jī)上進(jìn)行的是一種根據(jù)實際體系在計算機(jī)上進(jìn)行的模型試驗，通過將模擬結(jié)果和實際體系的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)模型試驗，通過將模擬結(jié)果和實際體系的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，也可以檢驗由計算行比較，可以檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，也可以檢驗由計算模型得到的解析理論所作的簡化近似是否成功。模型得到的解析理論所作的簡化近似是否成功。 在模型體系上獲得的相關(guān)信息一般比在實際體系上通在模型體系上獲得的相關(guān)信息一般比在實際體系上通過實驗得到的信息更多。在很多情況下，計算機(jī)模擬過實驗得到的信息更多

10、。在很多情況下，計算機(jī)模擬可以部分地取代實驗。另外，計算機(jī)模擬對于理論的可以部分地取代實驗。另外，計算機(jī)模擬對于理論的發(fā)展具有重要的支撐作用，它們?yōu)楝F(xiàn)實模型和實驗室發(fā)展具有重要的支撐作用，它們?yōu)楝F(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型提供了一種行之有效的研究方中無法實現(xiàn)的探索模型提供了一種行之有效的研究方法，如材料在超高壓力和溫度條件下相變，材料在超法，如材料在超高壓力和溫度條件下相變，材料在超高速沖擊條件下的損傷與失效等，都可以借助計算機(jī)高速沖擊條件下的損傷與失效等，都可以借助計算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。模擬技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。1.2.1計算機(jī)模擬技術(shù)用于材料行為工藝研究14o將理論與實驗工作直接

11、結(jié)合起來將理論與實驗工作直接結(jié)合起來。首先是建立模型，這個模型。首先是建立模型，這個模型要有一個可靠的理論基礎(chǔ)，考慮世界的真實性?；诶碚摰哪Ｒ幸粋€可靠的理論基礎(chǔ)，考慮世界的真實性。基于理論的模型才能夠預(yù)測實驗行為，也才能夠使實驗者根據(jù)現(xiàn)代理論解釋型才能夠預(yù)測實驗行為，也才能夠使實驗者根據(jù)現(xiàn)代理論解釋實驗結(jié)果。反過來，模擬進(jìn)一步完善理論和實驗研究。也就是實驗結(jié)果。反過來，模擬進(jìn)一步完善理論和實驗研究。也就是說模擬離不開理論和實驗，它們相互影響、相互促進(jìn)。例如，說模擬離不開理論和實驗，它們相互影響、相互促進(jìn)。例如，可以通過模擬計算出一個傳統(tǒng)的加工工藝為什么會出現(xiàn)問題，可以通過模擬計算出一個傳統(tǒng)

12、的加工工藝為什么會出現(xiàn)問題，然后結(jié)合理論知識改進(jìn)工藝方案，最后通過實際生產(chǎn)來驗證改然后結(jié)合理論知識改進(jìn)工藝方案，最后通過實際生產(chǎn)來驗證改進(jìn)的模擬結(jié)果，進(jìn)一步也驗證了所用模型、理論的合理性。進(jìn)的模擬結(jié)果，進(jìn)一步也驗證了所用模型、理論的合理性。o計算模擬架起了從微觀到宏觀，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的橋梁。計算模擬架起了從微觀到宏觀，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的橋梁。小到原子分子，大到飛機(jī)航母等尺度的材料行為都能通過不同小到原子分子，大到飛機(jī)航母等尺度的材料行為都能通過不同的模擬方法進(jìn)行計算模擬。甚至隨著材料科學(xué)和計算機(jī)的發(fā)展，的模擬方法進(jìn)行計算模擬。甚至隨著材料科學(xué)和計算機(jī)的發(fā)展，能實現(xiàn)多尺度的耦合模擬，毋

13、庸置疑，這大大擴(kuò)寬了人類認(rèn)識能實現(xiàn)多尺度的耦合模擬，毋庸置疑，這大大擴(kuò)寬了人類認(rèn)識的眼界。的眼界。模擬的主要目的模擬的主要目的15典型模擬方法及所對應(yīng)的模擬尺度典型模擬方法及所對應(yīng)的模擬尺度FDM= finite difference method, FEM=finite element method 16 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分有限元模擬人腳走路受力情況有限元模擬人腳走路受力情況有限元方法17 材料行為工藝的計算模擬材料行為工藝的計算模擬是指利用計算機(jī)對真實的是指利用計算機(jī)對真實的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實驗，提供材料在某種工藝條件下的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實驗，提供材料在某種工藝條件下的行為變化規(guī)律。如對行為變化規(guī)律

14、。如對材料相變材料相變、對、對材料成型過程材料成型過程、對對材料在沖擊載荷下材料在沖擊載荷下的計算機(jī)模擬等。的計算機(jī)模擬等。 采用計算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行材料研究的采用計算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行材料研究的優(yōu)勢優(yōu)勢在于它不在于它不但能夠模擬各類實驗過程，了解材料的內(nèi)部微觀性但能夠模擬各類實驗過程，了解材料的內(nèi)部微觀性質(zhì)及其宏觀力學(xué)行為，并且在沒有實際制備加工出質(zhì)及其宏觀力學(xué)行為，并且在沒有實際制備加工出這些新材料之前就能預(yù)測它們的性能，為設(shè)計優(yōu)異這些新材料之前就能預(yù)測它們的性能，為設(shè)計優(yōu)異性能的新型材料提供強(qiáng)有力的性能的新型材料提供強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)理論指導(dǎo)，同時可避，同時可避免大量的實驗工作，提高材料研究的效

15、率，降低工免大量的實驗工作，提高材料研究的效率，降低工作強(qiáng)度，節(jié)省研究經(jīng)費。作強(qiáng)度，節(jié)省研究經(jīng)費。18 計算模擬技術(shù)已應(yīng)用于材料行為工藝研究的計算模擬技術(shù)已應(yīng)用于材料行為工藝研究的各個方面：各個方面：o 材料組織結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模擬；材料組織結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模擬；o 材料熱處理計算機(jī)模擬；材料熱處理計算機(jī)模擬；o 材料腐蝕與防護(hù)的計算模擬；材料腐蝕與防護(hù)的計算模擬；o 鑄造過程計算機(jī)模擬；鑄造過程計算機(jī)模擬；o 材料塑性成形過程計算機(jī)模擬；材料塑性成形過程計算機(jī)模擬；o 材料焊接過程計算機(jī)模擬。材料焊接過程計算機(jī)模擬。19先進(jìn)鑄造工藝計算模擬o大家對鑄造過程并不陌生，傳統(tǒng)的鑄造工藝是“睜眼造型，閉眼澆

16、注”。我們不禁要問“閉眼”操作能做好嗎？沒錯，“眼見為實”在鑄造工藝設(shè)計中非常重要，而金屬液一旦進(jìn)入模具型腔之后我們就無法看到其動態(tài)流動、溫度分布以及凝固過程。所以工程師們只能憑經(jīng)驗和想象來設(shè)計模具，這很令人頭疼，那么如何才能看到整個鑄造過程，讓其在我們面前變得“可視”，從而優(yōu)化鑄造工藝呢？o首先采用計算機(jī)模擬技術(shù)和現(xiàn)代鑄造理論，模擬鑄件充型、溫首先采用計算機(jī)模擬技術(shù)和現(xiàn)代鑄造理論，模擬鑄件充型、溫度分布和凝固過程；度分布和凝固過程； o其次用三維其次用三維X射線實時觀察和監(jiān)測澆注過程獲得初步試驗數(shù)據(jù)；射線實時觀察和監(jiān)測澆注過程獲得初步試驗數(shù)據(jù)； o最后通過實際澆鑄生產(chǎn)并與模擬、監(jiān)測結(jié)果對比，

17、確定最佳的最后通過實際澆鑄生產(chǎn)并與模擬、監(jiān)測結(jié)果對比，確定最佳的生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)工藝。 o通過這樣三步，我們就實現(xiàn)了“可視化鑄造”！20 計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬X射線實時觀察射線實時觀察實際生產(chǎn)實際生產(chǎn)21 圖中是一個大型鋼錠的充型過程模擬，其中用到專業(yè)模擬軟件圖中是一個大型鋼錠的充型過程模擬，其中用到專業(yè)模擬軟件view cast，從動，從動畫中可以清楚的看到整個鑄件充型過程。畫中可以清楚的看到整個鑄件充型過程。 22此動畫顯示了鋼錠的冷卻過程中溫度的變化過程，其中不同的顏色代表不此動畫顯示了鋼錠的冷卻過程中溫度的變化過程，其中不同的顏色代表不同的溫度，這樣溫度這一不可見的過程也將變得同的溫度，

18、這樣溫度這一不可見的過程也將變得“可視可視”。 23先進(jìn)鍛造工藝計算模擬先進(jìn)鍛造工藝計算模擬 鍛造加工的悠久歷史鍛造加工的悠久歷史 鍛造鍛造=打鐵？打鐵？No！如何加工大型巨輪中的大型曲軸曲拐呢？如何加工大型巨輪中的大型曲軸曲拐呢？24曲拐加工工藝的計算機(jī)模擬曲拐加工工藝的計算機(jī)模擬 25 工藝的模擬和工廠試制的比較工藝的模擬和工廠試制的比較 26 對一個大型壓力容器件的加工模擬過程，用計算模擬的結(jié)果來指導(dǎo)生產(chǎn)對一個大型壓力容器件的加工模擬過程，用計算模擬的結(jié)果來指導(dǎo)生產(chǎn)，已經(jīng)取得了很好的效果！，已經(jīng)取得了很好的效果！ 27其它加工過程的模擬 鉆孔鉆孔橫楔軋橫楔軋晶粒演化晶粒演化 齒輪架齒輪架

19、感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱連桿連桿 28顯微組織模擬 圖中顯示了計算機(jī)模擬的不同時刻的凝固枝晶形貌圖，不同的顏色代表不同的濃度分布。這樣顯微組織形核、生長等過程也將實現(xiàn)“可視化”！ 29三維等軸樹枝晶形貌的模擬三維等軸樹枝晶形貌的模擬 301.2.2 計算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)庫和知識庫 由于工程材料的種類繁多，而每一種材料都有其特定的成分、結(jié)構(gòu)及性能，因此所有工程材料的成分、結(jié)構(gòu)及性能就構(gòu)成了一個龐大的信息系統(tǒng)，為了便于材料工作者查詢和研究，有必要建立各種類型的材料數(shù)據(jù)庫。目前已建立了許多不同類型的材料數(shù)據(jù)庫，如中科院金屬所的材料數(shù)據(jù)庫http:/ 知識庫知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系主要

20、是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果，它是實現(xiàn)人工以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果，它是實現(xiàn)人工智能的基本條件。實際上智能的基本條件。實際上知識庫就是材料計算設(shè)計中知識庫就是材料計算設(shè)計中的一系列數(shù)理模型，用于定量計算或半定量描述的關(guān)的一系列數(shù)理模型，用于定量計算或半定量描述的關(guān)系式的總和。系式的總和。數(shù)據(jù)庫中存儲的是具體的數(shù)據(jù)值，它只數(shù)據(jù)庫中存儲的是具體的數(shù)據(jù)值，它只能進(jìn)行查詢，不能進(jìn)行推理。而知識庫中存儲的是規(guī)能進(jìn)行查詢，不能進(jìn)行推理。而知識庫中存儲的是規(guī)則、規(guī)律，通過數(shù)理模型的推理、運算，以一定的可則、規(guī)律，通過數(shù)理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需

21、的性能等數(shù)據(jù)；也可以利用知識庫進(jìn)行信度給出所需的性能等數(shù)據(jù)；也可以利用知識庫進(jìn)行成分和工藝控制參量的計算設(shè)計。利用數(shù)據(jù)庫和知識成分和工藝控制參量的計算設(shè)計。利用數(shù)據(jù)庫和知識庫可以實現(xiàn)材料性能的預(yù)測功能和設(shè)計功能，達(dá)到設(shè)庫可以實現(xiàn)材料性能的預(yù)測功能和設(shè)計功能，達(dá)到設(shè)計的雙向性。計的雙向性。33 材料設(shè)計專家系統(tǒng)材料設(shè)計專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設(shè)計中有各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設(shè)計中有關(guān)問題的關(guān)問題的計算機(jī)程序系統(tǒng)計算機(jī)程序系統(tǒng)。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下列幾個模塊：優(yōu)化模塊、集成化模

22、塊和知識模塊。現(xiàn)列幾個模塊：優(yōu)化模塊、集成化模塊和知識模塊?，F(xiàn)在逐步在發(fā)展智能專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是以模式識別和在逐步在發(fā)展智能專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。目前基于人工神經(jīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。目前基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理技術(shù)在材料科學(xué)中可到了越來越多的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的處理技術(shù)在材料科學(xué)中可到了越來越多的應(yīng)用，在處理規(guī)律不明顯、組分變量多、非線性方面的問題在處理規(guī)律不明顯、組分變量多、非線性方面的問題具有特殊的優(yōu)越性，并且也可以對建立的數(shù)學(xué)模型和具有特殊的優(yōu)越性，并且也可以對建立的數(shù)學(xué)模型和計算結(jié)果進(jìn)行驗證。計算結(jié)果進(jìn)行驗證。34 材料設(shè)計材料設(shè)計是指通過理論分析

23、與計算預(yù)報新是指通過理論分析與計算預(yù)報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者是通過理論材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者是通過理論設(shè)計來設(shè)計來“訂做訂做”具有特定性能的新材料，按具有特定性能的新材料，按生產(chǎn)要求生產(chǎn)要求“設(shè)計設(shè)計”最佳的制備和加工方法。最佳的制備和加工方法。2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代開始；年代開始；8080年代實現(xiàn)這一目標(biāo)的年代實現(xiàn)這一目標(biāo)的條件趨于成熟；計算機(jī)技術(shù)是保障、條件。條件趨于成熟；計算機(jī)技術(shù)是保障、條件。1.2.3 計算機(jī)技術(shù)用于材料設(shè)計35 材料設(shè)計一般可分為三個層次（按照設(shè)計對象和材料設(shè)計一般可分為三個層次（按照設(shè)計對象和所涉及的空間尺寸可分）：所涉及的空間尺寸可分）：微觀

24、設(shè)計層次微觀設(shè)計層次，尺度，尺度約約1nm1nm數(shù)量級，是電子、原子、分子層次的設(shè)計；數(shù)量級，是電子、原子、分子層次的設(shè)計；介觀設(shè)計層次介觀設(shè)計層次，尺度約為，尺度約為1 1mm數(shù)量級，材料被看作數(shù)量級，材料被看作是連續(xù)介質(zhì)是連續(xù)介質(zhì)、是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計；、是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計；宏觀設(shè)計宏觀設(shè)計層次層次。尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成。尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研究，是工程應(yīng)用分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研究，是工程應(yīng)用層次的設(shè)計。不同的結(jié)構(gòu)層次有不同理論和方法，層次的設(shè)計。不同的結(jié)構(gòu)層次有不同理論和方法，不同層次之間常常相互交叉、不同層次的目的、不同

25、層次之間常常相互交叉、不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同。任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同。36量子化學(xué)第一原理計算軟件o ABINITo VASPo WIN2Ko Gaussiano Material Studioo PWSCF37材料熱力學(xué)和相圖計算軟件o Thermo-Calco Pandato FactSage38有限元分析軟件 有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是來的一種現(xiàn)代計算方法。它是50年代首先年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域-飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨分析中應(yīng)用

26、的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。流體力學(xué)等連續(xù)性問題。39 有限元分析軟件目前最流行的有：有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個比較知名比較大四個比較知名比較大的公司，其中的公司，其中ADINA、ABAQUS在非線性分析在非線性分析方面有較強(qiáng)的能力目前是業(yè)內(nèi)最認(rèn)可的兩款有限元方面有較強(qiáng)的能力目前是業(yè)內(nèi)最認(rèn)可的兩款有限元分析軟件，分析軟件，ANSYS、MSC進(jìn)入中國比較早所以在進(jìn)入中國比較早所以在國內(nèi)知名度高應(yīng)用廣泛。目前在多物理場耦合方面國內(nèi)知名度高應(yīng)用廣泛。目

27、前在多物理場耦合方面幾大公司都可以做到結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合分析，幾大公司都可以做到結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合分析，但是除但是除ADINA以外其它三個必須與別的軟件搭配以外其它三個必須與別的軟件搭配進(jìn)行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的軟件只進(jìn)行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的軟件只有有ADINA。 40 ANSYS是商業(yè)化比較早的一個軟件，目前公司收購了很多其他軟是商業(yè)化比較早的一個軟件，目前公司收購了很多其他軟件在旗下。件在旗下。ABAQUS專注結(jié)構(gòu)分析目前沒有流體模塊。專注結(jié)構(gòu)分析目前沒有流體模塊。MSC是是比較老的一款軟件目前更新速度比較慢。比較老的一款軟件目前更新速度比較慢。ADINA是在

28、同一體系下是在同一體系下開發(fā)有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析的一款軟件，功能強(qiáng)大但進(jìn)入中國時開發(fā)有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析的一款軟件，功能強(qiáng)大但進(jìn)入中國時間比較晚市場還沒有完全鋪開。間比較晚市場還沒有完全鋪開。 o結(jié)構(gòu)分析能力排名：結(jié)構(gòu)分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS o流體分析能力排名：流體分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS o耦合分析能力排名：耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS o性價比排名：最好的是性價比排名：最好的是ADINA，其次，其次ABAQUS、再次、再次ANSYS、最后最后MSC41 材料加工主要包括鑄造、

29、鍛造、壓力加工、熱處理及粉材料加工主要包括鑄造、鍛造、壓力加工、熱處理及粉末冶金等，所有這些材料加工過程均可采用計算機(jī)對其末冶金等，所有這些材料加工過程均可采用計算機(jī)對其進(jìn)行自動控制。進(jìn)行自動控制。 材料加工過程計算機(jī)控制的基本原理是：根據(jù)材料加工材料加工過程計算機(jī)控制的基本原理是：根據(jù)材料加工的尺寸或性能要求向計算機(jī)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，將得到的信的尺寸或性能要求向計算機(jī)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，將得到的信息進(jìn)過息進(jìn)過A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)過程序處理，最后將處理后數(shù)字信號經(jīng)過程序處理，最后將處理后數(shù)字信號經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化器變成模變成模

30、擬信息，進(jìn)而將模擬信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備以到達(dá)擬信息，進(jìn)而將模擬信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備以到達(dá)自動控制效果。材料及加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制自動控制效果。材料及加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計算機(jī)和可編程控制器在材料加技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計算機(jī)和可編程控制器在材料加工過程中普遍應(yīng)用體現(xiàn)了這種發(fā)展趨勢。工過程中普遍應(yīng)用體現(xiàn)了這種發(fā)展趨勢。 采用計算機(jī)技術(shù)控制材料的加工過程可以大幅度提高產(chǎn)采用計算機(jī)技術(shù)控制材料的加工過程可以大幅度提高產(chǎn)品的加工精度和加工質(zhì)量，同時也可以提供加工效率，品的加工精度和加工質(zhì)量，同時也可以提供加工效率，改善工作條件。改善工作條件。1.2.4 計算機(jī)

31、技術(shù)用于材料的加工控制42溫度控制43 材料性能的測定大多使用專門的測試設(shè)備和儀表。如果使用計算機(jī)來控制整個系統(tǒng)，使其協(xié)調(diào)運行，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，通常使整個系統(tǒng)的功能得到飛躍性增強(qiáng)。計算機(jī)化的材料性能測試系統(tǒng)(CAT系統(tǒng))是提高材料研究水平的重要手段。由于計算機(jī)靈活的編程方式、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和很高的運算速度，使得CAT系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動方式不能完成的許多測試工作，提高了材料試驗研究的水平和測試精度。1.2.5計算機(jī)技術(shù)用于材料性能表征與檢測44X射線衍射儀射線衍射儀45透射電鏡透射電鏡46掃描電鏡47X射線熒光光譜儀48差熱分析儀49金相顯微鏡金相顯微鏡50拉力試驗機(jī)51沖擊試驗機(jī)52

32、虛擬儀器 虛擬儀器就是在通用計算機(jī)上加上一組軟件和或硬件，使用者在操作這臺計算機(jī)時，就象是在操作一臺他自己設(shè)計的專用電子儀器。軟件如LABVIEW等。531.2.6 計算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理 材料科學(xué)中的實驗為材料科學(xué)研究提供了大量的含有材料材料科學(xué)中的實驗為材料科學(xué)研究提供了大量的含有材料基本行為特征信息的實驗數(shù)據(jù)，如何快速精確地處理這些基本行為特征信息的實驗數(shù)據(jù)，如何快速精確地處理這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，從而得到真實客觀的材料復(fù)雜的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，從而得到真實客觀的材料行為信息，對材料科學(xué)研究而言非常重要。現(xiàn)代計算機(jī)的行為信息，對材料科學(xué)研究而言非常重要?，F(xiàn)代計算機(jī)的

33、大容量存儲特征和快速運算為存儲和處理大量的材料實驗大容量存儲特征和快速運算為存儲和處理大量的材料實驗數(shù)據(jù)提供很好的平臺。數(shù)據(jù)提供很好的平臺。 計算機(jī)對計算機(jī)對材料數(shù)據(jù)的處理材料數(shù)據(jù)的處理工作主要包括存儲、計算、繪圖、工作主要包括存儲、計算、繪圖、擬合分析及快速查詢等。擬合分析及快速查詢等。 計算機(jī)計算機(jī)圖像分析圖像分析已成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間定量已成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間定量關(guān)系的一種重要方法。其應(yīng)用涉及材料科學(xué)研究的各個方關(guān)系的一種重要方法。其應(yīng)用涉及材料科學(xué)研究的各個方面，主要包括晶粒度的測量，夾雜物的評級、相分析以及面，主要包括晶粒度的測量，夾雜物的評級、相分析以及顯微硬度、孔洞率、球化率、涂層厚度的測量等。顯微硬度、孔洞率、球化率、涂層厚度的測量等。54常用的軟件o Excelo Origino Photoshopo CorelDraw o Matlab551.2.7 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于材料科學(xué)研究 借助計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，不同區(qū)域的材料科學(xué)研究者可以相互交流，及時了解材料科學(xué)的發(fā)展動向，查閱各種科技文獻(xiàn)，共享材料研究的最新成果，迅速獲得各種相關(guān)信息。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)資源共享，材料研究工作者可以在辦公室、家里或其他任何地方，訪問查詢網(wǎng)上任何資源，極大地提高了工作效率。而且，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使原本繁瑣的文獻(xiàn)檢