材料科學(xué)在計算機中的應(yīng)用

沈陽航空航天大學(xué)SHENYANGAEROSPACEUNIVERSITY學(xué) 院：材料科學(xué)與工程專 業(yè)：金屬材料工程姓 名：張博班 級：84110101學(xué) 號：2008041101026計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用摘要介紹計算機技術(shù)在材料科學(xué)研究中應(yīng)用領(lǐng)域。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。借助于計算機可推動材料研究、開發(fā)與應(yīng)用。計算機的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞計算機技術(shù)材料科學(xué)應(yīng)用材料科學(xué)是一門實驗科學(xué)，實驗是制備新材料和測定其結(jié)構(gòu)和性能的直接手段。而由于計算機技術(shù)、計算理論的迅速發(fā)展，許多更加復(fù)雜、大型的計算成為可能，使得在材料研究領(lǐng)域.采用計算方法來研究材料的結(jié)構(gòu)和性能，并指導(dǎo)實驗研究成為一種新的研究方向。計算機模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括材料液態(tài)成形、塑性成形、連接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、復(fù)合材料成形等各種材料成形工藝領(lǐng)域。計算機模擬技術(shù)在材料成形加工中的應(yīng)用，使材料成形工藝從定性描述走向定量預(yù)測，為材料的加工及新工藝的研制提供理論基礎(chǔ)和優(yōu)選方案,從傳統(tǒng)的經(jīng)驗試錯法，推進到以知識為基礎(chǔ)的計算試驗輔助階段,對于實現(xiàn)批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好的未來制造模式具有重要的意義。計算機模擬是未來材料成形制備工藝的必由之路，其發(fā)展趨勢是多尺度模擬及集成。一.計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域1計算機用于新材料的設(shè)計材料設(shè)計是指通過理論與計算預(yù)報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論與設(shè)計來“訂做”具有特定性能的新材料，按生產(chǎn)要求設(shè)計最佳的制備和加工方法。材料設(shè)計按照設(shè)計對象和所涉及的空問尺寸可分為電子層次、原子/分子層次的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和顯微結(jié)構(gòu)層次材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計。材料設(shè)計主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，將物理、化學(xué)理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來，用歸納和演繹相結(jié)合的方式對新材料的研制作出決策，為材料設(shè)計的實施提供行之有效的技術(shù)和方法。2材料科學(xué)研究中的計算機模擬利用計算機對真實系統(tǒng)模擬實驗、提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料研究，是材料設(shè)計的有效方法之一。材料設(shè)計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能制備和使用等。計算機模擬是一種根據(jù)實際體系在計算機上進行的模擬實驗。通過將模擬結(jié)果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進行比較，可以檢驗?zāi)Ｐ偷臏蚀_性，也可以檢驗出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否成功，還可為現(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型做詳細的預(yù)測并提供方法。3材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制材料加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛速發(fā)展，微機和可編程控制器（PLC）在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種發(fā)展和趨勢。在材料加工過程中利用計算機技術(shù)不僅能減輕勞動強度，更能改善產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，提高產(chǎn)量。用計算機可以對材料加工工藝過程進行優(yōu)化控制。例如在計算機對工藝過程的數(shù)學(xué)模型進行模擬的基礎(chǔ)上，可以用計算機對滲碳滲氮全過程進行控制。在材料的制備中，可以對過程進行精確的控制，例如材料表面處理（熱處理）中的爐溫控制等。計算機技術(shù)和微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設(shè)備、檢測手段的準確性和精確度等大大提高?？刂萍夹g(shù)也由最初的簡單順序控制發(fā)展到數(shù)學(xué)模型在線控制和統(tǒng)計過程控制，由分散的個別控制發(fā)展到計算機綜合管理與控制，控制水平提高，可靠性得到充分保證。4計算機用于數(shù)據(jù)和圖像處理材料科學(xué)研究在實驗中可以獲得大量的實驗數(shù)據(jù)，借助計算機的存儲設(shè)備，可以大量保存數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理（計算、繪圖，擬合分析）和快速查詢等。材料的性能與其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系，其研究手段之一就是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，這些技術(shù)以二維圖像方式表述材料的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。利用計算機圖像處理和分析功能就可以研究材料的結(jié)構(gòu)，從圖像中獲取有用的結(jié)構(gòu)信息，如晶體的大小，分布，聚集方式等，并將這些信息和材料性能建立相應(yīng)的聯(lián)系，用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究。二計算機的具體應(yīng)用液態(tài)金屬充型過程的計算機數(shù)值模擬金屬液充型過程數(shù)值模擬的研究中多數(shù)采用SO-LA-VOF(SolutionAlgorithm)法為基礎(chǔ)，引入體積函數(shù)處理自由表面，并在傳熱計算和流量修正等方面進行研究改進。有的研究在對層流模型進行大量試驗驗證之后，用K-已雙方程模型模擬充型過程的紊流現(xiàn)象［。到目前為止，雖然已研究了許多算法，如:并行算法、三維有限單元法、三維有限差分法、數(shù)值方法與解析方法混合的算法等，但尚沒有最好的算法，各種算法各有優(yōu)劣，應(yīng)用的側(cè)重點不同。凝固過程的數(shù)值模擬通過鑄件凝固過程數(shù)值模擬的計算，確定鑄件內(nèi)溫度場,可以畫出鑄件在任意斷面上的等溫線分布,凝固前沿進程，以及等時線分布，或者以動態(tài)的方式顯示鑄件在三維方向上的凝固進程，以確定最后凝固的部位和分析產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的位置和大小［。目前,縮孔、縮松定量預(yù)測的方法已經(jīng)在鑄造廠得以應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟效益。應(yīng)力場的數(shù)值模擬凝固成形過程應(yīng)力場的模擬計算能夠幫助預(yù)測和分析鑄件的裂紋、變形及殘余應(yīng)力，為控制由應(yīng)力應(yīng)變造成的缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、提高鑄件尺寸精度及穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。凝固組織形成過程的數(shù)值模擬凝固過程組織數(shù)值模擬的主要模型有蒙特卡洛模型(MonteCarlo)、相場模型和基于界面穩(wěn)定性理論的晶體生長模型。蒙特卡洛模型缺少物理背景,不能定量地分析各種物理因素和工藝因素對凝固組織的影響,當前使用較少;相場模型能清晰地模擬出枝品生長、粗化過程，模擬出凝固組織的細節(jié),但相場模型需要較大的計算機內(nèi)存、較快的計算速度。三其他應(yīng)用計算機模擬技術(shù)在腐蝕與防護領(lǐng)域的應(yīng)用在腐蝕與防護中主要應(yīng)用于電流密度分布、電場強度分析、電導(dǎo)率等方面,正確地反映了腐蝕過程中的變化特征，向著精確預(yù)測和嚴格定量方向發(fā)展，對大氣腐蝕、海洋工程等預(yù)測和控制起到重大作用。采用有限元分析法、有限差分法、邊界元法三種方法求解Laplace方程(電化學(xué)電池中的控制電位分布等式)，已經(jīng)得到證實。通過計算機模擬技術(shù)可以把此方程應(yīng)用到各種復(fù)雜變化條件中進行求解。這樣可測量電位分布圖，觀察到隨時間變化的極化性質(zhì)，也可用泊松方程計算電化學(xué)作用中的性質(zhì)，如電場強度、電流密度、電位等,用來確定陰極保護參數(shù)和腐蝕速率的預(yù)測估計［。計算機模擬技術(shù)也比較適用于局部腐蝕電池，腐蝕形狀用元素網(wǎng)絡(luò)模擬，這種模擬已用于電偶腐蝕和濃度電池，腐蝕電池的模擬已進一步推廣應(yīng)用到預(yù)測核廢料密封罐的長期腐蝕速率。在腐蝕領(lǐng)域中模擬技術(shù)不僅限于應(yīng)用數(shù)字模型，還探討了合金的腐蝕和鈍化,電位-FH圖同樣可用計算機模擬，幫助預(yù)測腐蝕是否發(fā)生。A.Borell等以貧洛理論為基礎(chǔ)的計算機模型模擬了晶間腐蝕，描述了TTS圖。計算機模擬技術(shù)也用于陽極電阻公式的計算、陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計、及應(yīng)力腐蝕斷裂行為的分析等方面。計算機模擬技術(shù)已成為腐蝕與防護研究中的一個強有力的工具，借助模擬技術(shù)，人們已實現(xiàn)了設(shè)計、控制等功能。材料檢測方面的應(yīng)用計算機在材料檢測中的應(yīng)用目前主要集中于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與物相、物理性能的檢測，以及機械零部件的無損檢測等方面其基本方法是借助于某種探測器內(nèi)各探測到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C里，然后通過程序員編制的相關(guān)程序?qū)@些數(shù)字信號判斷、處理后得到相應(yīng)結(jié)果。譬如，能譜分析儀、X射線儀、超聲波無損檢測儀及萬能材料實驗機等的計算機處理系統(tǒng)等就是這方面應(yīng)用的成功事例。今后計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用會日益廣泛深入，作為材料工作者，應(yīng)充分利用這一現(xiàn)代化工具來推動材料科學(xué)的發(fā)展。金屬粉末注射成形過程的計算機模擬基于連續(xù)介質(zhì)理論，應(yīng)用有限元軟件ANSYS的FLOTRAN流體分析模塊，對金屬粉末注射成形過程進行了模擬分析，揭示了金屬粉末注射成形時喂料流動填充型腔的速度、壓力與注射時間的關(guān)系;得到了注射壓力對充填時間和型腔壓力的影響規(guī)律，確定了最佳的充模時間；分析了不同澆口位置注射時注射件關(guān)鍵單元的流動速度和壓力分布，預(yù)測了注射件的成形質(zhì)量，提出了防止注射件缺陷產(chǎn)生的措施。1新材料新臺金的設(shè)計與開發(fā)，長期以來采用的是配方方法。它的基本原理是，從已有的大量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗事實出發(fā)，利用現(xiàn)有的各種不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)學(xué)模型，如臺金的成竹、組織、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)數(shù)據(jù)理論.如固體與分子經(jīng)驗電子理論.量子理論等，通過計算機運算對比、推理思維來完成優(yōu)選額臺金、額村料的設(shè)計過程。2材料加工的自動化控制材料加工是指制造材料的各種手段以及處理過程?；驹硎?根據(jù)材料加工尺寸或性能要求向計算機輸入豐H關(guān)數(shù)據(jù)，有時也需利用某種傳感器探測相應(yīng)信息t將得到的信息經(jīng)過模，數(shù)CA/D1轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計算機.計算機經(jīng)過自己的程序處理.最后將處理后的數(shù)字信號再經(jīng)數(shù)/橫(D/A/n)換器變成譙擬信息.進而將模擬信息傳輸?shù)狡湎鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備以達到3自動控制效果。材料研究科學(xué)中的數(shù)據(jù)處理。計算機快速準確的計算功能正好滿足了這些條件和要求，不僅準確度明顯提高.且運算時間僅需幾秒鐘。4材料行為工藝的計算機模擬計算機模擬技術(shù)是利用計算機的計算推理和作圖功能.根據(jù)事物的客觀環(huán)境條什及本身性質(zhì)規(guī)律.仿照實際情況米推測預(yù)報可能出現(xiàn)情況的一九技術(shù)。5材料檢測方面的應(yīng)用計算機在材料檢測中的應(yīng)用目前主要集中于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與物相、物理性能的檢測以及機械零部件的無損檢測等方面。其基本方法是借助于某種探測器.將探測到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C里然后通過程序員編制的相關(guān)程序?qū)@些數(shù)字信號判斷、處理后得到相應(yīng)結(jié)果。四總結(jié)將來，計算機在材料方面將會有更大的應(yīng)用，不僅僅是現(xiàn)在這些應(yīng)用，社會隨著時間的發(fā)展還會產(chǎn)生更多的應(yīng)用，我們將在不斷的努力研究出更得更方便的實用東西，計算機在材料方面材會有更多的進步。材料科學(xué)是多學(xué)科交又的新興的發(fā)展不成熟的學(xué)科，目前對它的研究很大程度上還依賴于事實和經(jīng)驗的積累，系統(tǒng)地研究還需一個很長的過程。計算機作為一種現(xiàn)代工具，在當今世界的各個領(lǐng)域日益發(fā)揮巨大的作用，它己滲透到各門學(xué)科領(lǐng)域以及日常生活中成為現(xiàn)代化的標志。在材料領(lǐng)域,計算機也正在逐漸成為極其重要的工具，計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用正是材料科學(xué)飛速發(fā)展的重要原因之一。參考文獻1陳世柱快速原型技術(shù)及其在復(fù)合材料成形方面的應(yīng)用.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程系，湖南長沙.20022李偉.計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用.湖北財稅職業(yè)學(xué)院信息工程系，武漢20073黃萬.計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用.包頭鋼鐵設(shè)計研究總院.20054胡紅軍楊明波〃計算機在材料科學(xué)中應(yīng)用〃課程教學(xué)設(shè)計.重慶工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,20075周靜顧少軒趙志宏“計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計.武漢理工大學(xué)20016曾令可王慧稅安澤劉平安全國統(tǒng)編教材〃計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用〃編寫指導(dǎo)思想及特點.20087柳百成.21世紀的材料成形加工技術(shù)[J].航空工藝技術(shù)，2003,(6):17?698李殿中，張玉妥，劉實等.材料制備工藝的計算機模擬[J].金屬學(xué)報，2001,37(5):449?4529李晨曦，李革.凝固組織計算機模擬技術(shù)評述[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001,23(5):372?375Estrin.ADeeperlookatcastingsimulationsoftwaresur2vey[J].ModernCasting,1999,89(5):47?51ZHANGYang,ZHANGLian-hong,LIShuangyi.SheetMetalFormingSimulationandItsApplicationinStampingProcessofAutomobilePanels[J].TransationsofTianjinUniversity,2002,18(4):269?272目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章 計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域 11計算機用于新材料的設(shè)計 12材料科學(xué)研究中的計算機模擬 13材料與工藝過程的