材料科學(xué)中的信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ) 課件 第16講 軟件的功能、主要理論

計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用第16講理論知識(shí)總結(jié)軟件的功能主要理論Excel：計(jì)算，參數(shù)估計(jì)，規(guī)劃求解。Origin：數(shù)據(jù)處理，繪圖。1.軟件的功能1.軟件的功能ANSYS：采用有限元法對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行仿真模擬，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析、電磁分析和多場(chǎng)耦合分析。Thermal-calc：相圖繪制，相變熱力學(xué)計(jì)算，相變動(dòng)力學(xué)計(jì)算。1.軟件的功能VS晶體結(jié)構(gòu)建模晶體結(jié)構(gòu)建模+材料性能設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算，繪圖VS文獻(xiàn)管理軟件對(duì)知網(wǎng)友好對(duì)英文數(shù)據(jù)庫友好物相檢索，圖譜擬合，結(jié)構(gòu)精修2.理論知識(shí)1.最小二乘法原理數(shù)據(jù)擬合的基本原理曲線擬合直線化一元線性回歸使得：=min尋求規(guī)律：一元線性回歸

其中：曲線擬合直線化2.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)常見的正交表直觀分析法分析正交試驗(yàn)結(jié)果3.數(shù)據(jù)庫

材料科學(xué)中常見的數(shù)據(jù)庫舉例VESTA數(shù)據(jù)庫：cif卡片：晶胞參數(shù)，空間群，分?jǐn)?shù)坐標(biāo)Jade數(shù)據(jù)庫：PDF卡片：衍射峰，晶胞參數(shù)4.專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念6.常見的材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析軟件基于Rietveld法的結(jié)構(gòu)精修軟件Jade、GSAS、FullProf、TOPAS、HighScorePlusThermo-calc相圖計(jì)算和熱力學(xué)分析XPS分析軟件Avantage、XPSPeakFit、CasaXPSMaterialsStudio結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件5.Jade進(jìn)行物相檢索的原則（1）任何一種物相都有其特征的衍射譜;（2）任何兩種物相的衍射譜不可能完全相同;（3）多相樣品的衍射峰是各物相的簡(jiǎn)單疊加。7.數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)模型：

對(duì)于一個(gè)真實(shí)過程，為了一個(gè)特定目的，

根據(jù)其內(nèi)在規(guī)律，作出必要的簡(jiǎn)化假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。建模的四種方法：1.理論分析法2.數(shù)值模擬法3.類比分析法4.數(shù)據(jù)分析法

8.數(shù)值求解有限差分法VS有限元法有限差分法（FDM）：直觀，理論成熟，精度可選。但是不規(guī)則區(qū)域處理繁瑣，雖然網(wǎng)格生成可以使FDM應(yīng)用于不規(guī)則區(qū)域，但是對(duì)區(qū)域的連續(xù)性等要求較嚴(yán)。使用FDM的好處在于易于編程，易于并行。

有限元方法（FEM）：適合處理復(fù)雜區(qū)域，精度可選。缺憾在于內(nèi)存和計(jì)算量巨大。并行不如FDM直觀，F(xiàn)EM的并行計(jì)算是當(dāng)前和將來應(yīng)用的一個(gè)不錯(cuò)的方向。兩種方法：1）有限差分法（FDM）2）有限元法（FEM）FDM：以有限差分代替無限微分、以差分代數(shù)方程代替微分方程、以數(shù)值計(jì)算代替數(shù)學(xué)推導(dǎo)的過程，從而將連續(xù)函數(shù)離散化，以有限的、離散的數(shù)值代替連續(xù)的函數(shù)分布。FEM：是一種離散化的數(shù)值方法，將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。對(duì)每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面上（內(nèi)部邊界）以及子域與外界分界面（外部界面）上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程組組合起來，就得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程。9.材料科學(xué)中典型的物理場(chǎng)（1）溫度場(chǎng)：導(dǎo)熱微分方程：傅里葉定律+能量守恒方程（2）應(yīng)力場(chǎng)：平衡方程+幾何方程+物理方程10.材料加工中的模擬軟件（1