计算机在材料学中的应用-第五章
计算机技术在材料科学中的应用
计算机技术在材料科学中的应用随着科技的快速发展，计算机技术在各领域中得到了广泛应用，材料科学也不例外。
计算机技术在材料科学中的应用，主要体现在以下几个方面：材料模拟、结构设计、材料制备、性能评估和数据分析等。
一、材料模拟材料模拟是应用计算机技术模拟材料结构和性质的一种方法。
它是一种快速了解材料的结构和性能的方式，通过计算模拟的结果，可以为材料制备和性能评估提供重要的参考依据。
材料模拟方法可以分为基于量子力学和分子力学的两大类。
其中，基于量子力学的方法计算精度较高，适用于材料内部原子结构细节的模拟，而基于分子力学的方法计算速度较快，适用于材料宏观性能的预测。
二、结构设计在材料设计方面，计算机技术已成为主流手段。
材料的结构设计包括对各种材料进行理论分析，通过计算机对材料进行优化设计，以达到提高材料性能的目的。
计算机通过建立复杂的多参数调节模型，对材料进行虚拟设计和计算分析，优化各项性能指标，使得材料上市前就达到了最优性能指标，这大大缩短了材料从实验室研发到商业化的时间。
三、材料制备材料制备是指利用不同的制备方法来获得具有特定结构和性质的材料。
计算机技术在材料制备中起到了重要的作用，可以通过控制材料的结构和形态，来实现制备出具有特定性质的材料。
例如，通过分子动力学模拟，可以模拟材料的制备过程，从而根据需要来优化材料的制备条件。
四、性能评估在材料性能评估方面，计算技术已成为一种不可替代的方法。
通过计算机对材料的性质进行模拟和预测，不仅可节省研发成本，缩短研发周期，而且还在一定程度上避免了不必要的实验过程的造成的材料浪费，是一种可持续发展的研发方式。
材料性能评估包括材料的力学性能、物理性能、化学性能、电学性能、热性能等各项性能指标的评估。
五、数据分析计算机技术在材料科学中还有一个重要领域，即数据分析。
材料科学是一个需要收集、分析大量数据的领域。
计算机技术的进步，不仅可以帮助研究人员快速处理数据量大的实验结果，而且还可以通过机器学习等技术来挖掘更多的信息，快速发现材料之间的关系，为材料设计和性能预测提供更为精准的数据支持。
计算机在材料科学与工程中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用嘿，大家好，今天咱们聊聊计算机在材料科学与工程中的应用。
听起来有点高大上对吧？但别担心，我们把它讲得简单明了，轻松愉快！想象一下，材料科学就像一位魔法师，能把普通的东西变得超厉害。
而计算机就像是这位魔法师的小助手，帮他把各种奇妙的想法变成现实。
你看看，咱们身边的材料，有些是轻如羽毛，有些则坚不可摧，背后可都离不开计算机的功劳。
大家一定在想，材料科学到底是干嘛的？它就是研究各种材料的性质、结构和应用。
像咱们平常用的金属、塑料、陶瓷，还有那些新型材料，都是这门学科的“好朋友”。
而计算机的加入，那真是如虎添翼。
计算机模拟技术可以让科学家们在虚拟环境中试验不同的材料组合，省去不少时间和资源。
想象一下，以前得在实验室里弄一大堆材料，花时间做测试，现在只需在电脑前点几下，嘿，一切都可以在屏幕上完成，真是省心又高效！有趣的是，计算机不仅能帮咱们设计材料，还能预测它们的性能。
你可以把它想象成一个高明的算命师，能告诉你这块材料会不会在压力下变形，或者在高温下会不会融化。
这样一来，工程师们就能做出更靠谱的选择，避免那些“踩雷”的情况。
比如说，想象一下，如果没有计算机的帮助，咱们的手机可能会因为材料不耐高温而炸掉，那可真是惨了！可别小看这技术，有时能救命呢。
计算机的算法越来越聪明，能分析的数据量也越来越大。
这就像你打麻将时，能算出哪张牌是最好的选择，给你指路。
通过分析大量的实验数据，计算机可以识别出材料的潜在优缺点，帮助研究人员快速找到最佳方案。
更重要的是，咱们现在的材料设计不再是“一锤子买卖”，而是变得更加灵活多样。
比如，某种合金在某种条件下表现出色，但在另一些条件下可能就不行。
这时候，计算机可以提供实时反馈，帮助科学家调整实验方向，真是聪明得不得了！说到这里，咱们再来聊聊那一堆新材料。
近年来，碳纳米管、石墨烯等材料的崛起可谓是一场材料革命。
听说过这些名字吗？那可是未来的希望，轻便、强度高，应用前景无限。
计算机在材料科学中的应用
模型一1、模型的建立圆柱形钢锭是工业生产中十分常见的一种产品，对圆柱形钢锭进行热处理时，对于有限长的钢锭试样，只有径向和Z 轴方向传热，不考虑环向传热。
可用二维维有限长模型来模拟圆柱形钢锭的热处理温度场。
在这个模型中采用以下几点假设： 1）材料的热物性参数不随温度变化。
2）不考虑相变潜热。
3）考虑工件的辐射与空气对流换热。
4）材料各向同性。
5）圆柱型钢锭为二维有限大物体。
2、热传导方程 根据工件的形状，如图1.1所示，采用柱坐标系， 这样材料内部的热传导方程为：Q zTz r T r r r t T C p+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂)()(1λλρ 式中：ρ为密度,C p 为比热, λ为热传导率，T 为温度,Q 为热生成速率,t 为时间。
3、边界条件： 外表面： )(a k T T h n T-=∂∂-λ 对称面： 0=∂∂-nTλ式中，T 是工件表面的温度，Ta 是淬火介质温度。
n 是其它表面的外法线方向。
h k 为淬火介质的对流换热系数。
材料的热物性参数，比热C p ，热传导系数λ和密度ρ均不随温度变化。
4、初始条件：初始时刻工件整体温度分布均匀。
T|t=0=T 0，T 0为一常数，取淬火加热温度，对35CrMo 钢，取860℃。
5、有限差分方程利用有限差分法求解空间各网格的温度表达式，此处采用显式差分法。
取圆柱体钢锭的一个四分之一截面进行计算，首先对截面进行时间和空间的离散，r 方向节点数为N1，z 方向节点数为N2。
r 方向的步长为r ∆，z 方向的步长为z ∆，时间步长为t ∆（1）内部节点的方程21,,1,,1,12,1,,1,1,)(221)(2z T T T r T T r r T T T t T T c nj i n j i n j i n j i n j i n ji n j i n j i n j i n j i p ∆+-+∆-+∆+-=∆--+-+-++λρ（2）左边界节点21,,1,2,,1,1,24z T T T r T T t T T C n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i p ∆+-+∆-⨯=∆--+++λρ（3）右边界节点21,,1,,22,,1,1,2)()4(8448z T T T T T r r R hR r T T r R r R t T T C n j i n j i n j i nj i f n j i n j i n j i n j i p ∆+-+-∆-∆+∆-∆-∆-=∆--+-+λλρ （4）下边界节点2,1,2,,12,,1,1,22222z T T r T T r r r r T T r r r t T T C n ji n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i p ∆-⨯+∆-∆++∆-∆-=∆-++-+λρ （5）上边界节点)(222222,2,1,2,,12,,1,1,nj i f nj i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i p T T zh z T T r T T r r r r T T r r r t T T C -∆+∆-⨯+∆-∆++∆-∆-=∆--+-+λλρ （6）左下角节点2,1,2,,1,1,24z T T r T T t T T C nj i n j i n j i n j i n ji n j i P ∆-⨯+∆-⨯=∆-+++λρ（7）左上角节点)(224,2,1,2,,1,1,nj i f nj i n j i n j i n j i n j i n j i P T T z h zT T r T T t T T C -∆+∆-⨯+∆-⨯=∆--++λλρ （8）右下角节点)()4(84282,22,,12,1,,1,nj i f n j i n j i n j i n j i n j i n j i p T T r r R hR r T T r R r R z T T t T T C -∆-∆+∆-∆-∆-+∆-⨯=∆--++λλρ（9）右上角节点)()4(8448)(22,22,,1,2,1,,1,nji f n j i n j i n j i f n j i n j i n j i n j i p T T r r R hR r T T r R r R T T z h z T T t T T C -∆-∆+∆-∆-∆-+-∆+∆-⨯=∆---+λλλρ利用上面所推到的有限差分方程，再编程计算即可得出圆柱体钢锭热处理过程中的温度场。
计算机在材料科学中的应用
第一章正交试验设计与数学建模试验因素：直接影响试验结果而需要进行考察的不同原因。
试验因素可以理解为试验中的自变量，比如材料学试验中的温度、压力、催化剂状况等；因素的水平：水平是指各因素在试验中要比较的具体状况和取值。
水平可以理解为因素在试验方案中的几种变化状态，比如某个试验的温度因素可以取：100K、200K、300K等。
正交试验设计：利用规格化的正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能最优秀的试验方案的一种数学方法。
我国普遍使用的正交表：田口型正交表、我国自行设计的正交表。
L N(q s) L:正交表代号N:正交表的行数需要做的试验次数s正交表的列数最多可安排的因素数q各因素的水平数正交表的特点（正交实验设计的基本原则）①正交表中任意一列中，不同的数字出现的次数相等；②正交表中任意两列，把同行的两个数字看成有序数对时，所有可能的数对出现的次数相同正交设计的优点：它能在每个因素都变化的情况下清楚地分出每个因素对指标的影响的大小，给出每个指标的平均值。
正交表是利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理交互作用：是指诸因素各水平的搭配之间，不同的联合作用对实验结果的影响同水平正交表是各因素水平相等的表格，混合水平正交表是指诸因素的水平数不全相等的正交表正交实验设计的基本步骤:（1）明确试验目的、确定考核指标；（2）选定因素（包括交互作用）、确定水平；（3）选择合适的正交表；（4）用正交表安排试验；（5）试验结果分析。
多指标试验设计的分析方法1.综合评分法2.综合平衡法综合评分法和综合平衡法的比较:1)综合评分法和综合平衡法获得的结论一般是一致的.2)综合评分法在实际应用中较多被采用.因为其计算简单并且有固定的评分标准.综合平衡法：分别将各个指标按单指标进行计算分析，再将各指标的分析结果进行综合平衡，以得到“最优”试验方案。
综合评分法：将多个指标化为一个评分指标来进行直观分析的方法。
计算机在材料科学中的应用
内容来自：文档资料库计算机在材料科学中的应用1 材料：是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和进步的里程碑。
材料：世纪下半叶形成的以新材料技术为基础： 20 世纪下半叶形成的以新材料技术为基础：信息技术、新能源技术、生物工程技术、空间技术、海洋开发技术的新技术群，更使材料科学得到发展。
2 20 世纪 60 年代，被称为当代文明的三大支柱：A 材料；B 能源；C 信息。
当代文明的三大支柱：当代文明的三大支柱3 70 年代新技术革命的主要标志指：A 新型材料；B 信息技术；C 生物技术。
年代新技术革命的主要标志指主要标志指：4 材料的分类：根据组成与结构：A 金属材料；B 无机非金属材料；C 有机高分子材料；D 复合材料。
材料的分类：组成与结构组成与结构：根据性能特征和作用：A 结构材料；B 功能材料。
根据性能特征和作用根据用途用途：A 建筑材料；B 能源材料；C 电子材料；D 耐火材料；E 医用材料；F 耐蚀材料。
用途5 材料的性质材料的性质：是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，而这些性质终于要取决于材料的组成与结构。
材料科学材料科学与工程是研究：与工程是研究：材料组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间相互关系的科学。
6 使用性能：是材料在使用状态下表现出来的行为。
使用性能7 材料的合成与制备过程的内容：A 传统的冶炼、制粉、压力加工和焊接；B 也包括各种新发展的真空溅射、气相沉积材料的合成与制备过程的内容：等新工艺。
8 材料科学飞速发展的重要原因之一：材料科学随着各种技术的更新而出现了高速发展的趋势，计算机在材料科学中重要原因之一：重要原因之一的应用正是材料科学飞速发展的重要原因之一。
9 计算机在材料科学中的应用：A 计算机用与新材料的设计；B 材料科学研究中的计算机模拟；C 材料工艺过程的优化计算机在材料科学中的应用：及自动控制；D 计算机用于数据和图像处理；E 计算机网络在材料研究中的应用。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用1.简述建立数学模型的基本步骤。
常用的数学模型建立有几种方法。
（危雄锋）答：建立数学模型的基本步骤：（1）建模准备。
（2）建模假设。
（3）构造模型。
（4）模型求解。
（5）模型分析。
（6）模型检验。
（7）模型应用。
常用的数学建模方法：（1）理论分析法。
（2）模拟方法。
（3）类比分析法。
（4）数据分析法。
2.请简述差分法的数学思想和解题目步骤。
（郭灿锋）答：差分法的数学思想：将求解域划分为差分网络，用有限网格节点代替连续的求解域。
有限差分法通过Taylor技术展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行疏散，从而建立以网格节点上的值为未知数的方程组。
有限差分法的主要解题步骤：（1）建立微分方程。
（2）构建差分格式。
（3）求解差分方程。
（4）精度分析和检验。
3.请简述有限元法的数学思想和解题目步骤。
（张巧灵）答：有限元法的数学思想：把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，运用变分原理和加权余量法等数学基础解得节点值，进而得到整个集合体的场函数。
有限元法的解题步骤:（1）建立求解域并将其离散化为有限单元。
（2）假设代表单元解的近似连续函数。
（3）建立单元方程。
（4）构造单元整体刚度矩阵。
（5）施加边界条件，初始条件和荷载。
（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果及其他重要信息。
4.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。
简述蒙特卡洛法的基本步骤。
答：用特卡洛法可以解决一些具体问题，如研究高能离子在材料中的输运、晶粒生长过程、薄膜材料的外延生长、气象沉积、复合材料的失效破坏等。
蒙特卡洛法的基本步骤：（1）构建概率模型。
（2）随机抽样。
（3）估计统计量。
5.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。
（杨英）答：Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；求解模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图形，图表，曲线形式显示或输出。
(完整版)计算机在材料科学与工程中的应用-完整版20130918
第二章 实验数据处理
• 一、利用Microsoft Excel进行数据处理 • 二、利用Origin进行数据处理 • 三、实验曲线的数据拟合
一、 利用Microsoft Excel进行数据处理
要点： 1. 从文本文档中导入数据 2. 电子表格的显示调整（最合适行高、
材料设计专家系统
设计要求 性能指标
数据库：存储具体有关材料的数据值， 只能进行查询而不能推理。
知识库：存储的是规则，当从数据库 中查询不到相应的性能值时，能通过 推理机构以一定的可信度给出性能的 估算值，从而实现性能的预测功能。
材料数据库 集
智能化 YES
优化结果
成
化
机器
材料知识库
知识获取
学习
推理机
快、好、省的研究方法。
用于材料工艺过程的优化及自动控制
在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度， 而且能改善产品的质量和精度，提高产量。
利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制， 例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制， 也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。
计算机技术、微电子技术和自动控制技术相结合， 使工艺设备、检测手段的准确性和精确度等都获得了 大幅提高。
用于材料组成和微观结构的表征
目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大 型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描 探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光 谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、 荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外 的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些 分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的 数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了 数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用材料科学作为一门跨学科的科学，涉及物质的结构、性能和制备等方面，其发展对于人类社会的发展起着至关重要的作用。
随着计算机技术的不断发展，计算机在材料科学中的应用也日益广泛。
本文将就计算机在材料科学中的应用进行探讨。
首先，计算机在材料模拟方面发挥着重要作用。
材料的性能往往与其微观结构密切相关，而材料的微观结构又往往十分复杂，难以直接观测和理解。
通过计算机模拟，可以对材料的微观结构进行精确的建模和仿真，从而揭示材料的性能与结构之间的内在联系。
这种基于计算机的模拟方法，为材料科学的研究提供了全新的思路和手段。
其次，计算机在材料设计方面也发挥着重要作用。
传统的材料设计往往是基于试验和经验进行的，这种方法存在着成本高、周期长、效率低等问题。
而借助计算机的强大计算能力和智能算法，可以对材料的组成、结构和性能进行精确的计算和预测，从而加快材料设计的速度，降低材料研发的成本，提高材料的性能。
另外，计算机在材料制备方面也发挥着越来越重要的作用。
现代材料制备往往涉及复杂的工艺和工程问题，而计算机辅助制造（CAM）技术的发展，使得材料的制备过程变得更加精确、高效和可控。
通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，可以实现对材料制备过程的精确控制和优化，从而提高材料制备的质量和效率。
最后，计算机在材料性能评价和预测方面也发挥着重要作用。
材料的性能评价往往需要进行大量的试验和测试工作，这不仅成本高昂，而且耗时耗力。
而通过计算机的数据处理和分析能力，可以对材料的性能进行快速、准确的评价和预测，为材料的选择和应用提供科学依据。
总之，计算机在材料科学中的应用，不仅为材料科学的研究提供了新的思路和手段，而且为材料的设计、制备、评价和预测等方面带来了革命性的变革。
随着计算机技术的不断发展和进步，相信计算机在材料科学中的应用将会发挥越来越重要的作用，推动材料科学的发展迈上一个新的台阶。
材料工程中的计算机应用技术
计算机
图象处理的计算机硬件系统
USB硬盘 刻录机 打印机
一、主机 二、图象输入设备
1. 数码相机 2. 扫描仪 3. 数字专用设备（例：数字式显微镜）
三、图像输出及存储设备
常用的存储设备： 1. 大容量磁盘（驱动器） 2. 刻录光盘（驱动器） 3. 活动硬盘 4. 闪存类存储器
位图图像和矢量图形的基本概念
际上是由“反相”、“色调分离”、“亮度／ 对比度”等多个命令组成的。因此，该命令功 能十分强大，可以进行较有弹性的调整。
“曲线”命令：
首先打开一幅图片；
执行“图像\调整\曲线” 命 令 或 按 下 “ Ctrl ＋ M” 组合键打开“曲线”对 话框。
PhotoShop包含了丰富的图片处理功能，
还可以对图片进行旋转、翻转、裁减、缩放
用鼠标调整
十一、创建图表
步骤 ：
选择要制成图表的数据 单击常用工具栏中的ChartWizard按钮 这时会弹出一个“ChartWizard”对话框 按照“图表向导”中的指导进行操作
第六部分 材料工程中的计算机图象处理
图象处理的计算机硬件系统
数码相机
扫描仪 网络资源
各种数字式 专用设备
输入
输出及存储
颜色模式
RGB模式
灰度模式 位图模式
注意4点：
1. 灰度模式的图像可以直接转换成黑白图像
和RGB的彩色图像，同样黑白图像和彩色图
像也可以直接转换成灰度图像；
2. 当要将一幅彩色图像转换成黑白图像时，必
须先将该图像转换成灰度模式的图像，然后 再将它转换成只有黑白两色的图像，即位图
模式的图像；
3. 当一幅灰度图像转换成黑白图像后，若再转
4．删除工作表
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用1.材料加工过程中计算机测试与控制系统的一般组成及其相互关系一般组成：计算机、I/O 接口、D/A 转换器、输出信号放大器、执行机构、传感器、输入信号放大器、A/D 转换器。
相互关系：一般地，生产过程中将被测试和控制的信号，首先通过传感器采集参数，并将这些非电物理量转换成电信号；再将信号放大，满足模数转换器的要求，放大后把电信号传递给模数转换器，由模数转换器将信号转为数字信号，经I/O 接口输入计算机，再由计算机按事先编好的检测和控制程序进行运算、逻辑判断、比较，将结果再由I/O 接口输出。
输出的数字信号经数模转换器转为模拟信号，经放大器放大后，用于带动相应的执行机构，从而实现对生产过程的参数的实时监测与控制。
2.计算机测试与控制系统在铸造领域中的应用应用：冲天炉熔炼的计算机检测与控制；金属液质量的炉前快速检测及数据处理；铸件成形过程的计算机检测与控制；产品质量的计算机检测；型砂性能及砂处理过程的计算机检测与控制；压力铸造过程的控制。
3.铸造数值模拟应用的主要内容主要内容：温度场模拟；流动场模拟；应力场模拟；流动与传热耦合计算；组织模拟。
4.一个完整的检测过程包括包括：信息的提取；信息的转换存储与传输；信息的显示与记录；信息的处理与分析。
5.等精度测量和非等精度测量；相对误差定义，表示方法等精度测量：在同一条件下所进行的一系列重复测量。
非等精度测量：在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一些条件不能完全维持不变，称为非等精度测量。
相对误差：绝对误差与被测量的约定值之比；表示：实际相对误差、示值相对误差、满度相对误差。
6.传感器静态特性指标：线性度、迟滞性、重复性和灵敏度。
7.A/D 转换器的主要技术参数（分辨率、量程、精度、转换时间）分辨率：8位或12位；量程：1～5V 、0～5V 、0～10V 、±5V 、±10V ；精度：精度要小于分辨率；转换时间：采样间隔8.控制仪表与装置的分类分类：按所用能源不同分：电动（模拟式：基地式、单元组合式、组件组装式；数字式：连续生产过程的控制装置、断续生产过程的控制装置、批量生产过程控制装置）、气动、液动和混合式几大类。