1、计算机在材料科学与工程中的应用重庆大学材料学院 王柯课程基本情况 教学目的 教学内容及安排 教学参考资料 说明教学目的要求教学目的要求介绍计算机技术在材料科学与工程领域应用基本概况；学习将计算机技术用于解决材料科学中实际问题的思路、方法与手段；重点学习计算机数值模拟技术在材料加工过程中的应用，使同学们初步掌握计算机技术在专业领域应用的基本知识、 相关数学方法以及有关软件的基本使用方法；开 拓同学们的思路和视野，培养同学们的创新能力课程教学内容及安排课程教学内容及安排 (24+16=40) 1周 1章绪论（1） 1周 2章材料科学与工程研究中的数据处理（3）建模基础 2周 3章材料科学与工程研究
2、中的数学模型与数值计算（4）建模方法步骤 3周 4章材料科学与工程中典型物理场的数值模拟（4）典型模型的建立 4周 5章相图计算（4） 5周 6章人工神经网络与专家系统及在材料科学与工程中的应用（4） 预测模型建立 6周 材料成形过程中的计算机模拟Deform软件应用上机实验内容及安排上机实验内容及安排 3周 实验1 数据处理应用实践1Excel的应用 3周 实验2 数据处理应用实践2Origin的应用 4周 实验3 常用数学分析方法应用实践 4周 实验4 温度场的模拟计算实践 5周 实验5 浓度场的模拟计算实践 5周 实验6 相图计算软件的应用实践 6周 实验7 物相分析软件应用实践 6周
3、实验8 人工神经网络应用实践教学参考资料教学参考资料 教材：教材：u计算机在材料工程中的应用，汤爱涛等主编，重大出版社，2008 主要教学参考资料：主要教学参考资料：u计算机在材料热加工领域中的应用，李英民等主编， 机械工业出版社，2001u计算机在材料科学与工程中的应用，曾令可等主编， 武汉理工大学出版社，2004有关事宜说明有关事宜说明一、任课教师信息一、任课教师信息主讲教师：王柯；电话：18502348389；E-mail：study_ 辅导教师：吴明玉（研究生）；电话：13648321711；E-mail：二、教学相关安排：二、教学相关安排：实验课时间：3-6周；周二、四：9-10节地
4、点： A区综合大楼324室答疑安排： 待定(协商)三、成绩评定方法：三、成绩评定方法：课程成绩由平时成绩30%和考试成绩70%组成；平时成绩(平时作业、实验报告、学习态度、表现、能力) 。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第一章第一章 绪论绪论材料材料是用是用以制造有以制造有用物件的用物件的物质物质材料材料是人类社会是人类社会发展的发展的里程碑里程碑，是人类生产和生是人类生产和生活水平提高的活水平提高的物物质基础质基础，是现代，是现代文明进步的文明进步的重要重要标志标志和发展高新和发展高新技术的技术的基础和先基础和先导。导。石器时代石器时代铜器时代铜器时代铁器时代铁器
5、时代u 当代文明三大支柱（当代文明三大支柱（20世纪世纪60年年代说法）：代说法）：材料材料、能源和信息、能源和信息u 新技术革命主要标志（新技术革命主要标志（ 20世纪世纪70年代说法年代说法）：）：新材料新材料、信息、信息技术和生物技术技术和生物技术1.1.1 材料的作用与分类1.1 材料科学与工程（MSE）第一章 绪论材材料料的的分分类类金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料结构材料结构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电子材料电子材料耐火材料耐火材料医用材料医用材料耐火材料耐火材料英 马克米奥多尼克 著；赖盈满 译1.
6、1 材料科学与工程（MSE）材料的作用与分类研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。及它们之间相互关系的科学。1.1 材料科学与工程（MSE）MSE的研究内容1.1.2 MSE的研究内容Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989成分成分工艺工艺组织结构组织结构材料性能材料性能.使用性能使用性能四个要素四个要素 MSE特点：一门发展不成熟的学科一门发展不成熟的学科，它的研究很大程，它的研究很大程度依赖于实验和经验的积累，系统的研究
7、材度依赖于实验和经验的积累，系统的研究材料还有一个很长的过程。料还有一个很长的过程。多学科交叉的新兴科学多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学科有着。它与许多基础学科有着不可分割的联系，如固体物理学、电子学、光学、不可分割的联系，如固体物理学、电子学、光学、声学、量子化学、数学与声学、量子化学、数学与计算机计算机等。等。1.1 材料科学与工程（MSE）MSE的研究内容计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了有力保证。有力保证。Moores Law (1965)：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍。图中电脑处理器中晶
8、体管数目的增长曲线符合摩尔定律1.2 计算机在MSE中的应用第一章 绪论 计算机在MSE的应用非常广泛:材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们之间相互关系的一门科学,在所有的这些方面,计算机都发挥了非常重要的作用。1.2.1 材料科学研究中的计算机模拟 计算机模拟计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验模拟实验。计算机模拟技术的应用：应力应变 微观组织变化与描述（分子、原子、电子）温度场 浓度场（组织场）应力场 流场磁场等相图计算1.2 计算机在MSE中的应用数学模型建立是一种具有创新性的科学方法,它将现实问题简化, 抽象为一个数学问题或数学模型, 再采用适
9、当的数学方法求解, 进而对现实问题进行定量的分析和研究, 最终达到解决实际问题的目的。 网格划分网格划分有限元模拟人脚走路受力情况有限元模拟人脚走路受力情况有限元方法有限元方法1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件view cast，从动画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。从动画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。 1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟铸造模拟铸造模拟图中显示了计算机模拟的不同时刻的凝固枝晶形貌图，不同的颜色代表不同的浓度分布。这样显微组织形核、生长等过程也将实现“可
10、视化”！ 1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟锻造模拟锻造模拟 锻造加工的悠久历史锻造加工的悠久历史 锻造锻造=打铁？打铁？如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟曲拐加工的工厂试制和计算机模拟曲拐加工的工厂试制和计算机模拟 1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟其它加工过程的模拟其它加工过程的模拟 钻孔钻孔横楔轧横楔轧晶粒演化晶粒演化 齿轮架齿轮架感应加热感应加热连杆连杆 1.2 计算机在MSE中的应用计算机模拟1.2.2 材料与工艺过程的优化及自动控制 材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展, 微机和可编
11、程控制器在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度, 更能改善产品的质量和精度, 提高产量。 在材料的制备中, 可以对过程进行精确的控制,例如材料表面处理热处理中的炉温控制等。计算机技术和微电子技术、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大大提高。1.2 计算机在MSE中的应用计算机控制技术日照钢铁轧制车间1.2 计算机在MSE中的应用计算机控制技术1.2.3 计算机用于数据和图像处理材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据, 借助计算机的存储设备, 可以大量保存数据, 并对这些数据进行处理计算、绘图, 拟合分析和快速
12、查询等。利用计算机的图像处理和分析功能就可以研究材料的结构, 从图像中获取有用的结构信息, 如晶体的大小, 分布, 聚集方式等, 并将这些信息和材料性能建立相应的联系, 用来指导结构的研究。1.2 计算机在MSE中的应用数据和图像处理1.2.4 相图计算及其软件相图是描述相平衡系统的重要几何图形, 通过相图可以获得某些热力学资料。反之, 由热力学数据建立一定的模型也可计算和绘制相图。用计算机来计算和绘制相图有了广泛的应用。 Thermo-Calc包括物质和溶液数据库、热力学计算系统和热力学评估系统1.2 计算机在MSE中的应用相图计算材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表。如果使用计算机来
13、控制整个系统，使其协调运行，进行数据采集和数据处理，通常使整个系统的功能得到飞跃性增强。计算机化得材料性能测试系统(CAT系统)是提高材料研究水平的重要手段。由于计算机灵活的编程方式、强大的数据处理能力和很高的运算速度，使得CAT系统可以实现手动方式不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的水平和测试精度。1.2.5 计算机技术用于材料性能表征与检测1.2 计算机在MSE中的应用材料表征电子显微镜电子显微镜1.2 计算机在MSE中的应用材料表征金相显微镜金相显微镜1.2 计算机在MSE中的应用材料表征X射线衍射仪射线衍射仪1.2 计算机在MSE中的应用材料表征1.3 主要使用的商业软件第一章 绪论 通用类 专业类一、通用软件一、通用软件1 1、办公类、办公类 Office2 2、数据处理类、数据处理类 Origin3 3、计算模拟类、计算模拟类Matlab有限元分析软件（ANSYS、MARC，国产有限元软件 FEPG等135个有限元分析软件）Flow3D4 4、辅助设计测试、辅助设计测试 AutoCAD1.3 主要使用的商业软件二、专业类二、专业类1.1.计算模拟类计算模拟类 热力学、相图计算类软件 第一原理计算类 组织模拟类 材料加工类Deform2. 2. 辅助设计测试分析类辅助设计测试分析类 辅助设计 辅助测试相分析软件Jade1.3 主要使用的商业软件
