集成计算材料工程中的计算机模拟技术

材料科学与工程的多尺度计算模拟技术材料科学与工程是一门研究材料的组成、结构、性质以及制备与应用的学科。

随着计算机技术的不断发展，多尺度计算模拟技术逐渐成为材料科学研究中不可或缺的重要工具。

多尺度模拟技术可以帮助研究人员从微观和宏观两个层面上理解材料的行为，为新材料的设计与开发提供指导和支持。

多尺度模拟技术是指将不同尺度下的模型和方法相结合，对材料进行全面深入的研究。

目前，多尺度模拟技术主要包括分子动力学模拟、量子力学模拟和连续介质模拟等方法。

这些方法可以从不同的角度描述材料的结构、力学性能、热学性能等各个方面，并对材料的行为进行预测和优化。

分子动力学模拟是一种以原子或分子为基本单元，通过数值计算模拟材料内部粒子的运动和相互作用来研究材料的方法。

它可以模拟分子尺度下材料的性质与行为，如材料的力学性能、热学性能、电学性能等。

通过分子动力学模拟，可以推导出材料的物理性质与力学性能的规律，并为新材料的设计与开发提供指导。

量子力学模拟是一种以原子核和电子的量子力学运动方程为基础，通过求解这些方程来预测材料的性质与行为的方法。

它可以模拟材料的电子结构、能带结构、光学性质等。

量子力学模拟可以提供高精度的材料性质预测，对于研究材料的电学、磁学、光学等性质具有重要意义。

连续介质模拟是一种将材料看作连续均匀介质的模拟方法。

它将材料分为小的体积元，通过数值模拟来计算和预测材料的宏观性质和行为。

连续介质模拟可以模拟材料的力学性能、热学性能、流体性质等。

它能够处理大尺度和长时间尺度的问题，对于材料的宏观行为研究具有重要意义。

多尺度模拟技术将上述不同尺度的模拟方法相结合，可以在不同层面上研究材料。

例如，分子动力学模拟可以提供原子尺度下材料的局部结构信息，而连续介质模拟则可以提供宏观尺度下材料的宏观性能信息。

通过多尺度模拟，可以将两者的结果相结合，形成全面、准确的材料性质与行为的认识。

多尺度模拟技术在材料科学与工程领域的应用非常广泛。

计算机在材料科学中的应用李伟(湖北财税职业学院信息工程系武汉430064)摘要介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。

探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。

借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。

关键词计算机技术材料科学应用1 引言计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。

计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。

计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

2 计算机在材料科学中的应用领域2. 1计算机用于新材料的设计材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能,或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料,按生产要求设计最佳的制备和加工方法。

材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。

材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术,将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来,用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策,为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法[ 1 ] , [ 3 ] 。

2. 2材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果,指导新材料研究,是材料设计的有效方法之一。

材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程,包括合成、结构、性能制备和使用等。

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。

通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较,可以检验模型的准确性,也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

材料科学中计算机技术的应用材料科学是一门研究材料性能、结构和制备方法的学科。

随着计算机技术的发展和进步，计算机技术在材料科学中的应用越来越广泛，并且在科学研究、材料设计和制备、材料性能模拟等方面发挥着重要作用。

下面将详细介绍计算机技术在材料科学中的应用。

一、材料建模和模拟计算机技术在材料科学中广泛应用于材料的建模和模拟。

通过数学模型和计算方法，可以模拟并预测新材料的性能、结构以及制备过程，为材料设计和优化提供科学依据。

例如，材料科学家可以使用分子动力学模拟方法研究原子或分子的运动规律，以及宏观性质的变化规律；通过量子力学计算，可以探索材料的电子结构和能带特性；通过有限元分析，可以研究材料的力学性能和变形行为。

计算机技术有效地提高了材料模拟的精度和效率，为材料研究和设计提供有力支持。

二、材料数据分析和挖掘随着材料科学研究的深入，材料数据的量级和复杂性不断增加。

计算机技术在材料数据分析和挖掘中发挥着重要作用。

通过数据挖掘和机器学习方法，可以从大量的材料数据中发现规律和趋势，并用于材料设计和高通量材料筛选。

例如，利用大数据技术，可以挖掘和分析材料的晶体结构数据库，发现新的材料组成和结构；通过分类和回归模型，可以预测材料的性能，并优化材料的配方。

计算机技术的应用使得材料数据分析更加高效和准确，为材料研究提供了新的途径和方法。

三、材料制备与工艺模拟材料制备是材料科学研究的关键环节之一，计算机技术在材料制备与工艺模拟中发挥着重要作用。

通过计算机模拟方法，可以模拟材料的制备过程和工艺参数的优化，为材料制备提供科学依据。

例如，利用计算流体动力学方法，可以模拟材料的熔体流动和凝固过程，优化工艺参数，改善材料的组织和性能；通过有限元分析，可以研究材料的热力学和力学行为，为材料制备提供优化方案。

计算机技术的应用使得材料制备与工艺模拟更加精确和可控，提高了材料的质量和性能。

四、材料设计和优化材料设计是将材料的性能和结构与目标进行匹配和优化的过程。

建筑信息模型（BIM）在施工管理中的应用建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是一种集成技术，通过数字化的方式构建、管理和展示建筑项目的全部信息。

BIM在建筑行业的应用已经逐渐成熟，并且在施工管理中起到了积极的作用。

本文将探讨BIM在施工管理中的具体应用。

一、建筑模型的创建与可视化在施工管理中，BIM能够通过建模软件快速创建建筑模型，将实际建筑物的各个方面以数字化、可视化的方式呈现出来。

这种可视化的建筑模型大大方便了施工管理人员的理解和分析，使得问题的发现和解决更加高效。

通过BIM模型，施工管理人员可以在计算机上对建筑物进行虚拟漫游，模拟各种施工操作并预测可能的问题，有助于规避潜在的施工风险。

二、协同设计与信息共享BIM可以实现多个设计人员在同一个模型上进行协同设计，通过即时通信和协作工具，设计人员可以实时交流和修改模型，直接反映在模型中。

施工管理人员可以通过BIM模型获取最新的设计变更，并与设计人员进行有效的沟通。

这种协同设计的方式能够减少信息传递和理解上的误差，并且节约了大量的时间和人力成本。

三、工程量计算与材料管理BIM模型可以通过自动化的方式进行工程量的计算，从而快速准确地得出材料需求量。

同时，BIM模型还可以与材料供应商的系统进行集成，自动更新材料的价格与库存信息，实现材料的实时管控。

这种工程量计算与材料管理的方式使得施工管理人员能够更好地掌握工程进度和材料使用情况，预防材料短缺和浪费现象的发生。

四、施工进度管理与碰撞检测BIM模型可以与施工进度管理软件相结合，实现对施工进度的规划和管理。

通过将施工进度信息与模型进行关联，可以直观地展示出项目的施工时间节点和进度计划。

同时，BIM模型还可以用于进行碰撞检测，即通过模拟施工过程中各个构件的运动轨迹，检测出可能的碰撞和冲突。

这样能够在施工前及时发现潜在的协调问题，避免施工过程中的困难和延误。

五、施工质量控制与维护BIM模型在施工质量控制方面也发挥着重要的作用。

第一章计算机在材料科学与工程中的应用引言：计算机科学和工程已经成为现代社会和各种领域的关键技术。

特别是在材料科学与工程领域，计算机已经成为一个不可或缺的工具。

本文将重点介绍计算机在材料科学与工程中的应用，包括模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估、材料制备过程的模拟与优化等方面。

一、模拟与建模在材料科学与工程中，模拟与建模是一种非常重要且常用的方法。

计算机可以通过建立材料的数学模型，对材料的结构、性能等进行模拟和分析。

例如，通过计算机模拟可以揭示材料的原子结构、晶体结构、晶体缺陷等，可以预测材料的力学性能、电子性质、热传导性能等。

这些模拟与建模的结果可以为实验提供指导，加快材料的发现和开发过程。

二、材料设计与优化材料设计与优化是材料科学与工程中的一个重要任务。

通过计算机的辅助，可以对材料进行设计和优化。

例如，利用计算机辅助设计软件，可以设计新型的组分或配方，用于制备更高性能的材料。

利用计算机的优化算法，可以对现有材料的结构和组分进行优化，以提高材料的性能。

这些设计和优化的结果可以在实验中验证，并指导材料的进一步开发。

三、材料性能预测与评估了解材料的性能是材料科学与工程中的核心任务之一、计算机可以通过材料的模拟和计算，预测材料的性能。

例如，计算机可以计算材料的力学性能、电子性质、光学性质等，从而预测材料在不同环境下的行为。

这些性能预测的结果可以为实验提供参考，指导材料的选择和设计。

四、材料制备过程的模拟与优化材料的制备过程通常决定着材料的结构和性能。

计算机可以通过模拟和优化材料的制备过程，帮助提高材料的质量和性能。

例如，计算机可以模拟材料的原子、分子、晶体的排列和运动过程，从而提供制备过程中的参数和条件。

通过优化这些参数和条件，可以实现材料的精确控制和优化制备，从而获得质量更好的材料。

结论：计算机在材料科学与工程中的应用非常广泛而重要，从模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估，到材料制备过程的模拟与优化，计算机都发挥着不可或缺的作用。

材料科学中的材料模拟与计算材料模拟与计算是现代材料科学研究中不可或缺的工具。

它是通过数字技术对材料的结构和性能进行预测和优化，从而指导实验设计，提高研究效率和成果质量的一种方法。

材料模拟和计算的方法和技术已成为当今材料科学的前沿研究方法之一。

一、材料模拟与计算的意义材料模拟与计算是当今材料科学中研究最热门、最活跃和最重要的研究方向之一。

该方法的提出和发展，使材料科学家和工程师能够更好地了解和预测材料的性能，发现新的材料，开发新的材料制备工艺，推动材料科学事业的发展。

同时，这种形式的研究能够避免材料试验中的危险，减少高成本的实验，缩短研究周期，提高实验效率。

二、材料模拟与计算的方法材料模拟与计算的方法主要包括分子模拟、经典模拟和量子模拟三种类型。

其中，分子模拟是材料科学中最常用的模拟和计算方法之一。

它将分子的物理化学性质转化为计算机程序的形式，通过模拟分子之间相互作用的过程，探索分子的结构、动力学和热力学等性质。

经典模拟是经典力学的应用，它将物质看作一组粒子，并通过力学方程来描述物质的运动和物理行为。

量子模拟则是模拟和计算原子和分子的行为，使用量子力学的规律来描述物质的性质。

三、材料模拟与计算在不同领域的应用材料模拟与计算在纳米科技、材料设计、材料制备等领域都有广泛的应用。

在材料科学中，研究人员可以使用计算机来模拟材料的电学、磁学、力学、光学等性质，同时考虑材料内部结构参数、化学成分等不同因素，预测和优化材料的性能和结构。

这种方法可以大大加速研究速度，为科学研究提供支持，并且减少了实验成本和危险性，也为材料的革命性的设计和发现创造了条件。

材料模拟与计算还可以广泛应用于新材料设计和晶体工程，通过我们看得见触碰不到的虚拟现实，为我们发掘新材料的潜力提供了很多机会。

四、材料模拟与计算的前景随着计算机的发展和计算技术的不断进步，材料模拟和计算方法将逐渐成为材料科学研究的核心方法之一。

研究人员将能够更准确地预测材料的性能和构造，并帮助开发出更加高效、功能性更强、更坚固、更轻便的材料。

基于计算机模拟的材料研究与优化随着信息技术的不断发展，计算机模拟在材料研究中的应用也越来越广泛。

计算机模拟可以通过模拟材料的微观结构和特性，帮助研究者深入了解材料的本质，提高其性能和功能。

本文将从计算机模拟的角度出发，探讨基于计算机模拟的材料研究与优化的现状和展望。

一、计算机模拟在材料研究中的应用材料的性能和特性是由其微观结构决定的。

传统的材料研究方法主要是通过实验分析材料的性能和特性。

但是实验方法受到影响因素多、周期长、成本高等局限，为此，人们开始尝试利用计算机模拟来研究和优化材料。

计算机模拟广泛应用于催化剂、纳米材料、功能材料、固体材料等领域。

研究者通过软件模拟和分子动力学模拟等手段，能够精确地观察和计算各种材料的物理、化学等性质。

计算机模拟能够模拟材料的微观结构、热力学特性和运动规律等，从而为材料的研究和设计提供了更准确和更全面的指导和支持。

二、计算机模拟在材料优化中的应用计算机模拟不仅可以用来研究材料的本质，还可以优化材料的性能和功能。

通过计算机模拟，研究者可以预测材料的性能，并对材料的结构和组成进行调整，以达到更优的性能和功能。

在材料研究中，常用的优化方法包括自动机器学习、人工神经网络和遗传算法等。

这些方法可以通过样本训练和计算分析来预测材料的性能和结构，从而加速材料的研发过程。

在固体材料、催化剂和新型材料领域，这些方法已经成功地应用于优化反应物质和反应条件等。

三、计算机模拟在材料研究中的挑战和展望虽然计算机模拟在材料研究和优化中有着重要的作用，但在实际应用过程中，仍然存在一些挑战。

其中包括理论模型的不足、计算机硬件的限制、实验数据不足等。

这些挑战限制了计算机模拟在材料研究中的应用和优化。

随着计算机技术的发展，这些挑战将被逐渐克服。

未来，计算机模拟在材料研究和优化中的应用和价值将不断提高。

例如，基于人工智能的模拟和分析技术将可以实现自动学习和自适应优化，从而加速材料的研发进程。

同时，计算机模拟和实验相结合的方法，也将是新型材料研究的重要方向。

基于计算机模拟的混凝土流变性能研究一、研究背景混凝土作为一种广泛应用于建筑工程中的材料，其流变性能对工程质量和使用寿命有着重要的影响。

传统的混凝土流变性能研究通常采用试验方法，但该方法存在成本较高、实验过程繁琐、存在人为误差等问题。

因此，利用计算机模拟技术进行混凝土流变性能研究已成为一种重要的研究方法。

二、计算机模拟方法计算机模拟是利用计算机对某个过程进行模拟，通过对模拟结果的分析和处理来获得该过程的相关信息和性能指标。

计算机模拟方法可以有效地解决试验方法存在的问题，具有成本低、实验过程简便、精度高等优点。

在混凝土流变性能研究中，常用的计算机模拟方法包括有限元方法、分子动力学模拟等。

三、有限元方法有限元方法是一种常用的计算机模拟方法，它通过将复杂的结构分割成若干个有限元素，对每个元素进行计算，最终得到整个结构的性能指标。

在混凝土流变性能研究中，有限元方法可以有效地模拟混凝土在受力过程中的变形、裂纹扩展等行为，进而得到混凝土的流变性能指标。

四、分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于分子间相互作用力的计算机模拟方法，它通过对分子间相互作用力的计算，模拟出材料的宏观性能。

在混凝土流变性能研究中，分子动力学模拟可以模拟混凝土中水泥浆体、骨料等组分之间的相互作用力，进而得到混凝土的流变性能指标。

五、混凝土流变性能研究的应用混凝土流变性能研究可以有效地指导工程实践中混凝土的设计和施工，提高工程质量和使用寿命。

例如，在隧道工程中，混凝土的流变性能研究可以预测混凝土在受力过程中的变形和裂纹扩展情况，指导隧道的设计和施工；在桥梁工程中，混凝土的流变性能研究可以指导桥梁的设计和施工，提高桥梁的使用寿命。

六、研究展望随着计算机模拟技术的不断发展，混凝土流变性能研究将越来越多地采用计算机模拟方法。

未来研究可以进一步探讨计算机模拟方法在混凝土流变性能研究中的应用，深入研究不同模拟方法的优缺点和适用范围，提高混凝土流变性能研究的准确性和可靠性。

集成材料和工艺模拟与仿真平台随着计算机应用技术的发展，材料计算技术有了长足的进步。

科研人员开发出各式各样的材料热动力学数据库，通过选择合适的数据库，就可以计算得到需要的材料设计信息。

在集成材料和工艺仿真中，仅有热力学信息是不够的，体系的动力学信息也非常的重要。

常见的典型问题包括相变、固化、界面反应以及微结构演化等复杂物理过程，这些物理问题都涉及到复杂的热力学和动力学过程。

一般情况下，研究这一类物理问题需要创建动力学模型，而动力学模型中往往涉及热力学参数。

因此，对于集成材料与工艺仿真来说，热动力学软件与动力学模型的耦合计算至关重要。

在众多材料和工艺仿真方面的软件中，COMSOL Multiphysics以其多物理场耦合方面的优势和灵活的外部应用程序接口（API），使得COMSOL Multiphysics在多物理场求解方面展现出非凡的解决问题的能力。

中山大学黄智恒教授一直致力于集成材料与工艺模拟与仿真方面的研究，最近黄教授巧妙地将材料热力学计算软件MTDATA以及科学计算软件MATLAB，成功的应用到了COMSOL Multiphysics多物理场耦合计算中，解决了一系列材料动力学问题，在此基础上构建了以COMSOL Multiphysics为核心的集成材料与工艺仿真平台。

COMSOL Multiphysics与MATLAB的接口COMSOL Multiphysics提供了与MATLAB的完美接口LiveLink for MATLAB。

在这种整体环境下，用户可以像在MATLAB中那样保存和运行文件，这样就给用户提供了一种可以使用别的建模方法自由地对基于模型的偏微分方程、模拟运算和结果分析进行整合的方便。

图1 运行COMSOL with MALTAB模式，不但可以让COMSOL Multiphysics调用MALTAB内核及其包含的所有工具箱，更能够使用命令行的形式操作物理模型。

COMSOL Mul tiphysics与MTDATA的接口由于COMSOL Multiphysics与MATLAB的无缝连接，任何一个COMSOL Multiphysics创建的模型（.mph 文件）都可以保存为MATLAB m文件，并在MATLAB环境中运行。

CAE技术概述范文CAE（计算机辅助工程）是通过计算机技术和数值模拟方法来进行工程设计和分析的一种技术手段。

它涵盖了很多方面的应用领域，包括结构力学、流体动力学、热传导、电磁场等。

CAE技术已经成为现代工程设计和制造过程中不可或缺的一部分，能够大幅提高产品设计的准确性和优化效果。

本文将对CAE技术做一个概述，包括其基本原理、主要方法和应用领域等。

CAE技术的基本原理是基于数值模拟方法，通过离散化和数值解法来模拟实际工程问题。

它主要依靠计算机进行大规模计算和高效的数据处理，从而实现对工程问题的快速求解。

CAE技术的核心是建立数学模型和计算模型，将工程问题转化为数学方程的求解问题。

通过合适的数值方法和算法，可以得到相对准确的工程解决方案。

CAE技术的主要方法包括有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）、多体动力学等。

有限元分析是CAE技术中最常用且应用最广泛的方法之一、它将复杂的实体模型离散化成一系列简单的有限元单元，并根据结构力学原理建立单元之间的相互关系。

通过求解线性或非线性方程组，可以得到结构的应力、应变、变形等信息。

有限元分析可以用于求解静力学、动力学、热力学等各种工程问题。

计算流体动力学是CAE技术中另一个重要的方法，它主要用于求解流动场和传热场问题。

计算流体动力学通过对运动流体进行描述和离散化，结合流体力学原理和数值计算方法，可以预测流动的速度、压力、温度等参数。

计算流体动力学技术被广泛应用于汽车、航空、能源和环境等领域，可以优化设计方案，提高产品的性能和效率。

除了上述方法，CAE技术还包括有限差分法、边界元法、材料建模和优化设计等。

有限差分法是一种用差分代替微分的近似方法，广泛应用于求解偏微分方程。

边界元法则是一种基于边界条件的数值解法，适用于边界问题的求解。

材料建模则用于描述物质的力学性能和热学性质等，通过材料的模型和参数，可以更准确地预测材料在不同工况下的性能。

优化设计是利用CAE技术来优化产品设计，通过对参数和目标函数的优化，可以得到最优的设计方案。

材料的材料模拟和计算材料科学与工程是研究材料结构、性能和制备工艺的学科，其中材料模拟和计算是重要的研究手段之一。

通过模拟与计算，可以揭示材料的微观结构、宏观性能以及材料与环境之间的相互作用关系，对材料的设计与制备提供指导和支持。

1. 材料模拟材料模拟是指利用计算机技术模拟材料的结构与性能，常用的模拟方法有分子动力学模拟、量子化学计算、晶体学模拟等。

其中，分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律和分子力场模型的模拟方法，通过计算材料中原子或分子的运动轨迹和相互作用力，可以预测材料的热力学、力学、传输等性能。

量子化学计算则是利用量子力学原理计算材料体系的电子结构和物理性质，可以深入揭示材料的电子结构、光学性质以及反应机制。

而晶体学模拟则是研究晶体中原子、离子等的构型和间距，通过模拟晶体的结构、应力和畸变等信息，揭示晶体的生长机制、缺陷行为和力学特性。

2. 材料计算材料计算是基于大规模计算机的数值模拟方法，通过建立数学模型和计算算法，计算材料系统的结构、力学、电子结构等性质。

常用的材料计算方法有基于密度泛函理论的第一性原理计算、分子力学计算、有限元分析等。

基于第一性原理计算的方法是建立在量子力学理论的基础上，通过求解薛定谔方程中的电子运动，得到材料的电子结构、磁性、光学性质等重要信息。

而分子力学计算主要研究宏观尺寸的材料，通过描述粒子之间的相互作用能和构型能，计算材料的热力学和力学性能。

有限元分析则是一种常用的工程计算方法，通过将结构分割为有限个单元，建立边界条件和约束方程，计算材料在外力作用下的应力分布和变形。

3. 材料模拟与计算的应用材料模拟与计算在材料科学与工程中有广泛的应用。

首先，在材料设计与优化中，通过模拟与计算可以预测材料的性能和行为，指导新材料的开发和制备。

例如，在新型催化剂设计中，模拟和计算可以帮助寻找更高效、更稳定的催化剂，并预测其反应动力学。

其次，在材料性能评估中，通过模拟与计算可以深入理解材料性能的起源，并为材料改进提供方向。

α文章编号:100127445(2001)0420291204计算机模拟技术在材料科学中的应用高英俊,刘　慧,钟夏平(广西大学理学院,广西南宁530004)摘要:针对计算机模拟技术在材料科学中所起的重要作用,综合介绍了它的研究范畴和技术类型,列举了计算机模拟技术在研究材料的合成和制备、组成和结构、性能测试和分析中的若干应用实例,展示了计算机模拟在材料科学中的应用前景.关键词:计算机;模拟技术;材料科学中图分类号:T P 15 文献标识码:A现代高新技术的发展,对材料的性能要求越来越高,由此对材料科学本身也提出了更高的要求.对材料微观结构与宏观性能关系了解的日益深入,人们将可以从理论上预言具有特定结构与功能的材料体系,设计出符合要求的新型材料,并通过先进工艺和技术制造出来.在计算机技术迅速发展的今天,计算机模拟已经成为解决材料科学中实际问题的重要组成部分.本文则是针对近些年计算机模拟技术在材料科学中重要作用,介绍了它的研究范畴和技术类型,及其在研究材料的合成和制备、性能测试和分析中的应用.1　计算机模拟技术的优势采用各种新颖算法的模拟技术,并结合运算功能强大的计算机,人们能够做到前所未有的细致和精确程度对物质内部状况进行研究.这导致计算机模拟在材料科学中的应用越来越广泛,并由此产生了一门新的材料研究分支——计算材料科学[1](Com p u tati onal M aterials Science ).采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程,了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为,并且在没有实际备制出这些新材料前就能预测它们的性能,为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导.材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活,并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”,特别是在对微观状态与过程的了解方面,模拟“实验”更有其独特性甚至有不可替代的作用.2　材料模拟方法与模拟层次材料研究可针对三类不同的尺度范围[2].1)原子结构层次,主要是凝聚态物理学家和量子化学家处理这一微观尺度范围.2)介观层次,即介于原子和宏观之间的中间尺度,在这一尺度范围主要是材料学家、冶金学家,陶瓷学家处理.3)最后是宏观尺寸,此时大块材料的性能被用作制造过程,机械工程师,制造工程师等分别在这一尺度范围进行处理.既然材料性质的研究是在不同尺度层次上进行的,那么,计算机模拟也可根据模拟对象的尺度范围而划分为若干层次,如表1所示.在研究微观尺度下的材料性能时,统计力学仍是十分有用的原子级模拟方法.这种经典方法最明显第26卷第4期2001年12月广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi U niversity (N at Sci Ed )V o l .26,N o.4　D ec .,2001　α收稿日期:20010415;修订日期:20011028基金项目:国家自然科学基金(50061001),广西自然科学基金匹配(桂科配0135006),广西自然科学基金(0007020)作者简介:高英俊(1962),男,湖南祁东人,广西大学教授,博士.292广西大学学报(自然科学版)第26卷　的成功是对相变的理解.例如,固体的结晶有序,合金的成份有序或铁磁体的磁化.这种模拟属于所谓“物质的平衡态”,也就是物质从头至尾已弛豫至与环境达到热平衡和化学平衡.但是,实际许多工艺上情况是远离平衡的,例如,在铸造、焊接、拉丝和施压等情况下,平衡统计力学是不合适的.最近十年期间,非平衡过程的理论和这些过程的数学建模技术已经取得很大进步.随巨型计算机的出现,用于规则的结晶固体的模拟计算,已经达到了定量预测的能力.最新的进展表明有可能以相似的精度描述诸如缺陷附近的晶体形变、表面和晶粒边界的非规则图像.这些新方法甚至有可能用以研究物质的亚稳态或严重无序状态.表1　计算机的模拟层次、空间尺度及模拟对象模拟层次空间尺度模拟对象电子层次011nm～1nm电子结构原子分子层次1nm～10nm结构、力学性能、热力学和动力学性能微观层次～1Λm晶粒生长、烧结、位错网、粗化和织构宏观层次>1Λm铸造、焊接、锻造和化学气相淀积3　材料研究的主要模拟技术3.1　第一原理模拟技术材料的电子结构及相关物性与宏观性能密切相关.因此,研究材料的电子结构及相关物性,对从微观角度了解材料宏观形变与断裂力学行为的本质机制具有重要价值,也能为探索改善材料力学性能的可能途径提供指导.基于量子力学第一原理的局部密度函数(LD F)理论上的各种算法[5](LM TO, FLA PW,SCF-XΑ-S W,L KKR等)已能够计算材料的电子结构及一些基本物理性能,包括晶界—非晶—自由表面与断纹面—杂质—缺陷等各类原子组态的电子结构、相结构稳定性、点和切变面缺陷能量、理想解能量、原子键强及热力学函数等,这使得在实验和理论之间的比较不再局限于依靠经验或半经验参量势函数的计算模式.3.2　原子模拟技术按照获得原子位形或微观状态的方法,对于完整和非完整晶体的结构、动力学和热力学性质,有几种可行的模拟方法,如分子动力学方法(M D),蒙特卡罗方法(M C),最小能量法[7](E M)等.分子动力学的目标是研究体系中与时间和温度有关的性质而不只是静力学模拟中研究的构型方面.分子动力学方法是求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程),通过分析系统中各粒子的受力情况,用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度,来确定粒子的运动状态.蒙特卡罗方法是根据待求问题的变化规律,人为地构造出一个合适的概率模型,依照该模型进行大量的统计试验,使它的某些统计参量正好是待求问题的解.最小能量法是利用计算机计算晶体的能量,通过调整原子的位置、调整原子间的化学键长和键角得到最可能的结构,使其系统能量下降,达到最小,所计算的能量值与实验结果相比较,可达到相当精确的程度.3.3　连续介质模型的模拟方法为处理宏观问题,常用的方法主要包括传统的有限差分法、有限元法、边界元法等.例如,对材料研究中的传热温度场、传质扩散等问题都可借助这些方法进行求解.此外,对于某些连续的材料微观物理演变过程,也可以在对空间和时间的离散化处理的基础上,采用一定的算法对其进行数据模拟,如对材料的显微组织转变过程、晶粒或第二相粒子长大过程等现象的数值模拟.3.4　综合化模拟方法综合模拟技术是近年来兴起并蓬勃发展的一类新技术.综合化的含义主要体现在研究方法和研究对象的空间尺度两个方面,前者除发展全新技术外,还包括将原有的基于交互作用势函数的原子模拟技术、从第一原理出发的各种计算技术、连续介质模型、离散化数值计算这三类技术相结合的模拟技术;后者或是直接研究介于原子尺度和宏观尺度之间中间尺度(1～100Λm)的材料结构与性能,或是将不同尺度的材料行为联系起来作为统一体加以研究,特别是如何将不同层次的研究联系起来,已成为材料模拟领域最富挑战性的重点课题.3.5　人工智能模拟技术在材料研究和应用的不少领域,很大程度上还依靠经验解决问题,或者某些问题即使存在理论上的算法解,但由于解法过于复杂,使它们难以实际应用.针对上述现象,属于人工智能范围下的各种计算机模拟技术为解决这些涉及材料研究与应用中特有的问题提供了有效工具,包括聚类模拟识别技术、专家系统、人工神经网络技术等,它们已经逐渐被应用于材料的组织成份设计、材料制备和加工过程的控制、材料物理与力学性能的预测等各个方面.3.6　优化设计技术这种设计的基本原理是:从已有的大量数据、经验事实出发,利用现有的各种不同结构层次的数学模型,如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关数据理论,如固体与分子经验电子理论,量子理论等,通过计算机对比、推理思维来完成优选新合金、新材料的设计过程.优化设计实质上就是数学上的最优化问题,任何一个需要优化设计的实际材料问题都可以用最优化技术来解决.4　计算机模拟在材料科学的应用4.1　材料的合成和制备与计算机模拟图1　材料设计专家系统流程图无论是对现有材料的合成与制备过程的改进,还是对新材料合成与制备的研究,仍然在很大程度上需要参照现有同类材料的合成与制备经验[9].这就使得各类材料的数据库,特别是各种材料的化学和物理化学性质的数据库显得非常重要.例如,一种新陶瓷材料的合成,一种新型晶体材料的生长,如果能得到有关相图方面的信息,就可以大大减少工作中的盲目性,减少工作量.这时,计算机及其相关技术就成为必不可少的工具,依据材料科学的知识系统,将大量丰富的实验与模拟计算资料贮存起来以形成综合数据库.目前,各国的材料研究机构已经建立了许多不同类型的数据库,如合金系相图,晶体结构参数和物理性质、相和组织的力学性能图等.材料设计是研究材料的合成和制备问题的最终目标之一.许多化学家、物理学家和材料学家在这一方向上不懈地努力着.他们将材料方面的大量数据和经验积累起来,在数据库的基础上形成了大大小小的专家系统,一些工作已经取得了很好的结果.图1所示的是一个计算机辅助B i -Y IG 磁光薄膜材料设计的专家系统,在这个系统中两个最重要的部分就是材料数据库和材料知识库.材料数据库中存储的是具体有关材料的数据值,它只能进行查询而不能推理;材料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,知识库却能通过推理机构以一定的可信度给出性能的估算值,从而实现性能预测功能.同时,也可用知识库进行组分和工艺设计,在整个知识库中采用了近年来在国际上兴起的数据库知识发现技术KDD .材料设计的专家系统是今后发展的重要方向之一.4.2　材料的组成和结构与计算机模拟现今材料的组成和结构表征研究主要采用各种大型分析设备进行,例如扫描电镜(SE M )、透射电镜(T E M )、分析电镜(A E M )、扫描探针显微镜(SPM )等;各种谱仪如可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱、等离子体发射光谱、荧光光谱等;各种衍射仪如X 射线衍射、电子衍射、中子衍射等.这些大型分析设备几乎无一例外地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,而且这些分析模拟软件的功能非常强大,大大减轻了数据处理的工作量,可以给出能够直接用于发表的各种图表.4.3　材料的性能测试和分析与计算机模拟392第4期高英俊等:计算机模拟技术在材料科学中的应用492广西大学学报(自然科学版)第26卷　 材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表.有时为了测定某些较为特殊的性能,也常用一些通用的测试设备和仪表组成比较复杂的测试系统.在组建的测试系统中,如果使用计算机来控制整个系统,使其协调运行,进行数据采集和数据处理,通常都能使整个系统的功能得到飞跃性的增强.计算机化的材料性能测试系统(CA T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CA T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的精度.在材料性能分析方面,计算机的应用也非常广泛.例如,对纳米非均匀体系中的内应力场及其对相变的影响以及多晶系统中的晶粒压电共振等许多问题进行计算和模拟.这些计算和模拟为深刻地认识材料的物理性质,为建立相应的物理模型提供了有力的论据.4.4　材料加工的自动控制对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段.材料加工主要包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶金等.所有这些均可利用计算机对其进行自动控制.材料加工的基本原理是:根据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据,将得到的信息经过A D转换成数字信号输入计算机,计算机经过自己的程序处理,最后将处理的数字信号经D A转换器变成模拟信息,进而将模拟信息传输到相应的执行设备以达到自动控制效果.5　结束语综上所述,计算机模拟技术在材料科学研究领域的应用越来越广泛,它已经成为材料研究人员的一个强有力的工具.可以相信,随着更多的材料科学家自觉地利用计算机来提高其研究工作水平,必将指导开发设计出性能更优异的新型材料.参考文献:[1]　陈达.对材料科学领域基础研究工作的若干建议[J].世界科学,1997,10:9212.[2]　夏宗宁,贺立,吕允文.材料科学中的计算机拟[J].化工新型材料,1996,24(2):124.[3]　胡士麒.电子和原子层次材料行为的计算机模拟[J].材料研究学报,1998,12(1):1215.[4]　王桂金,吴宝榕.相变和晶体缺陷的计算机模拟在合金设计中的应用[J].材料导报,1989,3(2):972100.[5]　陈达.高技术新材料与计算机模拟技术[J].世界科学,1997,(3):27229..[6]　罗旋.材料科学的分子动力学模拟研究进展[J].材料科学与工艺,1996,4(1):1242127.[7]　Co rish,刘迨.材料的计算机模拟[J].科学对社会的影响,1991,(1):11214.[8]　陈文革,魏劲松,谷臣清.计算机在材料科学中的应用[J].材料导报,2000,14(2):20224.[9]　姚熹.材料科学与微型电脑[J].微型电脑应用,1999,15(3):225.[10]　韦江维,胡华安.计算机辅助B i-Y IG磁光薄膜材料设计的专家系统研究[J].材料导报,1996,10(5):528.[11]　李好平.数据库知识发现技术在材料工程专家中的应用[J].材料导报,1996,10(1)124.[12]　曹野垠,张振亚.计算机自动控制、数据处理与晶体生长[J].人工晶体学报,1997,26(3):4062409.[13]　任晓兵.材料科学研究现状[J].国际学术动态,1996,(8):55259.The recen t developm en t of com puter si m ula tion i n ma ter i a ls sc ienceGAO Y ing2jun,L I U hu i,ZHON G X ia2p ing(Co llege of M athchem atics and Physics,Guangxi U niversity,N anning530004,Ch ina)Abstract:In th is p ap er,the i m po rtance of com p u ter si m u lati on in m aterials science is summ arized.It also in troduces its study range and techno logy,enum erates som e app lied exam p les of its syn thetic and p reparati on,com po siti on and structu re,p erfo r m ance test and analysis,show s its developm en t p ro spect in m aterials science.:;;(责任编辑　唐汉民　张晓云　刘海涛)。

集成计算材料工程及其在铸件开发过程中的应用
集成计算材料工程是结合材料科学、计算机科学和工程学的交叉
学科，旨在通过计算机模拟和仿真，预测、优化和设计新材料的性能，以满足工程应用的需求。

在铸件开发过程中，集成计算材料工程为材料选择、铸造工艺优
化和性能预测等方面提供了有效的工具和方法。

具体应用包括以下几
个方面：
1. 材料选择：通过集成计算材料工程，可以预测不同材料的力
学性能、热学性能、耐蚀性等特性，帮助工程师选择最适合特定应用
的材料。

例如，通过计算材料的晶体结构、原子间相互作用和缺陷行
为等因素，可以预测材料的力学强度、韧性和耐磨性。

2. 铸造工艺优化：铸造工艺对于铸件的质量和性能具有重要影响。

集成计算材料工程可以模拟铸造过程中的液态流动、凝固行为和
相变过程等，提供优化铸造工艺的指导。

通过优化铸造参数和结构设计，可以减少铸件缺陷（如气孔、夹杂物和热裂纹）的产生，提高铸
件的质量和性能。

3. 性能预测：通过集成计算材料工程，可以预测铸件的力学性能、磨损性能、疲劳寿命等。

这有助于工程师评估铸件的可靠性和寿命，指导制定合理的使用和维护方案。

例如，通过计算材料的微观结
构和应力分布，可以预测铸件的疲劳寿命和断裂行为。

综上所述，集成计算材料工程在铸件开发过程中的应用可以提高
铸件的质量和性能，减少开发时间和成本，促进材料工程的发展和进步。