SJTU多尺度材料模拟与计算

2005年上海交通大学材料科学基础考博试卷[回忆版]材料科学基础：8选5。

每题两问，每问10分，我当10个题说吧，好多我也记不清是那个题下的小问了。

1。

填空。

你同学应该买那本材料科学基础习题了吧，看好那本此题就没多大问题，因为重复性很强。

2。

论述刃位错和螺位错的异同点3。

画晶面和晶向，立方密排六方一定要会，不仅是低指数；三种晶型的一些参数象原子数配位数之类的4。

计算螺位错的应力。

那本习题也有类似的，本题连续考了两年，让你同学注意下此题5。

置换固熔体、间隙固熔体的概念，并说明间隙固熔体、间隙相、间隙化合物的区别。

那本习题上有答案、6。

扩散系数定义，及对他的影响因素7。

伪共晶定义，还有个相关的什么共晶吧，区分下。

根据这概念好像有个类似计算的题，这我没做，不太记得了，总之就是共晶后面有点内容看下8。

关于固熔的题，好像是不同晶型影响固熔程度的题，我就记得当时我画了个铁碳相图举例说明了下还有两个关于高分子的题，我没做也没看是啥题总之，我觉得复习材科把握课本及习题，习题很重要，有原题，而且我发现交大考试重基础，基本概念要搞清楚，就没问题。

上海交通大学2012年材料科学基础考博试卷[回忆版]5 个大题，每个大题20分。

下面列出的是材料科学基础的前五个大题，其中第一大题有几个想不起来了，暂列9个。

其实后边还有三道大题，一道是关于高分子的，一道是关于配位多面体的，还有最后一个是作为一个材料工作者结合经验谈谈对材料科学特别是对材料强韧化的看法和建议，我都没敢选。

一填空（20分，每空1分）1 密排六方晶体有（）个八面体间隙，（）个四面体间隙2 晶体可能存在的空间群有（230）种，可能存在的点群有（32）种。

3 离子晶体中，正负离子间的平衡距离取决于（），而正离子的配位数则取决于（）。

（鲍林第一规则）4 共价晶体的配位数服从（）法则。

5 固溶体按溶解度分为有限固溶体和无限固溶体，那么（）固溶体永远属于有限固溶体。

6 空位浓度的计算公式：（）。

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。

多尺度计算模型在材料力学中的应用研究材料力学是研究材料在外力作用下的应变和变形行为的学科。

随着科技的不断发展，对材料力学的研究也日趋深入。

尤其是近年来，多尺度计算模型在材料力学中的应用越来越受到关注。

多尺度计算模型是一种综合不同尺度的方法，用于研究材料的力学特性。

它能够从微观尺度到宏观尺度，对材料的各种物理和力学性质进行建模和计算。

这种模型的应用，可以帮助我们更好地理解材料的力学行为，并为材料设计和工程应用提供指导。

在材料力学中，多尺度计算模型主要包括两个层次：微观尺度和宏观尺度。

微观尺度主要研究材料的原子、分子结构和微观力学性质，而宏观尺度则侧重于材料的整体力学行为。

这两个层次之间存在着相互耦合的关系，多尺度计算模型正是基于这种关系来构建材料力学模型的。

在微观尺度上，多尺度计算模型可以通过原子力学模拟、分子动力学模拟等方法来研究材料的微观力学性质。

通过这些模拟方法，我们可以获得材料在不同应变率、温度等条件下的力学行为，并揭示材料的微观变形机制。

同时，这些模拟结果还可以与实验数据进行比对，从而验证模型的准确性。

在宏观尺度上，多尺度计算模型可以利用有限元法等方法对材料进行宏观力学建模。

通过建立合适的力学方程，我们可以预测材料在不同载荷条件下的应力、应变和变形行为。

此外，多尺度计算模型还可以将微观尺度的模拟结果与宏观尺度的力学模型进行耦合，从而得到更加准确的力学行为。

除了在理论研究中的应用，多尺度计算模型在材料力学中的应用还包括材料设计和工程应用。

利用这种模型，我们可以快速筛选出符合特定要求的材料，并优化材料的力学性能。

例如，通过模拟和优化材料的微观结构和组分分布，我们可以设计出更高强度、更轻量的材料。

此外，在材料工程应用中，多尺度计算模型还可以用于预测材料在不同工况下的损伤行为，为工程实践提供可靠的预测和指导。

总之，多尺度计算模型在材料力学中的应用研究是一个深入且具有广阔前景的领域。

它不仅可以为我们解析和解释材料的力学行为提供深入理论研究，还可以为材料设计和工程应用提供强有力的支持。

材料力学行为的多尺度模拟与分析材料力学行为是研究材料在外力作用下的变形、破坏和失效等现象的学科。

多尺度模拟与分析则是一种研究方法，旨在从不同尺度上理解和解释材料力学行为的本质。

本文将介绍多尺度模拟与分析在材料力学领域的应用，并探讨其意义与前景。

一、尺度效应与多尺度模拟材料存在着尺度效应，即材料在不同尺度上具有不同的力学行为。

以纳米材料为例，由于其尺寸接近原子尺度，其力学性质受到原子间作用的影响，具有明显的尺度效应。

随着材料研究的深入，人们逐渐认识到单纯从宏观尺度上研究材料的力学行为是不够全面和准确的，因此出现了多尺度模拟方法。

多尺度模拟是一种将材料力学行为从宏观到微观各个尺度上进行综合建模和仿真的方法。

其核心思想是将材料分为不同层次的子系统，通过子系统间的相互作用来模拟和分析材料的力学行为。

常见的多尺度模拟方法包括分子动力学模拟、有限元方法和连续介质力学模拟等。

二、多尺度模拟的应用多尺度模拟在材料力学领域有着广泛的应用。

首先，多尺度模拟能够帮助人们深入研究材料的本质力学行为。

通过将材料分解为不同尺度的子系统，并建立相应的物理数学模型，可以揭示材料在微观尺度上的内部机制和动力学过程。

这对于理解材料的结构、性能与行为之间的关系具有重要意义。

其次，多尺度模拟能够预测材料的宏观力学性能。

通过模拟材料在不同尺度下的行为，可以得到材料在宏观尺度上的物理性质，如强度、刚度和韧性等。

这将有助于人们设计出更高性能的材料，并指导实际工程中的材料选择和应用。

此外，多尺度模拟还可以研究材料的破坏与失效机制。

在材料受到外界载荷作用下，通过模拟和分析材料在不同尺度下的破坏模式和损伤演化过程，可以识别材料的弱点，并提出相应的改进措施，以提高材料的破坏韧性和可靠性。

三、多尺度模拟的挑战与前景多尺度模拟虽然在材料力学领域有着广泛的应用，但仍然面临着一些挑战。

首先，多尺度模拟的建模和计算过程较为复杂，需要耗费大量的时间和计算资源。

二维导热物体温度场的数值模拟一、物理问题有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，其截面尺寸如下图1-1所示，假设在垂直于纸面方向上用冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。

在下列两种情况下试计算： 砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。

第一种情况：内外壁分别均匀维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外壁均为第三类边界条件，且已知：Km K m W h C t Km W h C t ∙=∙=︒=∙=︒=∞∞/35.0/93.3,10/35.10,30222211λ砖墙导热系数二、数学描写由对称的界面必是绝热面，可取左上方的四分之一墙角为研究对象，该问题为二维、稳态、无内热源的导热问题。

控制方程：02222=∂∂+∂∂y tx t边界条件： 第一种情况：由对称性知边界1绝热： 0=w q ； 边界2为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ︒=0；1-1图2-1图边界3为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ︒=30。

第一种情况：由对称性知边界1绝热： 0=w q ；边界2为对流边界，满足第三类边界条件： )()(2f w w w t t h n tq -=∂∂-=λ； 边界3为对流边界，满足第三类边界条件： )()(2f w w w t t h ntq -=∂∂-=λ。

三、方程离散用一系列与坐标轴平行的间隔0.1m 的二维网格线将温度区域划分为若干子区域，如图1-3所示。

采用热平衡法，利用傅里叶导热定律和能量守恒定律，按照以导入元体（m,n ）方向的热流量为正，列写每个节点代表的元体的代数方程，第一种情况： 边界点：边界1（绝热边界）：5~2)2(411,11,12,1,m =++=+-m t t t t m m m ， 11~8)2(411,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n，3-1图边界2（等温内边界）： 7,16~7;7~1,6,0,=====n m n m t nm边界3（等温外边界）： 12,16~2;12~1,1,30,=====n m n m t n m内节点：11~8,15~6;11~2,5~2)(411,1,,1,1,====+++=-+-+n m n m t t t t t n m n m n m n m n m第二种情况 边界点：边界1（绝热边界）： 5~2)2(411,11,12,1,m =++=+-m t t t t m m m ， 11~8)2(411,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n ，边界2（内对流边界）：6~1)2(222111,61,6,5,6=++++=∆∆-+n Bi t Bi t t t t n n n n ，16~7)2(2221117,17,18,7,=++++=∆∆-+m Bi t Bi t t t t m m m m ，边界3（外对流边界）：11~1)2(2222221,11,1,2,1=++++=∆∆-+n Bi t Bi t t t t n n n n，16~2)2(22222212,112,111,12,=++++=∆∆-+m Bi t Bi t t t t m m m m ，内角点： )3(22)(21116,67,78,67,57,6+++++=∆∆Bi t Bi t t t t t外角点：)1(222211,112,212,1+++=∆∆Bi t Bi t t t内节点：11~8,15~6;11~2,5~2);(411,1,,1,1,====+++=-+-+n m n m t t t t t n m n m n m n m n m（10,22121==∆=∞∆t t xh Bi λ；30,21212==∆=∞∆t t xh Bi λ）四、编程思路及流程图编程思路为设定两个二维数组t(i,j)、ta(i,j)分别表示本次迭代和上次迭代各节点的温度值，iter （实际编程时并未按照此名称来命名迭代步长）表示迭代进行的次数, 1Q 、2Q 分别表示外边界、内边界的散热量。

材料模拟与计算课程代码：83071000课程名称：材料模拟与计算英文名称：Materials Simulation and Calculation学分： 4 开课学期：第10学期授课对象：应用物理专业本科学生先修课程：量子力学，固体物理，热力学统计物理课程主任：吴爱玲，副教授，博士课程简介：《材料模拟与计算》课程是物理学和材料物理学等专业的专业方向课程。

该课程主要讲授材料模拟的物理化学基础——量子化学基本原理及应用，密度泛函理论方法，分子力学和分子动力学方法，以及材料模拟常见软件简介等内容。

通过本课程的学习，要求学生掌握材料设计的基本原理和计算模拟的基本方法以及常见模拟软件的使用，从而使学生从计算模拟的角度加深对材料和凝聚态物质的结构与物性的认识。

课程考核：课程最终成绩=平时成绩*30%+期末论文成绩*70%；平时成绩由出勤率、作业的完成情况决定；期末考试采取论文形式。

指定教材：无合适的教科书参考书目：[1] 《量子化学基本原理和从头计算法》（中），徐光宪，黎乐民，王德民，北京:科学出版社，2003；[2] 《现代材料计算与设计教程》，吴兴惠，项金钟，北京:电子工业出版社，2002。

[3] 《分子模拟的理论与实践》，陈正隆，徐为人, 汤立达，北京:化学工业出版社，2007。

[4] 《量子化学计算方法与应用》，林梦海，北京:科学出版社，2004。

[5] 《Molecular Modeling Principles and Applications》(分子模拟的原理与应用)，A. R. Leach ,（第二版），北京:兴国图书出版社，2003。

[6]《计算材料学》，[德]D.罗伯编著，项金钟，吴兴惠译，北京:化学工业出版社，2002。

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