材料的计算机设计(9)相场 2006.10.03

Computational Materials Design 计算材料设计随着科技的不断发展，计算技术在材料领域的应用也越来越广泛。

计算材料设计是一种全新的材料研究方法，通过计算机模拟和预测，为材料科学家提供了研究新材料的新思路和新方法。

与传统的实验室研究方式不同，计算材料设计具有快速、准确、经济和环保等优点，已经成为了当今材料学的前沿和热点领域。

计算材料设计的基本思想是通过计算机模拟、评估和预测新材料的性质和表现，以实现材料设计、优化和应用的目的。

计算材料设计可以分为三个环节：第一是材料结构预测；第二是材料性质计算；第三是材料应用预测。

其中，材料结构预测是计算材料设计的核心环节。

我们需要借助计算机技术，利用分子动力学模拟、杂化多体势函数、密度泛函理论等方法，准确地描述材料的晶体结构、原子结构和缺陷结构等。

基于结构预测的结果，我们可以通过第二步的材料性质计算，进一步预测和评估材料的电子结构、机械性能、热力学性质和光学性质等。

最后，基于材料结构和性质预测的结果，在第三步中，我们可以进一步预测和探索材料的应用领域和性能表现，为新材料的开发和应用提供科学、准确和可靠的依据。

计算材料设计是一个高度交叉学科，需要多个学科的跨界合作和交流，如物理学、化学、数学、计算机科学等。

研究者需要具备深厚的专业知识和技能，丰富的工程实践经验和计算机模拟分析技术。

当前，计算材料设计已经逐渐成为一个独立的学科领域，同时也是材料学和计算机科学的重要交叉领域。

计算材料设计在材料研究领域具有极其重要的应用价值。

计算材料设计可以预测新材料的结构和性质，为新材料的研发、设计和应用领域提供有力的支持和指导。

另外，计算材料设计还可以优化现有材料的性能，为生产加工和应用提供更加可靠的基础。

由于计算材料设计具有高效、精确且经济的特点，因此已经在多个领域得到广泛的应用和推广，如材料科学和工程、催化学和能源存储等，为新材料的开发和应用创造了更为广阔的前景和发展空间。

材料设计与计算机模拟的新方法材料科学是一门涉及材料结构、性能和制备的领域，其重要性不言而喻。

如何设计新型材料并预测其性能，一直是材料科学家们探究的重要问题之一。

近年来，随着计算机技术的发展和计算机模拟技术的成熟，材料设计和计算机模拟成为了材料研究中的重要分支，探索出了一些新的方法和途径。

材料的模拟计算技术可以分为两种：第一种是从分子层面出发，研究材料内部的原子结构，并利用分子动力学模拟方法模拟其运动学行为。

这种方法适用于模拟一些小分子、高分子等大分子材料的结构和性质，通常称为分子动力学模拟。

第二种则是从宏观层面出发，研究材料的物理现象，比如力学性质、导热性能等，并通过输入一些场数据来计算材料的响应，这种方法通常称为有限元方法。

在材料设计方面，传统的试错法往往需要耗费大量的时间和资源，而且效率低下，很容易出现失败的情况。

现代化学技术的发展，推动了高通量材料设计和高效晶体计算等新型材料设计方法的出现，这样可以快速有效地进行材料选型、设计和筛选。

这种方法通常基于统计学和机器学习技术，利用大量的实验数据进行学习和预测。

与传统的手工设计方法不同，这些方法可规划出材料的属性空间，探索材料的组合，甚至包括预言可能存在的未知材料。

材料设计与计算机模拟新的方法还包括多尺度模拟技术。

多尺度模拟方法是指在不同的尺度上对材料进行模拟和计算，将不同的模拟结果进行整合，实现材料内部结构和性质的全面研究。

多尺度模拟技术可以利用不同的方法得到不同尺度下的物理量，然后采用耦合方法将不同尺度的结果成组地在一个相容的框架中计算，从而快速、准确地预测材料的性能。

当前研究重点之一是使用计算机模拟技术在材料制备上进行探索，对于材料内部的缺陷、界面和微观结构进行模拟，这可以为材料工程师提供有用的信息，帮助他们制定合适的材料加工流程。

在此基础上，可准确预测制成材料的力学性能、导电性能、热导性能和电磁性能等特性。

例如，利用分子动力学模拟技术，可以快速地得到聚合物材料的力学行为和断裂机理，而有限元分析方法则可以预测材料的导电性和热导性等宏观物理特性。

计算机模拟在材料设计中的应用材料在人类生产生活中起着举足轻重的作用，它们构成了我们身边大部分物品的基础。

我们如何才能生产出更加高品质的材料呢？传统的方式通常是通过实验来逐步得到理想的材料性质，但这种方式过程漫长，成本昂贵，不利于大规模生产。

相较而言，计算机模拟在材料设计中具有明显优势。

人类最早尝试从理论上预测或解释材料性质的方法，是基于经验公式或者经验规则。

然而这种方法只能适用于特定的材料体系，而且不能给出材料内部结构中不透明的缺陷或者异常现象的解释。

自从20世纪40年代，量子力学成为一个最先进的理论物理学，发展出来的模拟方法被应用于诸如物理、化学和材料科学等领域的研究中。

材料模拟通常分为分子层面和连续层面两种模拟方法。

其中分子层面模拟是在计算机中模拟一个小尺寸的材料系统，以解析性方法求出材料中原子、离子甚至更小微粒的构象、能量和反应行为。

这种模拟方法在新材料设计中有着广泛的应用，例如材料的塑性行为、热导性、响应性和电子传输特性。

相较之下，连续层面模拟则往往需要更高的计算资源，并适用于大、复杂尺度的材料系统。

它可以模拟f材料外部的力学行为、电场响应行为以及核磁共振和光谱等特性。

材料模拟中最基本的分子动力学法。

这种方法通常通过利用Newtown的定律推导材料中的微粒运动方程来获取熟悉的分子轨迹。

在分子动力学系统中，材料中的各个微粒每隔很短的时间，例如每个飞秒，都会被计算机重新放置在其新的平衡位置上，从而使时间在点阵中推进。

其结果是，分子在经过了几ps的分子动力学建模后，就会显示出复杂的运动特性，从而使材料中的性质变得更加真实。

分子动力学法的价值在于其预测或解释材料的动态属性，例如晶体、玻璃、液体和气体的热力学和力学性质。

传统上，这些属性只能通过实验测量和计算获得，但现在通过种种先进的模拟方法和算法，我们能够更加准确地预测材料的性质。

此外，与传统材料模拟方法相比，新兴材料模拟方法在形态、活性等领域也取得了一定的成果。

材料科学中的计算设计方法材料科学一直是人类社会发展中不可缺少的一环。

如今，随着科学技术的飞速发展，计算机技术的应用已经成为材料科学研究的重要手段之一。

其中，计算设计方法是一种广泛应用的技术，被应用于材料科学各个领域。

计算设计方法是建立在计算机技术的基础上，利用现代理论、模型和计算方法为材料科学的研究提供快速、高效的方式。

采用这种方法，可以解决材料设计中具有挑战性的问题，如选择最佳的材料组合、理解材料结构与性能之间的关系，以及设计新型材料等。

在材料科学中，计算设计方法被广泛应用于材料的合成、组装和结构调控等方面。

其中，最为典型的应用是材料基因组学，它是材料科学研究的前沿领域之一。

材料基因组学通过对材料各种组成因素的高通量计算，寻找新型材料。

这种方法节省了人力物力资源的投入，可以是材料的研究更加快速和精确。

以纳米材料为例，应用计算设计方法可以有效地控制纳米材料的成分、形态、结构和相互作用等。

在纳米医学、纳米电子、纳米光学等领域，纳米材料都具有广泛的应用前景。

采用计算设计方法可以为这些应用提供纳米材料的最佳合成方法和合适的合成条件。

此外，在材料科学的其他领域中，计算设计方法也扮演着越来越重要的角色。

例如，在太阳能电池、电池储能和半导体电子学等领域，计算设计方法可以对材料的能隙、载流子传输性和传输性质等方面进行控制，从而提高材料的光伏、电化学和电子器件性能。

总的来说，材料科学中的计算设计方法是一种高效的进行材料研究的方法。

在这个领域中，计算设计方法的应用已经变得越来越广泛，为材料设计和合成提供了新的方法。

无论是纳米材料、多孔材料还是光电材料，计算设计方法都在材料科学中发挥着越来越关键的作用。

材料科学中的计算机辅助优化设计在传统工业中，产品的设计和制造过程需要大量的试错和手工调整，这不仅浪费了时间和材料，还导致了不必要的成本和资源浪费。

随着计算机技术的发展，计算机辅助设计和计算机辅助制造越来越成为了现代制造业的标配。

而在这其中，材料科学中的计算机辅助优化设计更是十分重要。

材料科学是一门综合性很强的学科，涉及的领域包括材料的性能评估、材料的设计、制备和加工等。

而材料的性能评估往往需要大量的试验数据和计算模型，而材料的设计和制备过程中更是需要高效、精确的计算方法来指导。

在材料科学的研究中，优化设计是一个非常重要的环节。

一个优秀的设计可以极大地提高材料的性能，减小材料的成本，也可以提高产品的竞争力。

而传统的设计方法往往是基于试错的原理，即通过不断的试验和调整来寻找最佳的设计方案。

这种方法耗时耗力，成本高昂，而最终的结果也不一定能够实现最优化。

计算机辅助优化设计是一种全新的设计方法。

它不仅能够快速地寻找最佳的设计方案，还可以将多个设计因素进行综合考虑，得到更加完美的结果。

在材料科学中，计算机辅助优化设计常常与计算机辅助设计、计算机辅助制造等技术相结合使用，形成一个无缝连接的流程，从而实现了快速、智能的材料设计和制备过程。

材料科学中的计算机辅助优化设计的主要方法有以下几种：一、基于统计学方法的优化设计基于统计学方法的优化设计中，主要利用统计学原理对样本进行分析和建模，以确定材料的最佳设计方案。

此方法的主要优点是通过大量的实验数据建模，能够考虑到多种复杂的因素，并且能够在样本上进行较好的拟合，得到较为准确的结果。

二、基于人工神经网络的优化设计基于人工神经网络的优化设计中，主要是利用人工神经网络对材料的性能进行预测和评估。

此方法的主要优点是能够将多个因素进行综合分析，同时具有较好的泛化能力，可以为设计提供较为精确的指导。

三、基于遗传算法的优化设计基于遗传算法的优化设计中，主要采用遗传算法对材料的设计方案进行搜索和优化。

计算机在材料科学中的应用材料科学：以材料的组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学;这也是材料研究者的共同使命;材料科学的四个要素包括：成分、组织、性能、合成/制备; 计算机在材料科学中的应用领域：1.计算机用于新材料的设计2.材料科学研究中的计算机模拟3 材料与工艺过程的优化及自动控制4 计算机用于数据和图像处理 5 计算机网络在材料研究中的应用特定性能的新材料,按生产要求设计最佳的制备和加工方法;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, 使人们能将物理、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;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;优点：在某些情况下,计算机模拟可以部分地代替实验;计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义;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;答：建立数学模型的基本步骤：⑴建模准备——是确定建模课题的过程,就是要了解问题的实际背景,明确建模的目的;深入生产和科研实际以及社会生活实际,掌握与课题有关的第一手资料,汇集与课题有关的信息和数据,弄清问题的实际背景和建模的目的,进行建模筹划;⑵建模假设——建模假设就是根据建模的目的对原型进行适当的抽象、简化,把那些反映问题本质属性的形态、量及其关系抽象出来,简化掉那些非本质的因素、使之摆脱原来的具体复杂形态,形成对建模有用的信息资源和前提条件;对原型的抽象、简化不是无条件的,必须按照假设的合理性原则：①目的性原则；②真实性原则；③简明性原则；④全面性原则;⑶构造模型——在建模假设的基础上,进一步分析建模假设的内容,首先区分常量、变量、已知量、未知量,然后查明各种量所处的地位、作用和他们之间的关系,选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征,构造出刻画实际问题的模型;⑷模型求解——构造数学模型之后,根据已知条件和数据,分析模型的特征和模型的结构特点,设计或选择求解模型的数学方法和算法,然后编写计算机程序或运用与算法相适应的软件包,并借助计算机完成对模型的求解;⑸模型分析——根据建模的目的要求,对建模求解的数字结果,或进行稳定性分析,或进行系统参数的灵敏度分析,或进行误差分析等;通过分析,如果不符合要求就修改或增减建模假设条件,重新建模,直到符合要求;如果通过分析符合要求,还可以对模型进行评价、优化、预测等方面的分析和探讨;⑹模型检验——模型分析符合要求后,还必须回到客观实际中去对模型进行检验,看是否符合客观实际,若不符合,就修改或增减假设条件,重新建模,循环往复,不断完善,直到获得满意的结果;⑺模型应用——模型应用是数学建模的宗旨,也是对建模的最客观、最公正的检验;一个成功的数学建模,必须根据建模的目的,将其用于分析、研究和解决实际问题,充分发挥数学建模在生产和科研中的特殊作用;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、最小二乘法的原理;求系统回归方程的方法;解：最小二乘法又称最小平方法是一种数学优化技术;它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配;利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小;最小二乘法还可用于曲线拟合;其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达;求一条通过或接近一组数据点的曲线,这一过程叫数据拟合,而表示曲线的数学式称为回归方程;求系统回归方程的一般方法如下：设有一未知系统,以测得该系统有 n个输入-输出数据点为x i ,y i i=1,2,…,n现寻求其函数关系y=fx或Fx,y=0无论x,y为什么函数关系,假设用以多项式y^=b0 +b1 x+b2 x2+…b m x m作为对输出观测量y的估计用y^表示;若能确定其阶数及系数b0 、b1 、b2 …,b m,所得到的就是回归方程——数学建模;各项系数即回归系数;当输入为x i,输出为y i时,多项式拟合曲线相应于的估计值为y i^=b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m i=1, 2, …,n现在要使多项式估计与观测值的差的平方和Q=∑y i^-y i2为最小,这就是最小二乘法,令ΔQ/Δb j=0 j=1, 2, …,m得到下列正规方程组ΔQ/Δb1=2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i =0ΔQ/Δb2= 2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i2=0┆ΔQ/Δb M= 2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i m =0一般数据点个数n大于多项式阶数m,m取决于残差的大小,这样,从上式可求出回归系数b0,b1,…b m,从而建立回归方程数据模型;3.请简述差分法的数学思想和解题目步骤;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;4有限元分析的基本原理;答：一、是把连续的几何机构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点；二、根据几何机构离散思想而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体,同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；三、建立用于求解节点未知量的有限元方程组,再将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题;四、求解得到节点值,再通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数;然后对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件;五、单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时,列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组,利用计算机解出节点位移后,再用与模型相关公式,计算出各单元上产生的微小变化,当各单元小到一定程度,那么它就代表连续体各处的真实情况;❖有限单元法的基本思想就是把一个连续体人为的分割成有限个单元,即把一个结构看成由若干通过结点相连的单元组成的整体,先进行单元分析,然后再把这些单元组合起来代表原来的结构;这种先化整为零、再积零为整的方法就叫有限元法;从数学的角度来看,有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组,利用计算机求解;由于有限元法是采用矩阵算法,借助计算机这个工具可以快速的算出结果;6..请简述有限元法的数学思想和解题目步骤;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;1.建模阶段建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型,从而为有限元数值计算提供必要的输入数据;有限元建模的中心任务是结构离散,即划分网格;但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等;2.计算阶段计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算;由于这一步运算量非常大,所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成;3.后处理阶段它的任务是对计算输出的结果进行必要的处理,并按一定方式显示或打印出来,以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估,并作为相应的改进或优化,这是进行结构有限元分析的目的所在;❖首先,有限元模型为计算提供所有原始数据,这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；❖其次,有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响,合理的模型既能保证计算结构的精度,又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；❖再次,由于结构形状和工况条件的复杂性,要建立一个符合实际的有限元模型并非易事,它要考虑的综合因素很多,对分析人员提出了较高的要求；❖最后,建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重,约占整个分析时间的70%,因此,把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键;9.模型中一般包括以下三类数据：❖ 1.节点数据：包括每个节点的编号、坐标值等；❖ 2.单元数据：a.单元编号和组成单元的节点编号；b.单元材料特性,如弹性模量、泊松比、密度等；c.单元物理特征值,如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d.一维单元的截面特征值,如截面面积、惯性矩等；e.相关几何数据b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据.1.分析问题定义在进行有限元分析之前,首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析,只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型;总的来说,要定义一个有限元分析问题时,应明确以下几点：a.结构类型；b.分析类型；c.分析内容；d.计算精度要求；e.模型规模；f.计算数据的大致规律2.几何模型建立几何模型是从结构实际形状中抽象出来的,并不是完全照搬结构的实际形状,而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理,以适应有限元分析的特点;3.单元类型选择划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元,包括单元的形状和阶次;单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑;4.单元特性定义有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外,还应具备一组计算所需的内部特征参数,这些参数用来定义结构材料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等.5.网格划分网格划分是建立有限元模型的中心工作,模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来;目前广泛采用自动或半自动网格划分方法,如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方法就是自动划分方法;6.模型检查和处理一般来说,用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还不能立即应用于分析;由于结构和网格生成过程的复杂性,划分出来的网格或多或少存在一些问题,如网格形状较差,单元和节点编号顺序不合理等,这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间;7.边界条件定义在对结构进行网格划分后称为离散模型,它还不是有限元模型,只有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后,网格模型才能成为完整的有限元模型;11..Ansys主要功能❖ 1. 结构分析；2. 高度非线性瞬态动力分析ANSYS/LS-DYNA；3. 热分析；4. 电磁分析；5. 流体动力学分析；6. 声学分析；7. 压电分析；8. 多场耦合分析；9. 优化设计及设计灵敏度分析； 10.二次开发功能；11. ANSYS土木工程专用包;.典型分析过程：1. 准备工作： 1清空数据库并开始一个新分析2指定新的工作文件名Jobname3指定新标题Title 4指定新的工作目录Working Directory;2.前置处理——创建有限元模型：1单元属性定义单元类型、实常数、材料属性；2创建或读入几何实体模型；3划分单元获得网络模型节点及单元：4模型检查,存储模型;3.计算求解——施加载荷进行求解：1选择分析类型并设置分析选型；2定义载荷及载荷步选项；3求解 solve;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;14.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能;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;15.简述数据库的构成和主要特征;答：数据库系统至少包含以下三部分：1.数据库：结构化的相关数据的集合,有数据间的关联性;2.物理存储器：存储数据的介质,如光盘、磁盘、磁带等;3.数据库软件：负责对数据库管理和维护的软件,其核心是DBMS;16.数据库系统管理数据具有下列特征：1.数据共享：多用户同时使用全部或部分数据;2.数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构;3.减少数据冗余：数据集中管理,统一组织、定义和存储;4.数据的结构化：数据的相互关联和记录类型的相互关联;5.统一的数据保护功能：并发控制的问题,加强了对数据的保护;17.用PC-PDF检索系统分析PVD涂层的XRD谱线1 PC-PDF检索系统2使用方法分析过程PVD涂层：高速钢TiN多弧离子镀PVD涂层;沉积工艺为：预抽真空20min,预轰击清洗15min,离子镀沉积30min后冷却出炉;涂层厚度约2～3μm,可以初步判断XRD图谱为基体的衍射峰和涂层的衍射峰的叠加;1根据相图,确定稳定相,估计非平衡相：根据Fe-Ti相图,稳定化合物只有TiFe和TiFe2两种,分析得出优先形成TiFe;根据Ti-N相图,在PVD 的温度下可能形成的稳定相有α-Ti、Ti2N及TiN,除此外,还可能出现非平衡相;2检索：采用布尔Boolean检索法对仅形成Ti-N和Fe-Ti化合物进行检索,检索出12张PDF卡片;选择编号就可得到相应的PDF卡片在每个记录中存入的主要内容有：序号、PDF卡片号、物相名、该物相所含的元素名、晶体结构参数、衍射靶参数、晶面间距值、相对强度值、晶面指数等;;结合该PVD工艺条件和PDF卡片对试样的X衍射图谱进行对照分析,得出该涂层表面主要有TiN、Ti2N 、、FeTi相;3分析：X射线衍射物相定性计算机分析系统;有了PDF卡片检索数据库,结合相分析软件可在获得 X射线衍射谱后,利用数据库来对照分析,迅速准确对物相进行分析;Philips 公司为此开发出了 PC-IDENTIFY X衍射图谱计算机分析系统,该分析系统将各衍射降的值与各个可能存在物相的 d 值逐个进行比较,最终输出分析结果;该分桥系统为 X衍射仪的一部分,能迅速对物相进行分析;18.举例说明材料数据库应用的实例;答：材料数据库应用的实例1计算机选材系统;选材系统可以查询材料基本信息、加工应用和商业信息;2合金相图数据库系统;合金相图数据库系统可以方便查询到合金系中合金状态、温度和成分之间的关系;3数据库用于材料热处理工艺设计;在热处理工艺数据库的基础上,开发了CAPP,使工艺设计中的工艺参数选择、保温时间的计算、零件图形的绘制等工作均由计算机来自动完成;4数据库在材料物相分析中的应用;该数据库可以方便的检索物相、计算物相质量分数等;19.完整的专家系统由六个组成部分的功能：1知识库：用于存放领域专家提供的专门知识,它有知识的数量和质量之分,要选择合适的知识表达方式和数据结构、把专家的知识形式化并存入知识库中;2工作数据库：包含问题的有关初始数据和求解过程的中间信息组成;3推理机：它要解决如何选择和使用知识库中的知识,并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解;4知识获取机制：实现专家系统的自我学习,在系统使用过程中能自动获取知识,不断完善扩大现有系统功能;5解释机制：专家系统在通用户的交互过程中,回答用户提出的各种问题,包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题;6人机接口：实现系统与用户之间的双向信息转换,即系统将用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式,或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式;20.将专家系统分为下列几类：1解释专家系统：通过对已知信息和数据的分析与解释,确定它们的含义,如图像分析、化学结构分析和信号解释等;2预测专家系统：通过对过去和现在已知状况的分析,推断未来可能发生的情况,如天气预报、人口预测、经济预测、军事预测;3诊断专家系统：根据观察到的情况来推断某个对象机能失常即故障的原因,如医疗诊断、软件故障诊断、材料失效诊断等;4设计专家系统：工具设计要求,秋初满足设计问题约束的目标配置,如电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等;5规划专家系统：找出能够达到给定目标的动作序列或步骤,如机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案等;6监视专家系统：对系统、对象或过程的行为进行进行不断观察,并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较,以便发现异常情况,发出警报,如核电站的安全监视等;7控制专家系统：自适应地管理一个受控对象的全面行为,使之满足预期的要求,如空中交通管制、商业管理、作战管理、自主机器人控制、生产过程控制等;21.实现"材料设计"的主要原因基本条件有以下三点：1基础理论物理和化学,特别是固体理论、量子化学和化学键理论的完善和发展；2计算机信息处理技术特别是人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等的建立和发展；3先进的材料生产和制备技术的发展：采用如急冷Splat Cooling、分子束外延MBD、有机金属化合物气相沉积、离子注入、微重力制备等;1、人工神经网络的特点和优越性表现在哪几个方面1具有自学习功能;2具有联想存储功能;3具有高速寻找优化解的能力;2、数据库数据主要特征包括1数据共享2数据独立性3减少数据冗余4数据的结构化5统一的数据保护功能;4、简述专家系统的工作过程：专家系统的工作过程大致描述为：系统根据用户提出的目标以综合数据库为出发点,在控制策略的指导下,由推理机运用知识库中的有关知识,通过不断的探索推理以实现求解的目标,因此,知识库与推理机是专家系统的核心部分,专家系统的工作过程是以知识为基础、对目标问题进行求解的过程是一个搜索过程;6、什么是人工神经网络,并画出经典人工神经网络连接形式人工神经网络是一种信息处理技术,力图模拟人类处理问题方式去理解＆利用信息;人工神经网络既可以解决定性问题,又可以解决用于直接解决定量问题,具有较好的可靠性;擅长处理复杂的多元非线性问题；具有自学能力,能从已有的实验数据中自动总结规律;7、人工神经网络的结构形式有那些,并画出结构示意图1前馈式网络2输入输出有反馈的前馈网络3前馈内层互联网络4反馈型全互联网络5反馈型局部连接网络8、人工神经网络有那些类型1解释专家系统2预测专家系统3诊断专家系统4设计专家系统5规划专家系统6监视专家系统7控制专家系统9、什么是数据库管理系统数据库管理系统简称DBMS是一组通用的程序,对数据库中数据的各种操作提供一种共用的方法,接受并完成用户提出的访问数据库的各种请求,负责数据库的建立、操纵、管理＆维护;其任务就是在保证数据安全、可靠的同时,提高数据应用时的简明性＆方便性;数据库又可分为层次型、网络型和关系型三种;10在计算机控制系统中,什么是可靠性衡量可靠性的指标是什么可靠性:是指计算机控制系统能够无故障运行的能力,具体衡量可靠性的指标是“平均故障时间”;发生故障的间隔时间越长,则系统的可靠性就越高;11、在计算机工业控制系统中,硬件系统的五大组成部分是什么微型计算机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和被控工业对象12、在计算机控制系统中,什么是可维护性可维护性：是指日常进行维护时的方便程度,并在发生故障时能尽量缩短故障时间;13、什么是传感器传感器是信息获取过程中的一个环节,是将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或控制的模拟信号的器件,由敏感元件和部分测量电路组成;14、举出至少五个可以通过教育网进行检索的全文数据库;.中国知识资源总库；2万方数据库；3维普资讯中文期刊库；4超星电子图书；5ACS期刊美国化学学会；6ScienceDirect；7Springer-Link全文期刊；7EBSCO欧美期刊全文;22.人工神经网络与材料工艺优化：材料在加工处理过程中,对最终性能的影响因素较多,关系较复杂,难以建立明确的数学模型；采用人工神经网络优化加工工艺能取得良好的效果;例：用人工神经网络方法优化7175铝合金工艺：将变形量、固溶时间和时效时间作为网络输入、合金抗拉强度和屈服强度作为输出,建立3× 6 × 2的三层BP网络,用遗传算法对训练好的网络进行优化,得到了7175铝合金在170℃时效处理的最优工艺为：冷变形％+480℃/133min固溶+170℃/10h时效;23.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法;答：多尺度材料设计的层次从广义来说,可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：1微观设计层次,空间尺度在约1nm量级,是原子、电子层次的设计；2连续模型层次,典型尺度在约1um量级,这时材料被看成连续介质；3工程设计层次,尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究;所涉及的计算模拟方法分别为：量子化学第一性原子计算,分子动力学模拟,蒙特卡洛模拟,相图计算技术,相场模拟,有限元分析和概率断裂力学方法;24.分析电子显微方法：1.电子能量损失谱法EELS：这种方法是分析电子显微方法中重要的技术之一,对轻元素的分析特别有效,还可以对材料的微区组成进行定量分析;射线能谱法EDS：它也是分析电子显微方法中的成熟的基本技术,利用电子扫描观察装置,使电子束在待测试样上作二维扫描,测量其特征X射线的强度,从而得到特征X射线强度的二维分布图像,这种观察称为元素的面分布分析方法,所以对测量元素的二维分布极为有效;3.高角度散色暗场法STEM,即Z衬度法：这是扫描透射电子显微方法应用之一;上述的各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统的控制下进行工作,而计算机控制系统都配备了不同的设备控制、数据处理分析软件,且功能强大,对检测结果的分析精度和详尽程度是人工无法比拟的;25.计算机材料缺陷评定系统软件构成：1图像采集及存储模块：用于实现参数定义、采集及存储图像;用此模块,计算机控制投影仪、显微镜、摄像机、采集和实时显示欲分析的材料图像,并以文件形式存储该图像备案;2图像预处理模块：主要用于图像增强;此模块主要包括：图像数字化、消噪处理、图像增强、锐化处理、二值化等计算机图像技术处理,以改善缺陷的图像质量;3特征提取模块：用于针对缺陷的特征,提取被采集部位的图像的缺陷信息,采用合适的识别准则判定缺陷的类型、位置等,列出缺陷的主要特征参数表格;4分析模块：主要用于列出各种缺陷分布情况结果,负责数据存储并评定级别;26. 万能材料试验机的计算机辅助测试系统CAT1系统工作原理及主要装置检测控制采用特殊的PWM数控电液比例微小流量阀：即可实现缓慢或微小的位移控制,又能实现一定速度的试验过程控制；既能作应力控制,也能作应变控制,还能作二者复合控制,且其控制范围相当宽;由计算机、 PWM流量阀和直接驱动流量阀的多功能板卡构成材料试验机的PWM数字伺服系统,使材料试验机的控制精度、控制稳定性、控制范围和软件设汁的难易程度都有较大的改善;。

1、计算机在材料科学中的应用具体体现在哪几个方面？计算机在材料科学中的应用具体体现在哪几个方面？答：（1）计算机用于新材料的设计（2）材料科学研究中的计算机模拟（3）材料工艺过程的优化及自动控制（4）计算机用于数据和图像处理（5）计算机网络在材料研究中的应用：检索信息和互相交流2．计算机模拟的定义是什么？材料科学中，可用于数值模拟的物理场有哪几类？答：计算机模拟是指建立研究对象的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和试验。

材料科学中，可用于数值模拟的物理场有：温度场、应力场、浓度场。

3．数学模型的定义是什么？按照不同的分类方法数学模型的分类情况怎样？数学模型的根本作用是什么？答：数学模型的定义是：利用数学语言对某种事物（系统）的特征和数量关系建立起来的符号系统。

分类：（1）按人们的认识过程分类：描述性模型，解释性模型。

（2）按建立模型的数学方法分类：初等模型，微分方程模型，模拟模型等（3）按模型的应用领域分类：人口模型，交通模型，水资源模型，环境模型等。

（4）按模型的特征分类：静态和动态模型，确定性和随机模型，离散和连续性模型，线性和非线性模型等（5）按对模型结构的了解程度分类：白箱模型，灰箱模型，黑箱模型。

数学模型的根本作用是：将客观事物抽象化、简单化、可推理化，使得人们可用（数学）逻辑的方法来预见、分析、推理、解决待确定的问题。

4．建立数学模型的基本步骤如何？常用的数学建模方法有哪些？答：建立数学模型的基本步骤：a.建模准备－确立建模课题，进行建模筹划。

b.建模假设－建立模型最关键的一步。

c.构造模型－构造出刻画实际问题的模型。

d.模型求解－借助计算机完成对模型的求解。

e.模型分析－对模型求解的数值结果进行分析。

f.模型检验－回到实际中去对模型进行检验。

g.模型应用－将其用于解决实际问题。

常用的数学建模方法：理论分析法、模拟方法、类比分析法5．固体的导热方程是怎样的？方程中各项物理量的名称和意义如何？()()()()分方程。

《材料成型计算机模拟》课程设计说明书课题名称计算机辅助棒材挤压模设计. 指导教师张金标. 专业小组2012材控第13设计小组.小组成员1210121120.1210121121 .1210121122.1210121124.1210121125.1210121126.1210121127.1210121128.1210121129.1210121130.2015年11月13日《材料成型计算机模拟》课程设计任务书一、课题名称本设计课题为计算机辅助棒材挤压模设计。

二、设计目的掌握挤压变形工具设计方法，巩固挤压变形理论与知识，进一步熟悉数值模拟软件的使用方法，培养CAE在金属塑性成形中的应用技能。

设计棒材挤压工艺参数和模具结构参数，运用DEFORM软件模拟分析设计参数的合理性。

三、概述挤压是对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需要断面形状和尺寸的一种塑性加工方法，有正挤压、反挤压、组合挤压、连续挤压、静液挤压等多种形式。

挤压成形能充分发挥金属塑性，获得大变形量，实现由坯料到成品的一次成型。

挤压变形能显著改善金属材料的组织，提高制品的力学性能、尺寸精度和表面质量。

因此，挤压是金属材料加工的一种应用广泛的成形方法，适用于薄壁、细长的管、线、型材的生产，特别是断面复杂的异型材的加工生产。

但是，挤压变形也存在制品组织与性能不均、工模具磨损快和设备负荷高等缺点。

挤压制品的组织性能、表面质量、尺寸及形状精度、工模具损耗以及能量消耗都与坯料、挤压工艺、工模具结构尺寸和形状等因素相关。

因此，挤压工艺与工模具的设计合理与否是挤压成形的关键。

本设计以 20mm棒材（黄铜DIN_CuZn40Pb2）挤压成形为例（图1所示），研究挤压变形工艺参数、模具结构形状与尺寸对金属流动、变形力等参数的影响，通过DEFORM软件模拟分析参数的合理性。

四、设计内容与要求1、设计内容（1）运用金属塑性变形理论、金属挤压成形理论与工艺的知识，选择坯料，设计挤压工艺参数。

《计算机在材料科学中的应用》上机资料（2013级高分子专业用）湖北工业大学材料科学与工程学院2015年2月Version4.0前言当前，计算机在材料科学中的应用(Compnter Applicationln Materials Science)已经发展成为材料科学与工程的一个新的学科分支，涉及很多的学科和领域，需要把材料科学的专业知识与计算机技术、计算数学、信号与系统、物理、图形图像学、自动控制技术、机械等各方面的知识技术进行综合应用。

计算机在材料科学中的应用是指以计算机为手段，通过理论和计算对材料的固有性质、结构与组分、使用性能及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向，其目的在于使人们能主动地对材料进行结构、功能与工艺的优化与控制，以使按需要开发及制备新材料。

把计算机应用于材料科学的思想产生丁20世纪50年代，其形成为一门独立的新兴学科则是20世纪80年代以后的事，在我国20世纪90年代逐步有学者进行这方面的研究尝试工作。

近年来，现代科学(信息技术、量子力学、统计物理、固体物理、量子化学、计算科学、计算机图形学等)理论和方法技术的飞速发展，以及计算机能力的空前提高为材料计算机模拟提供了理论基础和有力手段。

计算机在材料领域中的应用的发展将使材料科学从半经验的定性描述逐渐进入半定量到定量预测和控制的更为科学的阶段。

材料的计算机模拟技术及应用已经成为现代材料科学研究中最为活跃的一个重要分支。

目前计算机在材料领域中的应用在国际上还没有统一的通用术语，美国习惯称其为材料的“计算机分析与模型化”(computer-based analysis and modeling)，欧洲则称它为“计算材料科学”(Computational material Science)，日本则称其为“材料设计”(Material design)，等等。

尽管在用语上不完全一样，各国在研究领域和特色上也不尽相同，但基本含义是相同的。