计算机在材料科学与工程中的应用 PPT
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计算材料-第一性原理
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
材料计算模拟的尺度
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
典型模拟方法及所对应的模拟尺度
材料电子结构模拟-第一性原理 材料原子层次模拟-分子动力学 材料介观层次模拟-相场动力学 材料宏观层次模拟-有限元法
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
多粒子体系的第一性原理
材料的性质（如硬度、电磁和光学性质）和发生在固体内 的物理和化学过程是由它所包含的原子核及其电子的行为 决定的。
理论上，给定一块固体化学成分（即所含原子核的电荷和 质量），我们就可以计算这些固体的性质。因为一块固体 实际上是一个多粒子体系。决定这个体系性质的波函数可 以通过解薛定谔（Schrödinger）波动方程来获得。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
计算材料学用途
曾庆丰说，迈海材料基因组国际研究院是在华夏幸福、清华产业 园、陕西金控等产业资本支持下成立的，预计到2020年形成初具 规模的产业链布局，主要包括材料基因组软件、新能源材料、低 维材料与器件、石墨烯、生物3D打印和特色专科医院等，将形 成超过10亿元人民币规模的材料基因组产业集群。
1964年，P.Hohenberg和W.Kohn在非均匀电子气理论的基础上，提出两个基本 定理，奠定了密度泛函理论的基础。
定理1：对于一个共同的外部势v(r), 相互作用的多粒子系统的所有基态性质都由
（非简并）基态的电子密度分布n(r)唯一地决定。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
1965年柯恩又和沈吕九证明(W. Kohn and L. J. Shan, Physical Review 140, All33)：一个多粒子体系的粒子密度函数可以通过一个 简单的单粒子波动方程获得。这个单粒子波动方程现在被称作柯恩 －沈（Kohn-Sham）方程。 Hohenberg，Kohn和Shan的理论就是诺贝尔化学奖颁词所指的密 度泛函理论。显然，密度泛函理论大大简化了应用量子力学探讨材 料物理性质所涉及的数学问题。
计算机在材料科学中的应用1PPT课件
(d)聚合物体系的性能预测和分析软件 (Property Prediction &
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
-
4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
14
计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
-
15
计算机网络在材料研究中的应用
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
-
4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
14
计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
-
15
计算机网络在材料研究中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用(1)讲解
在材料科学与工程中，一些仪器就采 用了图象处理技术，如SEM等仪器。在工程 中，采用图像处理技术可代替人工对产品 进行自动检测，大大节省了人力资源，提 高了劳动生产率。
在线自动检验------通过数码相机，将照 得的图像自动处理，辨识技术，达到自动 检验的目的。
在军事上，弹道导弹，巡航导弹
第二章 计算机应用数学基础
众所周知:要是方程有唯 一的解,这 些方程应是线性无关.也就是系数矩 阵行列式不等于零.主要解法有消元 法,追赶法,迭代法.
实际上,可分为两大类
直接法: 高斯法
间接法 : 迭代法
2.3.1 直接解法
1. 高斯消元法 高斯消元法的分类:
a. 顺序消元法, b. 列主元素法 c.全主元素法
a. 顺序消元法
xmid=(xn+1+xn)/2 再算出点的函数值f(xmid),若f(xmid)与f(xn)同号，则用 f(xmid)代替f(xn)，否则， f(xmid)代替f(xn+1)。 于是含根区间就成为[xmid,xn+1]或[xn,xmid],根的区间范 围进一步减小。如此继续下去，当误差足够小时，就 停止迭代。
动量传递耦合应用
3.材料: 从头算,量子力 学和量子化学计算指 导分子设计
4.管理:ERP 5.CAD和CAI 6. 图象处理
(1)数值计算 数值计算（numerical computation）
就是有效使用数字计算机求数学问题近似 解的方法与过程，以及由相关理论构成的 学科。
①研究新材料。可以采用数据处理、仿真技术、数学模型、数
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较， 照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。 如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤，
计算机在材料科学与工程中的应用课件
Properties
electronic mechanຫໍສະໝຸດ cal optical, etc.
Structure
micro-, nano-, molecular, crystal
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
STM image of C60 molecules adsorbed on Cu(111) surface (Hashizume et al., Phys. Rev. Lett. 71, 2959 (1993))
Continuous Metal Cast Process
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
工艺过程的优化及自动控制
Continuous Metal Roll Process
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
工艺过程的优化及自动控制
1.3课程演变及安排
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
Scale Length (meters) Time (seconds)
Quantum/ Molecular 10 -11—10 -8 10
-16
Atomistic /Nano 10 -9—10 -6 10 -13—10
-10
Mesoscopic 10 10
-6
Macroscopic > 10 > 10
4 5
6 4 44 6
材料科学文献检索实践
1.3课程演变及安排
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
参考书
1)刘庄，吴肇基等. 热处理过程的数值模拟. 北京：科学出 版社，1996. 2)乔芝郁,许志宏.刘洪霖. 冶金和材料计算物理化学.北京： 冶金工业出版社，1999 3), TCW Basic Manual, Stockholm, Sweden, March 2002. 4)“FACT-Win - User Manual”, C.W. Bale and A.D. Pelton, CRCT, Ecole Polytechnique de Montréal, Québec, Canada; January 1999 (http://www.crct.polymtl.ca)
(完整版)计算机在材料科学与工程中的应用-完整版20130918
利用计算机网络，材料科学工作者可以很方便地查 阅文献、相互交流、及追踪材料科学研究发展动向。
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。
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。
材料科学与工程导论PPT课件
太空行走
可编辑课件PP火T 星探测
太空攻19 防
世界前沿科技领域的发展动向
航空技术发展面临历史性机遇，应用前景广阔
高超声速导弹、飞机有望在2020年左右进入实际应用 高效、环保发动机的研制倍受关注 智能结构技术开始得到应用，如智能蒙皮、变形飞机等 无人驾驶飞机称为研究热点
航空发动机 可编辑课件PPT
卫星
经济和社会发展对材料科技的重大需求
信息
基础及支柱产业的发展
机械计算机 电子计算机 晶体管计算机 当代计算机
电子管
晶体管 计算机的发展
集成电路
可编电辑课话件PP的T 演变历史
9
经济和社会发展对材料科技的重大需求
能源
基础及支柱产业的发展
铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池
锂
电 池
锂离子电池 燃料电池 太阳能电池
可编辑课件PPT
3
经济和社会发展对材料科技的重大需求
基础及支柱产业的发展
材料 科技
重大 前沿科技的发展 需求 生活质量的提高
外 力
材料科学自身的发展
可编辑课件PPT
4
经济和社会发展对材料科技的重大需求
制备
工业原料
制备
开采
原材料
矿产
再生循环
工程材料 分类/再制造
产品设计 制造装配
废料
农业、建筑、环境
无人机20
世界前沿科技领域的发展动向
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实 现可持续发展
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点 核能技术酝酿新的突破 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景
核电站
可编辑课件PP燃T 料电池车
计算机在材料科学中的应用上机实验
计算机在材料科学中的应用上机实验计算机在材料科学领域的应用已经成为研究人员和工程师的重要工具。
使用计算机进行上机实验，可以帮助研究人员更好地理解材料性能和行为，并加速材料设计和开发的进程。
下面将介绍计算机在材料科学中的几个重要应用。
1.材料建模与仿真计算机可以用于材料建模和仿真，通过计算模拟材料性能的变化。
例如，分子动力学模拟可以用于研究原子或分子水平上的材料行为，从而揭示材料的力学性能和热力学性质。
此外，密度泛函理论计算可以用于预测材料的电子结构和光学性质。
这些模拟和计算能够帮助研究人员更好地理解材料的性质，在设计新材料时提供重要的指导。
2.材料性能优化通过计算机仿真，可以进行材料性能的优化。
使用材料属性数据库和机器学习算法，可以通过计算预测材料的性能，并为材料设计和优化提供指导。
例如，通过计算机辅助设计和优化，可以预测材料的力学性能、热电性能和光学性能等，并选择合适的工艺和材料组成来满足特定需求。
这种计算辅助的材料设计方法能够减少实验试错和成本，加快材料开发的速度。
3.界面与相互作用研究计算机模拟可以用于研究材料间的相互作用和界面性能。
例如，通过分子动力学模拟可以研究材料的界面结构和界面力学性能，为多相材料的设计和开发提供指导。
计算机还可以模拟材料的界面和表面反应，研究材料的腐蚀行为和氧化反应等。
通过计算机模拟的研究，可以深入了解材料的界面行为和相互作用机制，从而提高材料的表面性能和应用效果。
4.材料制备和工艺优化计算机在材料制备和工艺优化方面也有重要的应用。
通过计算机模拟可以预测材料在不同制备条件下的结构和性能变化，帮助工程师选择合适的制备工艺参数。
例如，通过计算机模拟可以优化材料的晶体生长过程，从而获得高质量的晶体。
此外，计算机还可以模拟材料的熔融过程、液滴形成和纳米颗粒的生长等，为材料的制备和工艺优化提供重要的指导。
综上所述，计算机在材料科学中的应用上机实验具有重要意义。
通过计算机模拟和计算，可以深入研究材料的性能和行为，加快材料设计和开发的进程。
材料研究与计算机应用讲义-实践部分2011
318.56 326.337
334.114 341.891
349.669 357.446
365.223 373
作业 用ANSYS有限元软件分析6061Al/SiC层合复合材料的温度场。其结 ANSYS有限元软件分析6061Al/SiC层合复合材料的温度场。 有限元软件分析6061Al/SiC层合复合材料的温度场 构示意图及尺寸见下图。材料性能数据见表。 构示意图及尺寸见下图。材料性能数据见表。初始和边界条件 对称面的温度分布为0 外表面为40 40° 求其温度场分布。 为：对称面的温度分布为0°C，外表面为40°C。求其温度场分布。
1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 TEMP RSYS=0 SMX =40 MAY 4 2008 23:30:05 (AVG)
Y Z
MN MX
Y X
MN MX
Z
X
0 4.444
8.889 13.333
17.778 22.222
26.667 31.111
35.556 40
dε p
Q = A m sinh(ξσ s) exp dt kT
ds a B dε = h0 B dt B dt
(
)
( )
B =1 −
∗
S S
∗
n
ˆ dε dt exp Q S = S kt A
其中， 其中， dε p 为等效塑性应变率， Boltzmann激活能常数 激活能常数； 为常数； dt 为等效塑性应变率，Q/k为Boltzmann激活能常数；A为常数； 为应力乘子； 为等效应力； 为硬化常数； 的饱和值； ξ为应力乘子；σ为等效应力；h0为硬化常数；为S的饱和值；为系 为绝对温度； 为应变率敏感指数； 为应变率硬化敏感指数； 数；T为绝对温度；m为应变率敏感指数；a为应变率硬化敏感指数； n为饱和值应变率敏感值。 为饱和值应变率敏感值。 （4）循环温度载荷曲线见图10，温度循环加载加在全部节点上。 循环温度载荷曲线见图10，温度循环加载加在全部节点上。 10 温度范围为-55° 125° 降温速率为20 C/min。 20° 温度范围为-55°C∼125°C，升、降温速率为20°C/min。高、低温保 温时间为25min 循环周期为68min/cycle 共进行2个温度循环； 25min， 68min/cycle， 温时间为25min，循环周期为68min/cycle，共进行2个温度循环；
计算机在材料中的应用
材料科学中计算机的应用计算机作为一种最先进的现代工具在材料科学与工程中也发挥着巨大的作用，为材料科学的发展和变革起到了推动作用。
目前，材料行业利用计算机和网络技术进行文献搜索与资源共享外还将计算机技术用运在材料性能检测、新材料合成设计、计算机辅助分析、计算机检测和控制、数据库与专家系统等领域。
在材料科学中常用的计算机软件有：数据处理软件Excel，幻灯片制作演示软件Powerpoint，科学计算绘图软件Origin，多媒体制作工具Authorware，图形图像处理软件Photoshop，分子绘图软件ChemWindow、ChenbioOffice、Weblob Viewpro等数据处理软件Excel数据处理软件——Excel主要包括如下数据分析处理功能：1、强大的制表功能；可以直接输入数据形成人们所熟悉的数据表格，也可以导入数据来生成数据表格，导入的数据包括数据库、文本数据清单。
数据表格有多种形式且包括多种数据类型，其中显著的特点是包含公式和链接。
2、强大的数据管理功能；可对各种数据清单进行查找、排序、筛选、录入、分类汇总、分级显示等操作。
3、数据分析处理；Excel数据处理包括数值的和非数值的计算。
4、图形处理工具；Excel 提供了多种图形处理工具，如图表向导、绘图工具等。
可将表格数据用图标图形表示出来，也可用指定宏的方法将绘制的图形与表格数据相关联，并可对图形进行各种编辑，如色彩形状等。
5、宏自动化与VBA扩展；宏可使一些常规的操作自动完成，并且可用VBA编辑器修改其代码。
6、信息共享与网络化；可打印出各种形式的表格与他人共享，也可发布到网络上方便查询并与各种形式的数据资源共享。
幻灯片制作演示软件PowerpointPowerpoint是Microsoft公司推出的Office系列产品之一。
主要用于演示文稿的创建，即幻灯片的制作。
可有效帮助演讲、教学，产品演示等。
Powerpoint 是用于设计制作专家报告、教师授课、产品演示、广告宣传的电子版幻灯片，制作的演示文稿可以通过计算机屏幕或投影机播放。
计算机在MSE中的应用
i 1 i 1 m m
p ( x ) a0 a1 x 3 a2 x 5
Q ( a , b ) 均方误差
下午10时49分 Miao Deng 15
一元线性拟合
例1.1：下表为实验测得的某一物性和温度之间的关系数据， 表中x为温度数据，y为物性数据。请用线性函数拟合温度 和物性之间的关系。
下午10时49分 Miao Deng 6
下午10时49分 Miao Deng
7
1.3 课程学习安排
1.3.1 内容安排(16h上课+16h实验)
绪论 数据与图像处理 数据库与材料设计 计算机在材料检测中的应用 互联网在材料研究中的应用
下午10时49分 Miao Deng
8
1.3 课程学习安排
2.1 Origin简介
4、可对坐标轴名称进行命名，并可进行字体 大小及型号的选择； 5、可将实验数据进行各种不同的回归计算， 自动打印出回归方程及各种偏差； 6、可将生成的图形以多种形式保存．以便在 其他文件中应用； 7、可使用多个坐标轴，并可对坐标轴位置、 大小进行自由选择。
下午10时49分 Miao Deng 20
1.0
0.8
0.6
p
0.4 0.2 0.0 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
t
下午10时49分 Miao Deng
17
2 Origin 在实验数据处理中的应用
2.1 Origin简介
2.2 Origin 的基本操作 2.3 应用示例
下午10时49分 Miao Deng
Properties
electronic mechanical optical, etc.
p ( x ) a0 a1 x 3 a2 x 5
Q ( a , b ) 均方误差
下午10时49分 Miao Deng 15
一元线性拟合
例1.1：下表为实验测得的某一物性和温度之间的关系数据， 表中x为温度数据，y为物性数据。请用线性函数拟合温度 和物性之间的关系。
下午10时49分 Miao Deng 6
下午10时49分 Miao Deng
7
1.3 课程学习安排
1.3.1 内容安排(16h上课+16h实验)
绪论 数据与图像处理 数据库与材料设计 计算机在材料检测中的应用 互联网在材料研究中的应用
下午10时49分 Miao Deng
8
1.3 课程学习安排
2.1 Origin简介
4、可对坐标轴名称进行命名，并可进行字体 大小及型号的选择； 5、可将实验数据进行各种不同的回归计算， 自动打印出回归方程及各种偏差； 6、可将生成的图形以多种形式保存．以便在 其他文件中应用； 7、可使用多个坐标轴，并可对坐标轴位置、 大小进行自由选择。
下午10时49分 Miao Deng 20
1.0
0.8
0.6
p
0.4 0.2 0.0 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
t
下午10时49分 Miao Deng
17
2 Origin 在实验数据处理中的应用
2.1 Origin简介
2.2 Origin 的基本操作 2.3 应用示例
下午10时49分 Miao Deng
Properties
electronic mechanical optical, etc.
计算机在材料科学与工程中的应用
据库在材料设计、合理选材等方面发挥了巨大作用。
例如/SDB/
2021/4/6
15
2021/4/6
16
3、计算机在材料的组成和结构研究中的应用
材料的组成和结构对于材料的性能和应用有着非常强烈的 影响。
现今材料的组成和结构表征主要采取各种大型分析设备，如扫 描电镜 (SEM)， 透射电镜 (TEM)， 分析电镜 (AEM)， 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射线衍射仪，电子衍射，中子衍射等。
。
Jaguar速度达到每秒1750万亿次运算排名 第一 ,中国深圳国家超级计算机中心的曙 光星云计算机以1271万亿次排名第二
2021/4/6
6
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
2021/4/6
7
1946年 美国 ENIAC
1955年退役ຫໍສະໝຸດ 十进制运算18 000 1 500
150 30 1 500 5 000
材料科学目前还更多地依赖于事实和经验积累的特 点，使得计算机在材料科学中的应用以及所起的作 用更为重要。
2021/4/6
13
1 、计算机用于材料设计
材料设计是研究材料的合成和制备问题的终极 目标之一，材料科学的发展现状离材料设计这一 终极目标尚远，许多化学家、物理学家和材料学 家仍然在这一方向上进行着艰难和持续的努力。
计算机在材料科学与工程中的应用
Computer in MSE
2021/4/6
1
一、 材料科学与工程(MSE)
1、MSE研究内容 是研究材料组成、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。
例如/SDB/
2021/4/6
15
2021/4/6
16
3、计算机在材料的组成和结构研究中的应用
材料的组成和结构对于材料的性能和应用有着非常强烈的 影响。
现今材料的组成和结构表征主要采取各种大型分析设备，如扫 描电镜 (SEM)， 透射电镜 (TEM)， 分析电镜 (AEM)， 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射线衍射仪，电子衍射，中子衍射等。
。
Jaguar速度达到每秒1750万亿次运算排名 第一 ,中国深圳国家超级计算机中心的曙 光星云计算机以1271万亿次排名第二
2021/4/6
6
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
2021/4/6
7
1946年 美国 ENIAC
1955年退役ຫໍສະໝຸດ 十进制运算18 000 1 500
150 30 1 500 5 000
材料科学目前还更多地依赖于事实和经验积累的特 点，使得计算机在材料科学中的应用以及所起的作 用更为重要。
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13
1 、计算机用于材料设计
材料设计是研究材料的合成和制备问题的终极 目标之一，材料科学的发展现状离材料设计这一 终极目标尚远，许多化学家、物理学家和材料学 家仍然在这一方向上进行着艰难和持续的努力。
计算机在材料科学与工程中的应用
Computer in MSE
2021/4/6
1
一、 材料科学与工程(MSE)
1、MSE研究内容 是研究材料组成、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。
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• 以4因子2水平实验来讲，最少需超过实验次数＝ (2-1)x 4+1＝5，又因为水平数是2，所以只能从 2n因子正交表中选实验稍大于5的正交表，根据 这点选L8(27)表安排实验。这就成了全实施的1/2 实验方案了。(因为全实施是24=16)
L 9 ( 3 ) 4 正交表
只要求做9种搭配
9B
A
9
正交试验设计的概念
正交试验设计是从全搭配中应用均衡抽样的原理， 选出具有代表性的试验来做，而不需要象析因设计， 设计全搭配。因此能节省财力，实验效率很高。是 我国目前正在推广的软科学方法之一。
三个因素：A(3) B(3) C(3) 全搭配：3×3×3 = 27
A1
B1
C1
A2
B2
C2
A3
B3
C3
L9 (34 )
遵循的基本原则：
1、抓住主要的关键性因素
2、已经研究清楚的因素可少取，也可固定在 某个水平上，未知因素可多取
3、重点考察对试验结果影响较大，但还没有 掌握规律的因素
4、切忌不分主次考察很多因素，增加试验难 度，漏掉重要因素
5、分析因素间的是否有交互作用存在 是否存在交互作用主要从专业上考虑
步骤一 制定因素及水平表
实验设计
• 实验设计大致可以 分为四种类型：析 因设计、区组设计、 回归设计和均匀设 计。析因设计又分 为全面实施法和部 分实施法。析因实 验设计方法是正交 实验设计。
正交实验
• 正交法五十年代由日本统计学家和质量管 理专家田口玄一博士发展完善，并广泛应 用到国民经济的各个域，极大地促进了日 本经济的高速增长。
1、研究因素 理中汤中有四味中药，以每味中药作为因素
A —— 人 参 B —— 白 术
C —— 干 姜
D —— 甘 草 交互作用
人参与白术 —— A×B 人参与干姜 —— A×C 白术与干姜 —— B×C
• 以B、L4C(三23因)表子的实l验、为2、例3，列从安纵排列A、 来讲，第一列表内的数字l代表 安排A的第一个水平，2代表安 排A的第二个水平(其它列号也 照此安排)；以横行来讲，第一 号实验，表示做A1,B1,C1配方 实验，第二号实验做A2,B2,C2 配方实验(其它以此类推)。
特点
• 1．每一列中，数字1和数字2出现的次数相 等(这里都是2次)。
计算机在材料科学与工程中的应用
正交试验设计
• 进行一项科研如同建造一座大厦，其设计、 质量控制、分析、验收等都十分重要。如 果大厦没有良好的设计和质量控制，就会 出现问题，甚至倒塌。科研工作若没有良 好的设计和质量控制，就会失败，得出错 误的结果，浪费国家的钱财。
• 科研设计如同建筑设计一样举足轻重。
9 C
全搭配 27
L8 (2 7 )
设计矩阵
27 128
工作量：
8/128 = 6.25%
正交设计的试验次数是水平数平方的整数倍
实验设计的目的
1、高效，用最少的投入，说明尽可能多问题。 2、控制误差，将真正的因素效应显示出来 3、结果科学、可靠
正交设计的另一特点，是能把各个因素的效应进行分解， 利用正交表的性质，可以进行单因素分析。
1
A2
3
1
将效应投射到
Y
分 解
B2
不同的平面， 这样就能区分
3
效应
1
C2
3
分解的前提：必须按正交的要求来安排实验。
效应或 反应 (response)
Y
A
效
应
B
分
解
作
用
C 效应分解而不混杂：前提按正交表要求安排实验
多因素正交试验与单因素设计的区别
科学中，多种因素相互作用后，产生的某种效应，显 然这种效应是受多种因素影响，而且这些因素之间， 常常相互影响（即所谓交互作用：协同作用和拮抗作 用），不能简化为单因素优选进行考察，单因素分析 不能反映实际情况。正交设计能分析这种多因素及它 们间的相互作用。
水平数的选择也很重要，直接影响试验的质量， 注意以下几点：
1、初次试验，水平数可以2~3个为宜，不能贪 多，水平数可以相等，也可不等。 2、重要因素水平数可多取
3、用数量表示水平的因素，各水平间的距离 要选择恰当，过近结果差异不显然，过远， 有可能漏掉两水平间重要信息
应用实例-1：
某研究者欲观察，理中汤中四味中药对治疗纳 呆久泻的脾阳虚证的疗效作用的规律。
只要做9次试验
逐一实验 工作量大 无法进行 没有必要
正交表
• 正交表是安排实验、分析实验的一种简单 而容易掌握的有力工具。它是根据数理统 计原理归纳出来的一种合理安排实验的表 格。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
L4(23）
• 正交表的L代表“正交”之意， 在L底部的数字，表示表中的横 行数，是安排实验的次数，此 表可安排4次实验；括号内的大 数字表示表内有几种数字，即 每个因子可安排的水平数，此 表每个因子可安排两个水平； 括号内大数字右上角的小数字， 表示表中纵列数，为可安排的 因子数，此表最多可安排三个 因子之意。
实例说明：
A
配方
B
Y 效应
C 因素
效应
正交试验设计方案制定
• 制定因素及水平表 • 设计试验方案
– 选择合适的正交表 – 表头设计 • 开展试验
步骤一 制定因素及水平表
首先根据研究目的和条件，根据文献研究、实
际经验，从专业上全面分析和考虑，将要开展的试
验大概涉及哪些因素（主要因素和次要因素）和水 平数。
• 2．任意两列中，将同一横行的二个数字看 作有次序的数对(就是按左边的放在前，右 边的放在后，这一次序排列的数对)，共有 四种：(1，1)，(1、2)，(2，1)，(2，2)， 每种数对出现的次数相等。
• 以上两点就是正交表的两个数学性质，凡 满足这个性质的数字表都称为正文表。
如何来选用正交表
• 根据实验因子水平数减一乘以因子数，最后加一， 若有交互影响，再加上交互作用因子的自由度乘 以交互作用因子数，即是最少需超过的实验次数， 最后根据最少需超过的实验数和因子水平数选用 正交表。
• 均匀设计则由中国统计学家方开泰和王元 所创。
田口玄一
方开泰
王元
正交实验
• 正交试验设计是用于多
因素试验的一种方法，它 是从全面试验中挑选出部 分有代表的点进行试验， 这些代表点具有“均匀” 和“整齐”的特点．正交 试验设计是部分因子设计 〔fractional factorial designs)的主要方法，具 有很高的效率。本节介绍 正交设计的方法、数学模 型及其数据分析。
L 9 ( 3 ) 4 正交表
只要求做9种搭配
9B
A
9
正交试验设计的概念
正交试验设计是从全搭配中应用均衡抽样的原理， 选出具有代表性的试验来做，而不需要象析因设计， 设计全搭配。因此能节省财力，实验效率很高。是 我国目前正在推广的软科学方法之一。
三个因素：A(3) B(3) C(3) 全搭配：3×3×3 = 27
A1
B1
C1
A2
B2
C2
A3
B3
C3
L9 (34 )
遵循的基本原则：
1、抓住主要的关键性因素
2、已经研究清楚的因素可少取，也可固定在 某个水平上，未知因素可多取
3、重点考察对试验结果影响较大，但还没有 掌握规律的因素
4、切忌不分主次考察很多因素，增加试验难 度，漏掉重要因素
5、分析因素间的是否有交互作用存在 是否存在交互作用主要从专业上考虑
步骤一 制定因素及水平表
实验设计
• 实验设计大致可以 分为四种类型：析 因设计、区组设计、 回归设计和均匀设 计。析因设计又分 为全面实施法和部 分实施法。析因实 验设计方法是正交 实验设计。
正交实验
• 正交法五十年代由日本统计学家和质量管 理专家田口玄一博士发展完善，并广泛应 用到国民经济的各个域，极大地促进了日 本经济的高速增长。
1、研究因素 理中汤中有四味中药，以每味中药作为因素
A —— 人 参 B —— 白 术
C —— 干 姜
D —— 甘 草 交互作用
人参与白术 —— A×B 人参与干姜 —— A×C 白术与干姜 —— B×C
• 以B、L4C(三23因)表子的实l验、为2、例3，列从安纵排列A、 来讲，第一列表内的数字l代表 安排A的第一个水平，2代表安 排A的第二个水平(其它列号也 照此安排)；以横行来讲，第一 号实验，表示做A1,B1,C1配方 实验，第二号实验做A2,B2,C2 配方实验(其它以此类推)。
特点
• 1．每一列中，数字1和数字2出现的次数相 等(这里都是2次)。
计算机在材料科学与工程中的应用
正交试验设计
• 进行一项科研如同建造一座大厦，其设计、 质量控制、分析、验收等都十分重要。如 果大厦没有良好的设计和质量控制，就会 出现问题，甚至倒塌。科研工作若没有良 好的设计和质量控制，就会失败，得出错 误的结果，浪费国家的钱财。
• 科研设计如同建筑设计一样举足轻重。
9 C
全搭配 27
L8 (2 7 )
设计矩阵
27 128
工作量：
8/128 = 6.25%
正交设计的试验次数是水平数平方的整数倍
实验设计的目的
1、高效，用最少的投入，说明尽可能多问题。 2、控制误差，将真正的因素效应显示出来 3、结果科学、可靠
正交设计的另一特点，是能把各个因素的效应进行分解， 利用正交表的性质，可以进行单因素分析。
1
A2
3
1
将效应投射到
Y
分 解
B2
不同的平面， 这样就能区分
3
效应
1
C2
3
分解的前提：必须按正交的要求来安排实验。
效应或 反应 (response)
Y
A
效
应
B
分
解
作
用
C 效应分解而不混杂：前提按正交表要求安排实验
多因素正交试验与单因素设计的区别
科学中，多种因素相互作用后，产生的某种效应，显 然这种效应是受多种因素影响，而且这些因素之间， 常常相互影响（即所谓交互作用：协同作用和拮抗作 用），不能简化为单因素优选进行考察，单因素分析 不能反映实际情况。正交设计能分析这种多因素及它 们间的相互作用。
水平数的选择也很重要，直接影响试验的质量， 注意以下几点：
1、初次试验，水平数可以2~3个为宜，不能贪 多，水平数可以相等，也可不等。 2、重要因素水平数可多取
3、用数量表示水平的因素，各水平间的距离 要选择恰当，过近结果差异不显然，过远， 有可能漏掉两水平间重要信息
应用实例-1：
某研究者欲观察，理中汤中四味中药对治疗纳 呆久泻的脾阳虚证的疗效作用的规律。
只要做9次试验
逐一实验 工作量大 无法进行 没有必要
正交表
• 正交表是安排实验、分析实验的一种简单 而容易掌握的有力工具。它是根据数理统 计原理归纳出来的一种合理安排实验的表 格。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
L4(23）
• 正交表的L代表“正交”之意， 在L底部的数字，表示表中的横 行数，是安排实验的次数，此 表可安排4次实验；括号内的大 数字表示表内有几种数字，即 每个因子可安排的水平数，此 表每个因子可安排两个水平； 括号内大数字右上角的小数字， 表示表中纵列数，为可安排的 因子数，此表最多可安排三个 因子之意。
实例说明：
A
配方
B
Y 效应
C 因素
效应
正交试验设计方案制定
• 制定因素及水平表 • 设计试验方案
– 选择合适的正交表 – 表头设计 • 开展试验
步骤一 制定因素及水平表
首先根据研究目的和条件，根据文献研究、实
际经验，从专业上全面分析和考虑，将要开展的试
验大概涉及哪些因素（主要因素和次要因素）和水 平数。
• 2．任意两列中，将同一横行的二个数字看 作有次序的数对(就是按左边的放在前，右 边的放在后，这一次序排列的数对)，共有 四种：(1，1)，(1、2)，(2，1)，(2，2)， 每种数对出现的次数相等。
• 以上两点就是正交表的两个数学性质，凡 满足这个性质的数字表都称为正文表。
如何来选用正交表
• 根据实验因子水平数减一乘以因子数，最后加一， 若有交互影响，再加上交互作用因子的自由度乘 以交互作用因子数，即是最少需超过的实验次数， 最后根据最少需超过的实验数和因子水平数选用 正交表。
• 均匀设计则由中国统计学家方开泰和王元 所创。
田口玄一
方开泰
王元
正交实验
• 正交试验设计是用于多
因素试验的一种方法，它 是从全面试验中挑选出部 分有代表的点进行试验， 这些代表点具有“均匀” 和“整齐”的特点．正交 试验设计是部分因子设计 〔fractional factorial designs)的主要方法，具 有很高的效率。本节介绍 正交设计的方法、数学模 型及其数据分析。