计算机在材料科学中的应用 第6章 材料加工过程的计算机控制
计算机在材料科学中的应用
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。
武汉理工大学-历年真题清单
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岩石力学1997——2000，2002岩体力学2003——2007（注：2003年有两种）结构力学2002——2009量子力学2004——2009物理光学2002，2004——2009电磁场与电磁波2004电磁场理论2005——2009概率论与数理统计2001——2009数值分析2002，2004——2007高等代数2001——2009数学分析2002——2009常微分方程2002——2007线性代数2002普通物理2002——2009运筹学2002——2008（注：2002年试卷有两种）物理化学2002——2009有机化学2002——2007无机化学2002——2009化学原理2008——2009基础无机化学2007物理化学原理2007高等数学2007，2009高等数学（工）2002——2006，2008高等数学（二）2004高等数学（文）2003——2005复试科目：应用化学专业复试2003复试科目：应用数学专业复试2003复试科目：固体力学专业复试2003资源与环境工程学院物理化学2002——2009材料力学1997——2000，2002——2009岩石力学1997——2000，2002岩体力学2003——2007（注：2003年有两种）岩石力学与工程2004——2009矿山岩石力学2002无机化学2002——2009浮选2002固体废物处理工程2002水污染控制工程2002大气污染控制工程2002化工基础2002——2007化工原理2002——2009（注：2002年称“环境化工原理”）采矿学2002安全工程学2007——2009爆破工程2002——2009（注：2003年称“凿岩爆破”）流体力学2002——2004胶体化学2003——2009结晶矿物学2003——2006环境学概论2004——2009环境化学2004——2007环境流体力学2002，2005——2007环境工程微生物学2005——2006环境生物学2005——2007矿物加工工程专业复试科目：综合复试2003采矿工程专业复试科目：专业复试2003环境工程专业复试科目：环境工程专业复试2003；加试科目：环境工程专业加试2003材料科学与工程学院材料科学基础2002——2009普通物理2002——2009材料力学1997——2000，2002——2009医学综合一（含生物化学、无机化学）2008——2009医学综合二（含生物化学、高分子化学）2008医学综合三（含生物化学、组织学）2008——2009医学综合2002，2004细胞生物学2002——2007组织学2002——2007物理光学2002，2004——2009计算机在材料科学中的应用2007计算机在材料中的应用2004——2005工程材料2002——2007生物化学2002——2007物理化学2002——2009有机化学2002——2007无机化学2002——2009陶瓷工艺原理2002玻璃工艺原理2002复合材料工艺2002铸造合金及其熔炼2002塑性成型原理2002材料成型原理2003——2009焊接冶金2002金属热处理2002金属材料学2007固体物理2002——2009聚合物加工原理与工艺2002胶凝材料学2002无机非金属材料工学2002，2004——2009金属学及热处理2002硅酸盐物理化学2002高分子化学及物理2002高分子化学2003——2009金属学原理2002——2007材料物理与化学专业复试科目：综合复试2003；加试科目：物理化学2003；材料学院同等学历加试2003材料学专业复试科目：综合复试2003；加试科目：物理化学2003；材料学院同等学历加试2003材料加工工程专业复试科目：综合复试2003；加试科目：物理化学2003；材料学院同等学历加试2003生物医学工程专业复试科目：生物医学工程专业复试2003；加试科目：生物化学2003；组织学2003机电工程学院材料力学1997——2000，2002——2009机械原理1997——2000，2002——2009机械设计1997——2000，2002——2009控制工程基础2002——2009统计质量管理2005——2009传感器原理2003——2009传感检测技术2002——2003传感技术1997——2000传感与检测技术2002电子技术基础2002——2009微机原理及应用1997——2000，2002——2007人机工程学2002——2006机电工程学院2003年同等学历考研加试题（测试技术）机电工程学院2003年同等学历考研加试题（机械原理）机电工程学院2003年同等学力考研加试题（机械设计）机电工程学院2003级硕士研究生复试试题汽车工程学院材料力学1997——2000，2002——2009理论力学2002——2009汽车理论基础2002——2009发动机原理2002——2009摩托车理论与结构设计2002汽车运用工程2002——2009汽车运输工程2002——2003工程热力学2002——2008汽车运输学2003——2005，2007交通运输学2006汽车营销与策划2009汽车市场学2004——2008动力机械及工程专业复试科目：动力机械及工程复试2003；加试科目：发动机构造2003；发动机原理2003车辆工程专业复试科目：综合复试2003；加试科目：汽车构造2003；汽车理论2003载运工具运用工程专业复试科目：综合复试2003自动化学院电路1997——2000，2002——2009电工技术基础2002电工原理2003——2006控制理论基础2002自动控制原理1997——2000，2002——2009信号处理技术2002——2005（注：2002——2003年称“信号分析与处理”）传感技术1997——2000传感与检测技术2002传感检测技术2002——2003传感器原理2003——2009电机及拖动基础2001电力电子技术（一）2007电力电子技术2002——2006，2008——2009微机原理及接口技术2002——2009数字电路2003——2009逻辑设计2004——2006电力电子与电力传动专业复试科目：电力电子与电力传动专业复试2003检测技术与自动化装置专业复试科目：检测技术与自动化装置专业复试2003 控制理论与控制工程专业复试科目：控制理论与控制工程专业复试2003；加试科目：自动控制原理2003；微机原理及接口技术2003计算机科学与技术学院数据结构1997——2000，2002——2008操作系统1998——2000，2002——2008计算机组成原理2002——2007微机原理及应用1997——2000，2002——2007C语言2007微机原理（即：微型计算机原理）1997——2000，2002——2004离散数学2002——2006计算机网络1999——2000，2002软件工程2002——2006数据库原理2002编译原理2002计算机原理2002计算方法2003——2005复试科目：计算机应用技术、计算机软件与理论专业2003加试科目：微机原理及应用2003；数据库应用2003信息工程学院数据结构1997——2000，2002——2008信号与系统1999——2000，2002——2009信号与线性系统2002——2006物理光学2002，2004——2008光纤光学2007现代光学2006高频电路2002微机原理及应用1997——2000，2002——2007微机原理（即：微型计算机原理）1997——2000，2002——2004 脉冲与数字电路1999——2000，2002电子技术基础2002——2009高频电子线路1999——2000，2002微机原理及其通信接口2003——2009信号分析与处理2002——2008传感技术1997——2000电路1997——2000，2002——2009数字信号处理1999——2000，2002，2009土木工程与建筑学院材料力学1997——2000，2002——2009传热学2002——2007中外建筑史2002——2009建筑历史2004——2007建筑设计2002——2004，2008——2009建筑设计（1）2005——2007建筑设计（2）2005——2007规划设计2007——2008城市规划原理2003——2009建筑结构抗震设计2007抗震结构设计2004结构力学2002——2009工程项目管理2008——2009建筑施工与工程项目管理2003——2007建筑施工技术2002建筑工程经济与企业管理2002工程热力学2002——2009土质学与土力学2002——2007水分析化学2002——2005水分析与物理化学2006——2007水力学与水泵2002——2007水力学与水分析化学2008——2009土力学2002——2009建筑构造2002岩石力学1997——2000，2002岩体力学2003——2007（注：其中2003年有两种）钢筋混凝土结构2002，2006——2009混凝土结构原理2003钢筋砼结构2005土力学与基础工程2002结构动力学2002结构设计原理2002（第1种），2002（第2种），2005——2007桥梁工程2002给水工程2002排水工程2002路基路面工程2002，2005——2007工程地质学2004——2006美学2004建筑设计及其理论专业复试科目：建筑设计2003；建筑设计知识2003；加试科目：中外建筑史2003结构工程专业复试科目：结构工程2003；综合复试（建筑工程施工技术、建设工程项目管理方向）2003；加试科目：施工组织学2003；建筑经济与企业管理2003；结构力学2003；混凝土结构2003桥梁与隧道工程专业复试科目：桥梁与隧道工程专业复试2003；加试科目：桥梁与隧道工程专业加试Ⅰ2003；桥梁与隧道工程专业加试Ⅱ2003岩土工程专业复试科目：综合复试2003市政工程专业复试科目：专业复试2003交通学院高等数学2007，2009高等数学（工）2002——2006，2008高等数学（二）2004交通运输装备2005——2007桥梁设计与施工2005，2007第三方物流理论与实践2007现代物流与运输2005——2006物流学2006现代物流学2002，2007——2009运输经济学2002——2009路基路面工程2002，2005——2007工程热力学2002——2009结构分析2008——2009理论力学2002——2009土质学与土力学2002——2006材料力学1997——2000，2002——2009施工组织及概预算2004土工原理与计算2008——2009公路工程施工组织及概预算2003信号与系统1999——2000，2002——2009微机原理及应用1997——2000，2002——2007运筹学2002——2009（注：2002年试卷有两种）船舶结构力学2002，2004——2009船舶原理2002——2009船舶设计原理2002——2009流体力学2002——2004，2006——2008环境学导论2002国际航运经济与政策2002——2004计算机辅助船体建造2002船舶技术经济学2002传热学2002——2007国际集装箱运输与多式联运2002——2004港口管理（运输企业管理学）2002——2005港口企业管理学2007运输企业管理学2006道路勘测设计2002船舶强度与结构设计2002——2007环境质量评价2002交通环境工程地质与应用2002声学基础2002，2006航运管理2002——2006（注：2002年有两种）结构设计原理2002（第1种），2002（第2种），2005——2007计算机辅助船舶设计2002船舶营运管理2007船舶建造工艺学2003——2007船机制造工艺学2002结构力学计算2008——2009结构力学与结构电算2003——2007运动生物力学2004划船运动概论2004船体振动学2006液压原理与控制2002机械制造工艺学2002流体力学专业复试科目：流体力学2003；加试科目：流体力学2003，工程热力学和传热学、水力学2003工程力学专业复试科目：理论力学2003道路与铁道工程专业复试科目：道路与铁道工程2003，桥梁工程2003；加试科目：土力学2003交通运输规划与管理专业复试科目：综合复试2003；加试科目：交通运输设备概论2003船舶与海洋结构物设计制造专业复试科目：综合复试2003；加试科目：船舶与海洋工程学2003结构工程专业复试科目：结构综合2003；加试科目：钢结构2003航运学院船舶管理2002——2009航运管理2002——2006（注：2002年有两种）航海学2002船舶操纵与避碰2002——2006航海气象学与海洋学2004，2006——2007（注：2007年试卷共3页，缺第2页）物理海洋数字计算2008信号与系统1999——2000，2002——2009能源与动力学院电力电子技术2008——2009电力电子技术（二）2006——2007测试技术2007A卷，2007B卷工程热力学与传热学2006——2009机械振动学2006热能与动力机械制造工艺学2006——2007轮机自动化2007——2009智能运输系统概论2006——2009专业综合（含工程热力学、传热学、内燃机原理）2005专业综合（含工程热力学、传热学、机械设计）2005专业综合（含自动控制理论、测试技术、计算机技术）2005专业综合（含自动控制理论、电工电子技术、计算机控制技术）2005专业综合（含机械设计、测试技术、自动控制理论）2005工程热力学2002——2009机械设计1997——2000，2002——2009船舶柴油机2009内燃机原理2007A卷，2007B卷内燃机原理2002——2004，2006传热学2002——2007自动控制理论2003——2004，2006——2007自动控制原理1997——2000，2002——2009动力机械制造与维修2009船舶动力装置原理与设计2002船舶建造工艺学2003——2007船机制造工艺学2002船舶机械制造与修理2003——2004船舶管理2002——2009机械制造工艺学2002轮机工程专业复试科目：轮机工程2003；加试科目：内燃机学2003；轮机概论2003；工程热力学和传热学2003载运工具运用工程专业复试科目：载运工具运用工程2003管理学院管理学原理1997——2000，2002——2009（2002——2004有答案）管理经济学基础2005——2007管理信息系统2002——2007（2002——2004部分有答案）概率论与数理统计2001——2009线性代数2002线性代数与概率统计2003——2009会计学原理1997——2000，2002——2009（2002——2004有答案）（注：1998年共3页，缺P3）技术经济学2002——2009（2002——2004部分有答案）运筹学2002——2009（注：2002年试卷有两种）现代工业管理2003——2004（2003——2004部分有答案）公司理财原理2002——2009（2002——2004有答案）（注：2002年称“财务管理学”，2003——2004称“公司财务管理”）项目管理2005——2007企业管理学2002（2002有答案）生产管理学2002（2002部分有答案）市场营销学2001(2001有答案)技术创新管理2003（2003部分有答案）工商管理硕士（MBA）专业复试科目：MBA专业综合课2003；加试科目：市场学2003；投资学2003会计学专业复试科目：财务会计与管理会计2003；加试科目：财务管理2003；会计学2003管理科学与工程专业复试科目：企业管理概论2003；加试科目：管理经济学2003；企业管理学2003技术经济及管理专业复试科目：投资分析2003；加试科目：产业经济学2003；投资学2003企业管理专业复试科目：市场营销与生产管理2003；加试科目：市场学2003；管理学原理2003系统工程专业复试科目：系统工程概论与线性规划2003；加试科目：概率统计2003；线性代数2003政治与行政学院邓小平理论和“三个代表”重要思想2007——2009邓小平理论2002——2006马克思主义哲学原理2002——2009政治学原理2007——2009西方哲学史2007——2009西方政治思想史2008——2009中外政治思想2007高等数学（文）2003——2004思想政治教育理论与方法2002——2005，2007科学技术史2002——2007中共党史2002——2009自然辩证法2002——2009中国近代史2002科学技术哲学专业复试科目：综合复试2003；加试科目：马克思主义哲学原理2003；现代科技导论2003中共党史专业复试科目：综合复试2003；加试科目：政治学原理2003；中国近代史2003物流工程学院机械设计基础2005——2009机械工程基础2004机械CAD基础2006起重运输机械2005——2009起重机械2002物流信息技术2005——2009物流学2006现代物流学2002，2007管理学基础2005——2009画法几何2002——2003，2005——2007材料力学1997——2000，2002——2009理论力学2002——2009机械原理1997——2000，2002——2009机械设计1997——2000，2002——2009电子技术基础2002——2009微机原理及应用1997——2000，2002——2007工程材料2002——2007工程力学2004运筹学2002——2009（注：2002年试卷有两种）运筹学与系统工程2004计算机应用基础与计算机技术基础2004仓储技术与设备2006——2007自动识别技术2007CAD/CAM技术2002液压原理与控制2002机械制造工艺学2002机电一体化技术2002液压技术2002机械制造及自动化专业复试科目：机械制造及自动化专业复试2003；面试科目：机械制造专业2003机械电子工程专业复试科目：机械电子工程专业复试2003；面试科目：机械一体化技术（机电专业）2003机械设计及理论专业复试科目：机械设计及理论专业复试2003化学工程学院制药化学2005——2009化工原理2005——2009药物分析2005——2007物理化学2006——2007。
专业代码(080502)
材料学专业代码（080502）本学科设有金属材料、无机材料和高分子材料三个学科方向，主要研究方向有金属及合金的固态相变及应用，金属基复合材料、功能材料腐蚀与防护金属电化学钝化，功能金属纤维及应用；先进结构陶瓷、功能陶瓷；金属基复合材料、树脂基导电复合材料；功能材料腐蚀与防护、金属电化学钝化；功能高分子材料、高分子膜材料、高分子纳米材料和高性能高分子复合材料。
着重于合成方法、合成工艺、结构与性能关系及其相关合成机理的研究。
本学科现有教授6名，副教授8人，其中博士后2人，博士9名，形成了具有较强实力的教学及科研师资队伍，多年来为国家输送了大量高层次人才。
近几年先后承担科研项目30余项，省、部级项目15项，包括河北省自然科学基金、国家人事部归国人员重点基金、河北省科技厅基金和石家庄市重大攻关项目等。
取得了多相重要研究成果，在新型材料结构研究与分析、高强度导电材料研究、耐磨管道、金属纤维、膜材料的制备与应用、等离子体聚合与改性、原位复合材料研究、电厂用耐热钢、陶瓷内衬钢管、表面工程、无损检测技术、环保、清洁能源、汽车和电子等领域，产生了很大的社会效益和经济效益，其多项研究成果填补国内空白，具有自主知识产权，为我国的经济发展做出了巨大贡献。
目前，已在国内外重要学术刊物上发表学术论文150余篇，其中SCI和EI收录50余篇。
并获得了多项省部级科学进步奖。
经过多年建设和发展，实验室现有力学性能分析和测试设备、大型精密显微镜、扫描电子显微镜SEM、XRD、各种热处理设备以及各种材料成分检测仪器设备、显微硬度计等。
材料学学科已经形成了以中青年教师为主、梯度结构合理的教学、科研队伍。
一、培养目标材料学学科的攻读硕士学位研究生的培养目标是培养德、智、体全面发展的高级专门科技人才，具体目标如下：1．拥护中国共产党，热爱社会主义，具有良好的道德品质和修养，综合素质高，适应能力强，工作和学习作风严谨，身体健康。
2．有坚实的数学、计算机基础，并能熟悉运用到本学科的理论和实践中；熟练掌握一门外国语。
计算机在材料科学中的应用1PPT课件
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
-
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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
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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
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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
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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，
材料成型计算机控制
从学科分类来看，材料成型及控制工程专业横跨三个一级学 科：材料科学、冶金工程技术与机械工程。本专业是多学科交叉 的综合学科。
学科分类
• 国务院学位委员会学科评议组 《授予博士、硕士学位 和培养研究生的学科、专业目录》(1997年颁布) 0805 材料科学与工程 080501 材料物理与化学 080502 材料学 080503 材料加工工程 0806 冶金工程 080601 冶金物理化学 080602 钢铁冶金 080603 有色金属冶金
课外阅 读
其它
(需明确)
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材料成型及控制工程专 业发展概况、材料 成型及控制工程专 业人才培养方案 材料成型及控制工程专 业金属压力加工方 向发展概况 材料成型及控制工程专 业焊接方向发展概 况 材料成型及控制工程专 业锻压方向发展概 况 课外阅读 总 计
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材料成型及控制工程专业的认知
• 历史沿革
20世纪50年代初期，中国在全面学习苏联的 做法中，形成了“专业对口”、“学以致用”的 本科教育思想。各学校纷纷成立了铸造、锻压、 焊接、热处理等按行业领域划分专业。在当时特 定的历史时期，这种做法对推动中国高等教育的 发展和为国民经济建设培养人才起到了重要的作 用。但由此也产生了很多问题，诸如：专业设置 过窄、人文素质教育薄弱、教学内容陈旧、教学 方法偏死、培养模式单一等。
学科分类
GB/T 13745-2009学科分类与代码 （本标准由全国信息分类编码标 准化技术委员会归口）
一级学科
材料科学 （430） 冶金工程技术 （450） 机械工程 （460） 轧制（45045）
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)
第一章计算机在材料科学与工程中的应用
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。
材料工程中的计算机应用技术
计算机
图象处理的计算机硬件系统
USB硬盘 刻录机 打印机
一、主机 二、图象输入设备
1. 数码相机 2. 扫描仪 3. 数字专用设备（例：数字式显微镜）
三、图像输出及存储设备
常用的存储设备： 1. 大容量磁盘（驱动器） 2. 刻录光盘（驱动器） 3. 活动硬盘 4. 闪存类存储器
位图图像和矢量图形的基本概念
际上是由“反相”、“色调分离”、“亮度／ 对比度”等多个命令组成的。因此，该命令功 能十分强大，可以进行较有弹性的调整。
“曲线”命令：
首先打开一幅图片；
执行“图像\调整\曲线” 命 令 或 按 下 “ Ctrl ＋ M” 组合键打开“曲线”对 话框。
PhotoShop包含了丰富的图片处理功能，
还可以对图片进行旋转、翻转、裁减、缩放
用鼠标调整
十一、创建图表
步骤 ：
选择要制成图表的数据 单击常用工具栏中的ChartWizard按钮 这时会弹出一个“ChartWizard”对话框 按照“图表向导”中的指导进行操作
第六部分 材料工程中的计算机图象处理
图象处理的计算机硬件系统
数码相机
扫描仪 网络资源
各种数字式 专用设备
输入
输出及存储
颜色模式
RGB模式
灰度模式 位图模式
注意4点：
1. 灰度模式的图像可以直接转换成黑白图像
和RGB的彩色图像，同样黑白图像和彩色图
像也可以直接转换成灰度图像；
2. 当要将一幅彩色图像转换成黑白图像时，必
须先将该图像转换成灰度模式的图像，然后 再将它转换成只有黑白两色的图像，即位图
模式的图像；
3. 当一幅灰度图像转换成黑白图像后，若再转
4．删除工作表
专业代码(080502)
材料学专业代码（080502）本学科设有金属材料、无机材料和高分子材料三个学科方向，主要研究方向有金属及合金的固态相变及应用，金属基复合材料、功能材料腐蚀与防护金属电化学钝化，功能金属纤维及应用；先进结构陶瓷、功能陶瓷；金属基复合材料、树脂基导电复合材料；功能材料腐蚀与防护、金属电化学钝化；功能高分子材料、高分子膜材料、高分子纳米材料和高性能高分子复合材料。
着重于合成方法、合成工艺、结构与性能关系及其相关合成机理的研究。
本学科现有教授6名，副教授8人，其中博士后2人，博士9名，形成了具有较强实力的教学及科研师资队伍，多年来为国家输送了大量高层次人才。
近几年先后承担科研项目30余项，省、部级项目15项，包括河北省自然科学基金、国家人事部归国人员重点基金、河北省科技厅基金和石家庄市重大攻关项目等。
取得了多相重要研究成果，在新型材料结构研究与分析、高强度导电材料研究、耐磨管道、金属纤维、膜材料的制备与应用、等离子体聚合与改性、原位复合材料研究、电厂用耐热钢、陶瓷内衬钢管、表面工程、无损检测技术、环保、清洁能源、汽车和电子等领域，产生了很大的社会效益和经济效益，其多项研究成果填补国内空白，具有自主知识产权，为我国的经济发展做出了巨大贡献。
目前，已在国内外重要学术刊物上发表学术论文150余篇，其中SCI和EI收录50余篇。
并获得了多项省部级科学进步奖。
经过多年建设和发展，实验室现有力学性能分析和测试设备、大型精密显微镜、扫描电子显微镜SEM、XRD、各种热处理设备以及各种材料成分检测仪器设备、显微硬度计等。
材料学学科已经形成了以中青年教师为主、梯度结构合理的教学、科研队伍。
一、培养目标材料学学科的攻读硕士学位研究生的培养目标是培养德、智、体全面发展的高级专门科技人才，具体目标如下：1．拥护中国共产党，热爱社会主义，具有良好的道德品质和修养，综合素质高，适应能力强，工作和学习作风严谨，身体健康。
2．有坚实的数学、计算机基础，并能熟悉运用到本学科的理论和实践中；熟练掌握一门外国语。
接触角测试
材料是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和文明进步的重要里程碑。
材料科学的发展推动社会发展，而材料科学的进步又取决于社会生产力和科学技术的进步。
计算机作为一种先进的现代工具，在日常生活当中得到了越来越广泛的应用，计算机应用已广泛深入科学、技术、社会生活等各个领域。
当今世界，几乎所有专业都与计算机息息相关。
计算机在材料科学中应用也不断发展，其作用是明显的。
比如显微镜的计算机系统、计算机用于新材料的设计、材料加工当中的计算机自动化控制，等等这些先进手段大大方便材料科学研究。
许多大学的材料科学系早已经将《计算机在材料科学中的应用》列为学科基础课程。
接触角是材料表面润湿性能的重要参数之一。
通过接触角的测量可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。
因此，接触角的测量在材料防护、医药、半导体、化妆品、生命科学、油墨工业及其他领域都有重要应用。
表面自由能及其极性色散力分量（非极性分量）是固体表面最基本的热力学性质之一。
诸多表面现象以及与表面性质有关的各向异性、润湿性、粘结性、吸附性等效应均与之密切相关。
接触角和表面能的测量和计算方法有多种，而且还在不断的发展完善，这些方法各有其使用范围和优缺点，没有一种技术能够测量所有固体表面的接触角。
在实际的操作中应该根据具体情况，选择适合的测量方法。
接触角数据应该与其他的表面分析技术相结合，今后将朝着高精确度、多功能化和在线分析的方向发展。
目前国内外对材料表面接触角的测量技术已经相当成熟。
复杂至大型的计算量大的精密测量软件，简单至基本代码写制的计算仪；贵至几十万，而便宜至简单的基本代码写制的测量软件，对各种先进的仪器测量的出的数据能够满足不同的接触角与表面能的测量和计算需求。
2 接触角与表面能2.1 理论背景液体与固体接触时的润湿情况有两种。
第一种情况，液体完全润湿固体表面，即液-气（l-g ）界面与固-液（s-l ）界面之间的接触角为0°；第二种情况，液体部分润湿固体表面，即液体在固体表面形成液滴，呈现非零接触角。
材料成型及控制工程专业(塑性成形与模具技术方向)课程介绍
7/22
塑性成形与模具技术研究所
课程简介
材料成型计算机基础
主要讲述材料成形计算机应用方面的基本理论、基本方法以及计算 主要讲述材料成形计算机应用方面的基本理论、 机在材料成形中的应用技术。通过学习， 机在材料成形中的应用技术。通过学习，使学生了解材料成形中计算机 应用的基本概念、材料成形计算机应用技术的发展和现状， 应用的基本概念、材料成形计算机应用技术的发展和现状，初步具备材 料成形计算机应用系统的应用与开发能力，为今后液态金属成形、 料成形计算机应用系统的应用与开发能力，为今后液态金属成形、金属 塑性成形、焊接成形、塑料注射成形的数值模拟与CAD/CAM等的进一 塑性成形、焊接成形、塑料注射成形的数值模拟与 等的进一 步学习和研究打下基础。 步学习和研究打下基础。 本课程主要介绍计算机应用基础知识， 本课程主要介绍计算机应用基础知识，包括计算机在材料加工中的 应用概述，工程中的数据处理，工程数据库基础，软件工程基础， 应用概述，工程中的数据处理，工程数据库基础，软件工程基础，图形 变换，几何造型，有限差分与有限元基础，工程中的优化设计方法， 变换，几何造型，有限差分与有限元基础，工程中的优化设计方法，图 像识别与处理，专家系统概论等。 像识别与处理，专家系统概论等。
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塑性成形与模具技术研究所
课程简介
材料成型计算机应用软件
主要讲述在材料加工中应用面较广的计算机应用软件。要求学生通 主要讲述在材料加工中应用面较广的计算机应用软件。 过本课程的学习，了解目前流行的设计软件及其特点、功能， 过本课程的学习，了解目前流行的设计软件及其特点、功能，掌握常用 的二维设计软件AutoCAD、三维设计软件 、三维设计软件UG，有限元分析软件 的二维设计软件 ，有限元分析软件ANSYS 的使用。通过本课程的学习， 的使用。通过本课程的学习，使学生具备利用计算机应用软件解决工程 设计问题以及对工程结构进行力学分析的能力，增强其服务社会的本领。 设计问题以及对工程结构进行力学分析的能力，增强其服务社会的本领。 本课程主要介绍如何采用AutoCAD绘制出符合工程设计要求的二维 本课程主要介绍如何采用 绘制出符合工程设计要求的二维 图形，采用UG绘制并编辑曲线、 草图 ， 进行特征 、 曲面设计及三维实 绘制并编辑曲线、 图形 ， 采用 绘制并编辑曲线 草图，进行特征、 体造型 ， 并绘制工程图纸 ， 实现零部件之间的装配 。 介绍如何采用 ANSYS软解建立结构分析的几何模型、数值分析模型，并根据实际问题 软解建立结构分析的几何模型、数值分析模型， 软解建立结构分析的几何模型 进行线性或非线性分析求解，最后对求解的结果进行后处理。 进行线性或非线性分析求解，最后对求解的结果进行后处理。
计算机在材料科学中的应用---简答题 2
六、正交试验综合分析问答与填空题1.正交试验法的概念是兼顾（全面实验法和简单比较法）的优点，利用依据数学原理制作好的一种规格化的正交表来（设计实验及分析实验结果）的方法。
2. 正交试验的特点是（均匀分散，齐整可比）3. 正交试验的优点包括：（1）实验点代表性强，实验次数少；(2) 不需做重复实验，就可以估计实验误差；(3) 可以分清因素的主次；(4) 可以使用数理统计的方法处理实验结果。
4 为了确定某种高分子材料的最优聚合条件，技术人员选定3个具有2水平的因子，如表3-1所示。
依据表1技术人员决定采用表2进行正交试验设计，试验测得的性能指标如表3-2所示。
表3-1 各因子（无交互作用）与水平因子水平催化剂用量/mlA聚合温度/℃B聚合时间/hC1 4 30 2.02 2 50 3.0表3-2 试验结果与分析列号试验号1A2B3C转化率指标%1 2 3 4 11221212122190899584水平平均值k1j 89.5 (92.5) 87 因子对指标的影响主次顺序(B>C>A )水平平均值k2j( 89.5) 86.5 (92) 最优工艺条件( A2B1C2 )极差⊿R( 0) ( 6)( 5)a. 实验指标为（转化率）。
b. 技术人员采用的正交表符号是( L4（23）)，试验号为2的试验方案为（催化剂为4ml，聚合温度为50 ℃，聚合时间为2h ）。
c. 请按要求填写表2的“（）空格”部分。
d. 各因素的水平选取原则为：对主要因素，选择（使指标最好）所对应的水平；对次要因素，以（节约方便）原则选取水平；通常需要进一步做（验证）实验，来确定最终的最优生产条件。
e. 若考虑A 、B 和C 三个因子两两存在交互作用，目前有正交表L 9（34）、L 27（313）、L 18（37）、L 8（27）、L 12（211）可供选择，则可供使用的正交表有（ L 27（313） ）。
七、材料制备加工过程的计算机自动检测和过程控制是紧密结合在一起的，对于促进材料制备加工过程自动化具有重大意义。
计算机模拟技术在材料科学中的应用
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)。
计算机在材料科学中的应用 第八章 互联网在材料科学研究中的应用
Cable Cable 电缆
网络
Workstation Workstation 装有 NIC 的工作站 with NIC with NIC
Workstation Workstation 装有 NIC 的工作站 with NIC with NIC
Workstation Workstation 装有 NIC 的工作站 with NIC with NIC
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
Internet的发展与现状
当美国在发展NSFNET的时候，其他一些国家、地区 和科研机构也在建设自己的广域网络，这些网络都是 和NSFNET兼容的，它们最终构成Internet在各地的 基础。 20世纪90年代以来，这些网络逐渐连接到Internet上， 从而构成了今天的世界范围内互连网络。 在我国，1994年中国科学技术网CSTNET首次实现和 Internet直接连接，同时建立了我国最高域名服务器， 标志着我国正式接入Internet。 接着，相继又建立了中国教育科研网（Cerent)计算 机互联网（ChinaNet)和中国金桥网（Genet），从 此中国用户日益熟悉并使用Internet。
一． 二．
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
第一节 Internet概论
Internet简介
什么是Internet Internet的发展与现状
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
什么是Internet
Internet是一个覆盖全球范围的计算机互联网络，是当前信息高速 公路的主体，拥有极为丰富的信息资源，联接全世界7万多个大小 计算机网络，中国用户总数到2008年已超过2.53亿，每天24小时 不间断地向遍布全球的计算机用户提供通信、共享信息资源和其 他许多应用方面的便利。 从网络技术的观点来看，Internet是一个以TCP/IP(传输控制协议/ 互联协议）通信协议联接各个国家、部门、机构计算机网络的数 据通信网。从信息资源的观点来看，Internet是个集各个领域、学 科的各种信息资源为一体的供网上用户共享的数据资源网。 Internet已成为一种全球性的文化现象，成为并列于电视、电话的 第三大通信系统。现代信息社会把信息作为最重要的资源和产业， 它和材料、能源一起并列成为社会物质和精神活动的三大重要资 源。有效地利用信息将带来可观的社会效益和经济效益。
互联网在材料科学研究中的应用【精选】
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一、搜索引擎
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一、搜索引擎
2. 专业搜索引擎 （Specific Search Engine) 在内容上涉及更多的专业知识，与一些专业数据库
相联接。 以 高 分 子 材 料 为 例 ， http://www.polymer-
，通过该引擎，可以快速搜索到有关橡胶、 塑料、粘合剂等高分子材料的网址。
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一、 Internet简介
1. 什么是Internet？ Internet是一个覆盖全球范围的计算机互联网络，是当
前信息高速公路的主体，拥有极为丰富的信息资源，向遍 布全球的用户提供通信、共享信息资源。
① 网络技术的观点，它是一个以TCP/IP通信协议联 接各个国家、部门、机构计算机网络的数据通信网；
Internet上除了提供通用信息检索的网站以 外，还出现了针对材料科学领域的综合信息网站 和各类材料研究网站（包括一些材料论坛）。为 用户提供了研究文献、材料数据库、专利信息等 一系列信息资源。
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第二节 互联网上材料科学信息资源的检索和利用
一、搜索引擎 二、材料科学专业网站 三、数据库资源
① Internet是美苏冷战的产物，设计一个分散的指挥系统， 这 些 分 散 的 系 统 通 过 某 种 形 式 的 通 信 网 相 互 取 得 联 系 —— ARPANET网产生（20世纪60年代末七十年代初）。
② Internet第一次快速发展出现在20世纪80年代中期，美 国国家科学基金为鼓励大学与科研机构共享四台巨型计算机主 机。利用TCP/IP协议，建立了NSFnet广域网。
第九章 互联网在材料科学研究中的应用
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6.1 计算机控制技术基础
(3) 计算机工业控制系统的基本功能和组成
软件部分
工业自动化仪表。外围设备必须通过工业自动化仪表才能和控制对象发生联系。工业自 动化仪表的种类很多，其中有检测仪表、显示仪表、调节仪表以及执行机构等。一个控 制系统的可靠性和控制质量的优劣与这些自动化仪表质量和精度有极密切的关系。
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6.1 计算机控制技术基础
(3) 计算机工业控制系统的基本功能和组成
(3) 计算机工业控制系统的基本功能和组成
硬件部分
外围设备。在计算机过程控制系统中，主机通过输入输出过程通道控制工业生产过程。 因此，输入输出过程通道是计算机与生产过程之间联系的桥梁，称为主机的外围设备。 其功能是：把生产现场的工况参数（模拟量、开关量、脉冲量和数字量）转换成计算机 能够接受和识别的代码，输入主机，以便主机根据控制算法进行运算，然后主机把根据 控制算法进行运算的结果转换成改变生产过程控制变量的控制信号，即作为操作、执行 机构的控制信号。
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6.1 计算机控制技术基础
(3) 计算机工业控制系统的基本功能和组成
用作工业生产过程自动控制的计算机控制系统，一般应具备以下基本功能： ① 模拟量参数的采集、转换及屏幕显示。 ② 模拟量参数的越限报警。通常用声、光形式发出报警信号。 ③ 被控参数的闭环自动控制。 ④ 各种流量的累计计算，用来统计产量及物料和能源的消耗。 ⑤ 各种开关量输入信号的检测与各种开关量输出信号的控制，用于设备的启停与各种连锁
软件部分
软件建立和依托在硬件的基础上，是人的思维与机器硬件之间的桥梁，是计算机的灵 魂。用户通过软件来使用计算机，软件的优劣关系到计算机的正常运行、硬件功能的充 分发挥和应用。
软件包括系统软件和应用软件两大类。 系统软件是开发、调试和执行其他程序，简化程序设计和使用方法，发挥和扩大计算机
分布式控制系统—分级控制系统
集散控制系统（DCS）
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
开环控制系统
开环控制系统中，主机通过各种一次仪表、信号变换器、A/D转换器对工业现场被控参数 进行检测和不正常情况的报警，并根据一定的控制算法对测量的各生产工艺参数进行处 理，然后同预先设定值进行比较，输出结果。
6.1 计算机控制技术基础 6.2 计算机控制系统的输入与输出 6.3 材料加工的计算机控制
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6.1 计算机控制技术基础
(1) 计算机控制的基本形式
自 动生产控过制程的自基动控本制形是式生产过程现代化的标志之一。
在材料加工控制领城中，运用较多的是微型计算机和可编程控制器（Programmable Controller）。材料加工过程中的基本单元控制一般由可编程控制器或微型计算机控制系 统完成，而复杂的生产线可由编程控制器和微型计算机控制系统共同完成。
操作人员可以根据这些结果来决定控制方案，执行控制操作。计算机并不直接对工业生产 对象实施控制，而需要生产操作人员介入，即使计算机发生故障，也不会影响生产过程的 正常进行，因而比较安全，但不能充分发挥计算机的作用。
常见的开环控制条统有：生产过程的巡回检测和数据处理系统、操作指导控制系统。
计算出最优操作条件及操作方案，操作 人员直接操作执行机构。
集散控制系统
集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，它将微型计算机、工业控制计 算机、数据通信系统、显示操作系统、过程通道、模拟仪表等有机地结合起来，构成全新 的控制系统。
基本控制器是以微处理器为基 础的微机结构的过程控制单 元，也称现场控制单元。它们 按地理位置分散于现场，控制 一个或数个回路。这样，一个 成百上千个回路组成的过程控 制系统就被分散为许多现场控 制单元，分散独立地控制各现 场的所辖回路。
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
闭环控制系统
例子：加热炉温度自动控制系统
例子：电冰箱温度控制系统
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10Βιβλιοθήκη 6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
分布式控制系统
随着价廉而功能完善的微型计算机的出现，可以由若干台微处理器或微型计算机分别承担 部分控制任务，这种分布式计算机系统有代替集中控制的趋势。
应用软件则根据不同的控制对象和不同的控制任务在软件组成上有很大的区别。在均衡 系统硬件和软件功能，确定系统硬件后，才能确定如何配置软件。在微型控制系统中， 每个控制对象或控制任务都一定要配备不同的控制程序，用这些控制程序来完成对各个 控制对象的不同要求。这种为控制目的而编制的程序，通常称为应用程序。应用程序一 般是由计算机控制系统厂家或用户自己编写。用户采用哪一种语言来编写应用程序，主 要取决于控制系统软件配备的情况和整个系统的要求。
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
集散控制系统
集散控制系统主要特点：
④ 利用监督控制计算机实现最优控制和管理。利用监督控制计算机（上位机）可以实现生 产过程的管理功能，包括存取有关生产过程控制的所有数据和控制参数、按照预定要求 打印综合报表、进行运行状态的趋势分析和记录、及时实行最优化监控等。
输入部分：由传感器、放大（变送）器和A/D转换器等环节组成 输出部分：由D/A转换器、信号调节器、控制执行器及接口电路
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6.1 计算机控制技术基础
(1) 计算机控制的基本形式
塑料注射机料筒温度的计算机控制系统基本框图
实时检测：通过工业自动化仪表对被控对象被控参数的瞬时值进行检测并转换成统一的信 号，然后将此模拟量通过外围设备（A/D转换器）转换为计算机能够识别、接收的数字量 送入计算机主机。
由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集 中控制的自动控制条统。
分布式控制系统
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
分布式控制系统
例子：轧钢生产过程
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
数据采集器用来收集现场控制 信息和过程变化的信息。
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集散控制系统基本结构简图
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
集散控制系统
集散控制系统主要特点：
① 实现了真正的分散控制。这也是集散控制系统最基本的特点之一。过程控制单元可安装 在距现场变送器和执行机构比较近的地方，再用数据通道将其与中央控制室及其他单元 控制室相连，每个过程控制单元只控制少量回路，有效分散了风险，提高了系统的安全 性和可靠性。
计算机操作指导控制系统组成原理方框图
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被控对象的输出（被控制量）对控制器 的输出没有影响。
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
闭环控制系统
闭环控制系统中，计算机不仅通过检测元件对被控工业对象的工况参数进行检测、分析、 处理，而且在显示和打印的同时，将处理结果（控制信号）通过执行机构反馈给被控工业 对象，实施对生产过程的控制，从而使被控工业对象、检测元件、计算机、执行机构等构 成一个闭合环路。
对计算机来讲，控制过程的三个步骤，实际上只是执行算术、逻辑操作和输入、输出操 作。
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6.1 计算机控制技术基础
(2) 计算机控制系统分类
计算机控制系统
开环控制系统
生产过程的巡回检测和数据处理系统 操作指导控制系统
闭环控制系统
直接数字控制系统（DDC）
监督控制系统
SCC加模拟控制器的控制系统 SCC加DCC控制系统
序和控制数据是人们事先根据控制规律（数学模型）设计好的。通过对工业对象特性的
分析和研究，选择控制算法，建立数学模型，编写出相应的计算机控制软件。
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6.1 计算机控制技术基础
(3) 计算机工业控制系统的基本功能和组成
硬件部分
工业对象。工业对象通常是指与控制系统有关的工艺生产设备。例如在加热炉温和塑料 挤出机或注塑机料筒温度控制系统中，工业对象就是指需要控制的加热炉或挤出机、注 塑机的料筒。
外部设备。在过程控制中，外部设备包括键盘、打印机、显示器等人机通信设备，实现 对生产过程进行启停、查询、输出结果、修改程序等人工干预操作。
主机。微处理器是控制系统的核心，和内存储器一起通常又称为主机。主机根据过程输
入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照预先设计的程序，进行信息的处理、分
析和计算，并作出相应的控制决策或调节，通过输出通道，发出控制命令。主机中的程
该控制条统的特点是：计算机集检测仪表、控制器、执行器的功能于一身，充分发挥了计 算机的作用，实时性强。
常见的闭环控制系统有：直接数字控制系统（DDC）和监督控制系统（SCC）。
特点是系统被控对象的输出（被控制 量）会反送回来影响控制器的输出，形成一 个或多个闭环。
SCC加DDC组成原理方框图
② 利用数据通道实现综合控制。数据通道将各个过程控制单元、监控计算机和CRT操作台 有机地联系在一起，从而实现真正的综合控制。
③ 利用操作台实现集中监视和操作。一方面过程控制单元本身可以与现场的显示装置接 口，随时进行实时显示；另一方面中央操作站可以显示任何一个分散过程单元的全部信 息。生产过程的全部信息集中到中央操作站并在屏幕上显示出来。显示器取代了大量的 显示仪表，实现对生产过程的集中显示和控制。利用计算机上的“智能化”操作台，操 作人员通过键盘进行简单的操作，就可以实现复杂的高级功能。