计算机在材料工程中的应用

1.3材料与工艺过程的优化及自动控制 1.3材料与工艺过程的优化及自动控制
材料加工技术的发展主要体现在控制 材料加工技术 技术的飞速发展, 微机和可编程控制器 在材料加工过程中的应用正体现了这种 发展和趋势。在材料加工过程中利用计 算机技术不仅能减轻劳动强度, 更能改 善产品的质量和精度, 提高产量。
主要是利用有限元软件进行分析, 方法是先建立某个零件的几何模型, 然 后赋予其一定的材质钢材、木材等这些 材质的力学等性能是己知的, 施加载荷, 然后根据其边界条件进行有限元分析。
2.2材料科学研究中主要物理场的 2.2材料科学研究中主要物理场的 数值模拟
包括材料的传热(温度场)、应力场(力 学问题)和浓度场(内部原子的迁移流动) 等的计算, 以上问题即可采用前述的有 限元分析法进行模拟“ 传热传质过 程”。
生产过程自动控制是生产过程现代化 的标志之一。在材料加工控制领域, 运 用较多的是微型计算机和可编程控制器。 计算机在材料加工中的应用包括以下几 个方面物化性能测试数据的自动聚集和 处理、加工过程的自动控制、计算机辅 助设计和制造、计算机辅助研究、材料 加工过程的全面质量管理等。
2.7材料科学研究中的数据与图像处理 2.7材料科学研究中的数据与图像处理
计算机图像分析系统正逐渐成为辅助 研究材料结构与性能之间定量关系的一 种重要手段。图像处理主要是用常规软 件(photo shop等)进行材料的图像分析 与处理, 例如, 材料凝聚态结构单元的 测量,利用图像色调整的方法进行图像 的二值化, 包括目标粒子的分离, 背景 的去除, 设定闭值进行二值化等。
建立差分方程, 用有限差分代替无限 微分, 以差分代数方程代替微分方程, 以数值计算代替数学推导过程, 从而将 连续函数离散化, 以有限的, 离散的数 值代替连续的函数分布。计算机是实现 上述离散和计算的强大工具。
2.1.2有限元法 2.1.2有限元法
有限元法是将连续的介质材料划分为 许多微小的单元有限个单元, 在确定其 边界条件后对其进行单元求解, 从而获 得整体介质的相关性能。有限元法的实 现必须通过计算机, 利用计算机强大而 快速的数据计算、处理和存储能力进行 有限元计算。
计算机作为一种现代工具, 在当今世 计算机 界的各个领域日益发挥巨大的作用, 它 己渗透到各门学科领域以及日常生活中 成为现代化的标志。在材料领域, 计算 机也正在逐渐成为极其重要的工具, 计 算机在材料科学中的应用正是材料科学 飞速发展的重要原因之一。
材料内部原子迁移的微观过程和由此 引起的物质的宏观流动与材料在生产和 使用过程中的许多物理化学过程密切相 关, 因此使用有限元法对扩散的浓度场 进行计算的技术具有重要的意义。
2.3组织转变的计算机模拟 2.3组织转变的计算机模拟
钢材的性能主要取决于其内部的组织 结构, 钢的常温组织是在加热之后的冷 却过程中形成和完成的, 为了使钢材获 得某种预期的组织结构, 就需要准确地 测量钢在热处理或热加工过程中的冷却 过程。计算机模拟技术的开展使材料的 组织转变数值模拟成为可能, 钢的TTT 曲线和CCT曲线为组织转变提供了两种 不同的模拟途径。
利用计算机可以大量保存并方便快速 查找实验数据, 而且更重要的是可以对 数据作进一步的后续处理计算、绘图、 拟合分析等。目前, 可用于数据管理、 计算、绘图、解析和拟合分析的软件很 多, 有些功能强大, 有些则相对简单、 专业化。比如origin可以对科学数据进 行一般的处理与绘图, 对实验数据进行 常规处理和一般的统计分析,
计算机在材料科学中的应用
①计算机在材料科学中的应用领域 ②计算机的具体应用
1.1计算机用于新材料的设计 1.1计算机用于新材料的设计
材料设计主要是利用人工智能、模式 材料设计 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。
பைடு நூலகம்
网络技术的发展使得材料数据库进一 步走向现代化,在材料研究、理化测试、 产品设计和决策咨询中得到广泛应用。 另外, 利用人工智能技术的材料加工等 专家系统也得到了很大的发展。包括预 测专家系统、诊断专家系统、设计专家 系统、规划专家系统、监视专家系统、 控制专家系统等。
2.6材料加工过程的计算机控制 2.6材料加工过程的计算机控制
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2.1材料科学研究中的数学模型建 2.1材料科学研究中的数学模型建 立和数值分析
数学模型建立是一种具有创新性的科 学方法,它将现实问题简化, 抽象为一 个数学问题或数学模型, 再采用适当的 数学方法求解, 进而对现实问题进行定 量的分析和研究, 最终达到解决实际问 题的目的。
2.1.1有限差分法 2.1.1有限差分法
在材料的制备中, 可以对过程进行精 确的控制,例如材料表面处理热处理中 的炉温控制等。计算机技术和微电子技 术、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大大提高。
1.4计算机用于数据和图像处理 1.4计算机用于数据和图像处理
材料科学研究在实验中可以获得大量 的实验数据, 借助计算机的存储设备, 可以大量保存数据, 并对这些数据进行 处理计算、绘图, 拟合分析和快速查询 等。利用计算机的图像处理和分析功能 就可以研究材料的结构, 从图像中获取 有用的结构信息, 如晶体的大小, 分布, 聚集方式等, 并将这些信息和材料性能 建立相应的联系, 用来指导结构的研究。
2.4相图计算及其软件 2.4相图计算及其软件
相图是描述相平衡系统的重要几何图形, 通过相图可以获得某些热力学资料反之, 由热力学数据建立一定的模型也可计算 和绘制相图。用计算机来计算和绘制相 图有了广泛的应用。
Thermo-Calc包括物质和溶液数据库、 热力学计算系统和热力学评估系统。 Fact包括物质和溶液两个数据库及一套 热力学和相图等的优化计算软件。这些 软件的共同特定是集成了具有自洽性的 热化学数据库和先进的计算软件。可用 于各种类型的二元、三元和多元相图的 平衡计算。
2.5材料数据库 2.5材料数据库
计算机材料数据库具有存储信息量大、 存取速度快、查询方便、使用灵活、应 用广泛等优点。目前已有的材料数据库 包括合金相图数据库、陶瓷相图数据库、 材料腐蚀数据库、材料摩擦磨损数据库 等,还包括材料力学性能数据库、金属 弹性性能数据中心和金属扩散数据中心 等数种各类数据库。
1.2材料科学研究中的计算机模拟 1.2材料科学研究中的计算机模拟
计算机模拟是一种根据实际体系在计 计算机模拟 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。