计算机在材料科学与工程中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用嘿，大家好，今天咱们聊聊计算机在材料科学与工程中的应用。
听起来有点高大上对吧？但别担心，我们把它讲得简单明了，轻松愉快！想象一下，材料科学就像一位魔法师，能把普通的东西变得超厉害。
而计算机就像是这位魔法师的小助手，帮他把各种奇妙的想法变成现实。
你看看，咱们身边的材料，有些是轻如羽毛，有些则坚不可摧，背后可都离不开计算机的功劳。
大家一定在想，材料科学到底是干嘛的？它就是研究各种材料的性质、结构和应用。
像咱们平常用的金属、塑料、陶瓷，还有那些新型材料，都是这门学科的“好朋友”。
而计算机的加入，那真是如虎添翼。
计算机模拟技术可以让科学家们在虚拟环境中试验不同的材料组合，省去不少时间和资源。
想象一下，以前得在实验室里弄一大堆材料，花时间做测试，现在只需在电脑前点几下，嘿，一切都可以在屏幕上完成，真是省心又高效！有趣的是，计算机不仅能帮咱们设计材料，还能预测它们的性能。
你可以把它想象成一个高明的算命师，能告诉你这块材料会不会在压力下变形，或者在高温下会不会融化。
这样一来，工程师们就能做出更靠谱的选择，避免那些“踩雷”的情况。
比如说，想象一下，如果没有计算机的帮助，咱们的手机可能会因为材料不耐高温而炸掉，那可真是惨了！可别小看这技术，有时能救命呢。
计算机的算法越来越聪明，能分析的数据量也越来越大。
这就像你打麻将时，能算出哪张牌是最好的选择，给你指路。
通过分析大量的实验数据，计算机可以识别出材料的潜在优缺点，帮助研究人员快速找到最佳方案。
更重要的是，咱们现在的材料设计不再是“一锤子买卖”，而是变得更加灵活多样。
比如，某种合金在某种条件下表现出色，但在另一些条件下可能就不行。
这时候，计算机可以提供实时反馈，帮助科学家调整实验方向，真是聪明得不得了！说到这里，咱们再来聊聊那一堆新材料。
近年来，碳纳米管、石墨烯等材料的崛起可谓是一场材料革命。
听说过这些名字吗？那可是未来的希望，轻便、强度高，应用前景无限。
材料科学中计算机技术的应用
材料科学中计算机技术的应用材料科学是一门研究材料性能、结构和制备方法的学科。
随着计算机技术的发展和进步，计算机技术在材料科学中的应用越来越广泛，并且在科学研究、材料设计和制备、材料性能模拟等方面发挥着重要作用。
下面将详细介绍计算机技术在材料科学中的应用。
一、材料建模和模拟计算机技术在材料科学中广泛应用于材料的建模和模拟。
通过数学模型和计算方法，可以模拟并预测新材料的性能、结构以及制备过程，为材料设计和优化提供科学依据。
例如，材料科学家可以使用分子动力学模拟方法研究原子或分子的运动规律，以及宏观性质的变化规律；通过量子力学计算，可以探索材料的电子结构和能带特性；通过有限元分析，可以研究材料的力学性能和变形行为。
计算机技术有效地提高了材料模拟的精度和效率，为材料研究和设计提供有力支持。
二、材料数据分析和挖掘随着材料科学研究的深入，材料数据的量级和复杂性不断增加。
计算机技术在材料数据分析和挖掘中发挥着重要作用。
通过数据挖掘和机器学习方法，可以从大量的材料数据中发现规律和趋势，并用于材料设计和高通量材料筛选。
例如，利用大数据技术，可以挖掘和分析材料的晶体结构数据库，发现新的材料组成和结构；通过分类和回归模型，可以预测材料的性能，并优化材料的配方。
计算机技术的应用使得材料数据分析更加高效和准确，为材料研究提供了新的途径和方法。
三、材料制备与工艺模拟材料制备是材料科学研究的关键环节之一，计算机技术在材料制备与工艺模拟中发挥着重要作用。
通过计算机模拟方法，可以模拟材料的制备过程和工艺参数的优化，为材料制备提供科学依据。
例如，利用计算流体动力学方法，可以模拟材料的熔体流动和凝固过程，优化工艺参数，改善材料的组织和性能；通过有限元分析，可以研究材料的热力学和力学行为，为材料制备提供优化方案。
计算机技术的应用使得材料制备与工艺模拟更加精确和可控，提高了材料的质量和性能。
四、材料设计和优化材料设计是将材料的性能和结构与目标进行匹配和优化的过程。
计算机在材料科学中的应用
“计算机在材料科学中的应用”课程教学内容设计①武汉理工大学周静顾少轩赵志宏摘要:“计算机在材料科学中的应用”课程是为材料科学专业学生适应现代新材料研究而开设的一门重要专业基础课,我们在进行充分调研的基础上,结合本专业和现代计算机应用特点,对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。
关键词:材料科学专业计算机应用课程教学内容随着科学技术的飞速发展,现代计算机的应用日益显示出其强大的生命力。
计算机在材料工业、材料科学研究中的应用也是相当普遍的,在建材工业领域,如生产工艺与热工过程中的数值计算、原材料和产品性能测试与科学实验中的数据处理、物料反应过程的数值仿真、配料配方与生产设备的计算机辅助设计、生产过程与作业的自动调节控制、繁重操作与质量检测的人工智能化等都离不开计算机这一重要工具。
为了适应现代建材工业的发展,拓宽材料科学专业学生的知识面,培养可以利用现代计算技术和工具从事材料研究开发和利用的高级专业人才,开设“计算机在材料研究中的应用”课程并制定其合理的教学内容很有必要。
本文对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。
一、课程设置的目标任务及性质材料科学是一门实验科学,实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。
而由于计算机技术、计算理论的迅速发展,许多更加复杂、大型的计算成为可能,使得在材料研究领域,采用计算方法来研究材料的结构和性能,并指导实验研究成为一种新的研究方向。
材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才,而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具。
用计算方法来研究材料,对材料的性能进行预测和指导,就是根据相关理论,采用合适的计算模型和计算方法,确立材料的理论模型,有目的地指导制备所需性能的材料。
本课程的教学目的是,通过基础理论知识、应用实例的讲授和上机实习操作,使得学生了解应用计算机进行材料科学研究的具体过程,将计算机作为有力的工具应用于材料科学研究。
二、课程基本要求计算机应用,为材料科学专业提供了一种新的技术手段。
计算机在材料科学与工程中的应用
《计算机在材料科学与工程中的应用》论文玉天雪 材料科学与工程 21207061009计算机作为一种现代工具在材料科学与工程中的应用已越来越广泛，从而极大地促进和推动了材料科学与工程研究的深入和发展。
本书立足“材料科学与工程”一级学科，系统介绍了计算机在材料科学与工程中的应用，使读者初步掌握如何在材料科学与工程的学习及研究中更好地利用计算机这一工具。
本书的最大特点在于注重理论知识讲解的同时，结合计算机在材料科学与工程中的应用实例讲解来培养学生的实际动手能力和创新意识。
如今此门课程已经结课，作为这门课的重点是我们对Origin 软件的使用。
现在就以几幅图简单描述Origin 软件的使用。
我所作的三幅图是以我国2000至2005年人口总数为基本衍伸出人口之间的关系，主要介绍2000至2005年人口总数变化、2000年至2005年城镇人口与乡村人口之间的比较以及城镇人口增长率与乡村人口的下降率。
1、2000年至2005年人口总数变化126000127000128000129000130000131000年份我国人口总数变化此图的做法是打开Origin 软件，在默认的两列中第一列输入年份，第二列输入人口数，之后左击靠左一列拖至右边一列，右击鼠标右键，然后点击PLOT 之后选择Line+Symbol ，然后作出点线图，之后根据数据要求将图中的A 、B 等字母改为汉字，注意要将字体改为宋体才能将字母修改成汉字，之后双击坐标轴找到Title&Format ，然后选择上、右两个坐标轴，点击Show Axis&Tick 打上勾，然后将右侧的Major 和Minor 都选择到None 。
这样图形就封闭起来了。
此图即做出来了。
2、2000年至2005年城镇人口与乡村人口比较3000060000人数/万人年份此图的做法是首先将光标移到最初两列靠右的一列，之后右击鼠标点击insert，添加到总共五列，第一列是年份数据，第二列是城镇人口数据，第三列和第四列全部为零，第五列为乡村人口数据，首先将前三列作出点击Column作出城镇人口柱状图，之后双击击图左上角的1样式，点开图列选择x和另外两列作出乡镇人口柱状图，依次改变将A、B改为年份和人数，之后按照第一幅图的形式将坐标轴封闭起来，还有为了区别两个柱状图，选择其中的一个柱状图，双击此柱状图找到Pattern找到Patter然后选择其中的一个图样，这个图样需要区别于第一个柱状图图样，之后将上面表示各个柱状图图层的字母分别改成城镇人口和乡村人口字样即可。
计算机在材料科学与工程中的应用
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， 直到收敛到满意程度。
试位法的几何解释
• y
•
o
x1 x3 x4 x2
计算流程图
在x的等距分点上找出使f(xn)与f(xn+1)异号的xn和xn+1
x 3 x 1 这时迭代函数就变为：
2 1 x 1，而 x 1 3 , 3 3 ‘
迭代流程图
•
开始 读入x0,N, n=1 X1=(x0) |x1-x0|< n等于N 打印失败标志 结束
计算结果
• • • • • • n 0 1 2 3 4 xn 1.5 1.35721 1.33086 1.32588 1.32494 n
②在热工方面，主要是窑炉方面的计算机模拟，现在可以将三
传一反应（传质、传热、动量传递、燃料燃烧）结合在一起计 算，达到了气、固、液体的耦合计算，对物理现象本质描述的 更加完善和细致，比较真实地反映实际现象的数学描述模型， 利用计算机模拟。模拟结果，可以指导窑炉设计和生产。
(2)过程控制
过程控制（Process Control）是为达 到规定的目标而对影响过程状况的变量所 进行的操纵。
那么:
f xn xn 1 xn sxx
几何解释
曲线f(x)上的横坐标为xn的点记 Y 为Pn,则差商为:
f x n f x n 1 x n x n 1
y=f(x)
Pn-1
Pn x0 xn+1 xn xn-1
表示玄线Pn-1Pn的斜率,容易看出:
计算机技术在材料科学中的应用
《计算机技术在材料科学中的应用》随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用也日益广泛，其中包括材料科学领域。
计算机技术的发展使得在材料科学研究中更加便捷和有效，为材料研发和设计提供了全新的途径和方法。
本文将通过全面的评估，探讨计算机技术在材料科学中的应用，帮助读者更深入地了解这一主题。
一、计算机模拟在材料科学中的应用1.原子层面的模拟计算机技术可以模拟原子层面的材料结构和性质，利用分子动力学模拟等方法，研究材料的结构、热力学性质、动力学行为等。
通过这些模拟可以更好地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供重要的参考。
2.材料表征与成像计算机技术可以实现对材料的表征与成像，通过原子力显微镜、透射电子显微镜等技术，对材料的微观结构和表面形貌进行模拟和重建，帮助科研人员更好地理解材料的特性和表现形态。
3.晶体结构预测通过计算机模拟的方法，可以对晶体结构进行预测和优化，提高新材料的研发效率，并且发现一些在实验中难以获得的新材料结构。
二、材料设计和优化中的计算机辅助方法1.材料数据库与大数据分析计算机技术可以建立和维护大规模的材料数据库，通过对大数据的分析和挖掘，挖掘一些潜在的新材料组成和性能规律，提高新材料的发现效率。
2.晶体工程与材料优化计算机辅助的晶体工程和材料优化方法，可以通过高通量计算和机器学习等技术，实现对材料性能和构造的优化，提高材料的性能和可靠性。
三、个人观点和总结从上述内容可见，计算机技术在材料科学中的应用已经成为材料科学研究的重要手段。
通过计算机技术的应用，我们可以更加深入地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供全新的途径和方法。
然而，在材料科学研究中，计算机技术的应用也面临一些挑战，比如模拟精度、数据挖掘的准确性等方面需要进一步完善。
计算机技术的应用为材料科学研究带来了巨大的推动力，相信随着技术的不断进步，计算机技术在材料科学中的应用将会有更加广阔的发展前景。
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。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用材料科学作为一门跨学科的科学，涉及物质的结构、性能和制备等方面，其发展对于人类社会的发展起着至关重要的作用。
随着计算机技术的不断发展，计算机在材料科学中的应用也日益广泛。
本文将就计算机在材料科学中的应用进行探讨。
首先，计算机在材料模拟方面发挥着重要作用。
材料的性能往往与其微观结构密切相关，而材料的微观结构又往往十分复杂，难以直接观测和理解。
通过计算机模拟，可以对材料的微观结构进行精确的建模和仿真，从而揭示材料的性能与结构之间的内在联系。
这种基于计算机的模拟方法，为材料科学的研究提供了全新的思路和手段。
其次，计算机在材料设计方面也发挥着重要作用。
传统的材料设计往往是基于试验和经验进行的，这种方法存在着成本高、周期长、效率低等问题。
而借助计算机的强大计算能力和智能算法，可以对材料的组成、结构和性能进行精确的计算和预测，从而加快材料设计的速度，降低材料研发的成本，提高材料的性能。
另外，计算机在材料制备方面也发挥着越来越重要的作用。
现代材料制备往往涉及复杂的工艺和工程问题，而计算机辅助制造（CAM）技术的发展，使得材料的制备过程变得更加精确、高效和可控。
通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，可以实现对材料制备过程的精确控制和优化，从而提高材料制备的质量和效率。
最后，计算机在材料性能评价和预测方面也发挥着重要作用。
材料的性能评价往往需要进行大量的试验和测试工作，这不仅成本高昂，而且耗时耗力。
而通过计算机的数据处理和分析能力，可以对材料的性能进行快速、准确的评价和预测，为材料的选择和应用提供科学依据。
总之，计算机在材料科学中的应用，不仅为材料科学的研究提供了新的思路和手段，而且为材料的设计、制备、评价和预测等方面带来了革命性的变革。
随着计算机技术的不断发展和进步，相信计算机在材料科学中的应用将会发挥越来越重要的作用，推动材料科学的发展迈上一个新的台阶。
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。
计算机在材料科学中的应用简答题
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;。
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
计算机在材料科学与工程中的应用
例如/SDB/
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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。
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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
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世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
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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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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
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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。
计算机在材料科学与工程中的应用题集
计算机在材料科学与工程中的应用题集一、选择题1. 在材料科学中，正交实验设计主要用于：A. 预测材料性能B. 单一变量研究C. 复杂系统建模D. 多因素交互作用分析答案: D. 多因素交互作用分析2. 正交表在正交实验设计中的主要作用是：A. 确定实验次数B. 预测实验结果C. 安排实验因素水平D. 评估实验误差答案: C. 安排实验因素水平3. 下列哪项不是正交实验设计的优点？A. 减少实验次数B. 提高实验效率C. 精确控制单一变量D. 便于分析多因素交互效应答案: C. 精确控制单一变量（正交实验设计主要关注多因素交互，而非单一变量）4. 在使用正交实验设计软件时，首先需要：A. 设定实验结果预期B. 确定实验因素及水平C. 分析历史数据D. 选择合适的正交表答案: B. 确定实验因素及水平5. 正交实验设计中的“水平”指的是：A. 实验的重复次数B. 实验因素的不同取值C. 实验结果的精确度D. 实验设备的型号答案: B. 实验因素的不同取值6. 下列哪项是分析正交实验结果时常用的方法？A. 方差分析B. 回归分析C. 因子分析D. 以上都是答案: D. 以上都是7. 正交实验设计能够有效减少实验次数，主要是因为：A. 减少了实验误差B. 简化了实验流程C. 利用正交表合理安排实验D. 提高了实验结果的可靠性答案: C. 利用正交表合理安排实验8. 正交实验设计中，如果某个因素有3个水平，另一个因素有2个水平，那么至少需要进行的实验次数是：A. 2B. 3C. 5D. 6答案: D. 6（正交表的选择会基于各因素的最大水平数，通常需要选择能容纳所有因素及其水平的最小正交表）9. 在分析正交实验结果时，如果某个因素的极差（Range）最大，说明：A. 该因素对实验结果影响最小B. 该因素对实验结果影响最大C. 该因素与其他因素无交互作用D. 实验结果完全由该因素决定答案: B. 该因素对实验结果影响最大10. 正交实验设计的结果分析不包括以下哪项内容？A. 计算各因素的极差B. 绘制因素与指标的关系图C. 预测未来实验结果D. 分析多因素间的交互作用答案: C. 预测未来实验结果（正交实验设计主要用于分析现有实验数据，而非预测未来结果）11. 在选择正交表时，以下哪个因素不是主要考虑的？A. 实验因素的数量B. 各因素的水平数C. 实验结果的精确度要求D. 实验人员的个人喜好答案: D. 实验人员的个人喜好（正交表的选择应基于实验设计的科学性和统计要求）12. 正交实验设计在材料改性研究中，常用于：A. 确定最佳改性条件B. 评估改性材料的市场价值C. 预测改性材料的寿命D. 分析改性材料的微观结构答案: A. 确定最佳改性条件13. 当正交实验设计的结果显示两个因素之间存在显著的交互作用时，应进一步：A. 忽略该交互作用B. 仅分析其中一个因素C. 进行交互作用图的绘制与分析D. 增加实验次数以确认结果答案: C. 进行交互作用图的绘制与分析14. 在材料科学研究中，采用正交实验设计后，通常需要进一步进行：A. 重复实验验证B. 单一变量补充实验C. 数据拟合分析D. 以上都是答案: D. 以上都是15. 在材料力学分析中，用于模拟复杂应力状态下材料行为的常用数值方法是？A. 有限元法B. 有限差分法C. 蒙特卡洛模拟D. 分子动力学模拟答案: A. 有限元法16. 哪种软件常用于材料科学中的三维结构模拟与优化？A. MATLABB. SolidWorksC. COMSOL MultiphysicsD. Autodesk Inventor答案: C. COMSOL Multiphysics17. 在进行材料断裂力学分析时，主要关注的是哪个参数？A. 弹性模量B. 应力强度因子C. 泊松比D. 屈服强度答案: B. 应力强度因子18. 下列哪项技术可用于预测材料在极端条件下的性能变化？A. 密度泛函理论B. X射线衍射分析C. 分子动力学模拟D. 扫描电子显微镜答案: C. 分子动力学模拟19. 在材料结构分析中，哪种方法能够直接观察材料的内部微观结构？A. 有限元分析B. 透射电子显微镜C. 数值模拟D. 红外光谱分析答案: B. 透射电子显微镜20. 材料科学中，用于模拟材料在加载条件下应力分布的软件通常是？A. AutoCADB. ANSYSC. OriginD. SPSS答案: B. ANSYS21. 哪种分析技术可以评估复合材料中各组分间的界面结合强度？A. 纳米压痕测试B. 扫描隧道显微镜C. 微观力学模型D. 拉曼光谱分析答案: C. 微观力学模型22. 在材料疲劳分析中，为了评估材料的寿命，常用的方法是？A. 应力-应变曲线分析B. 疲劳裂纹扩展速率测试C. 硬度测试D. 热重分析答案: B. 疲劳裂纹扩展速率测试23. 下列哪个软件常用于材料的相图计算和热力学模拟？A. MATLABB. Thermo-CalcC. SolidWorksD. Gaussian答案: B. Thermo-Calc24. 在进行材料的热应力分析时，主要考虑的是材料的哪项性质？A. 导热系数B. 弹性模量C. 密度D. 熔点答案: A. 导热系数25. 材料科学中，模拟材料在腐蚀环境下的行为常用哪种方法？A. 蒙特卡洛模拟B. 有限元腐蚀模拟C. 电化学测试D. 密度泛函理论答案: B. 有限元腐蚀模拟（注意：虽然实际中“有限元腐蚀模拟”不是标准术语，但这里为了题目设计而使用，意在表达使用有限元方法进行腐蚀行为的模拟）26. 在材料科学研究中，为了分析材料的微观缺陷，常用的技术是？A. 超声波检测B. 透射电子显微镜C. 红外热成像D. 激光粒度分析答案: B. 透射电子显微镜27. 在进行材料的力学性能测试时，用于评估材料韧性的主要指标是？A. 硬度B. 弹性模量C. 冲击韧性D. 屈服强度答案: C. 冲击韧性28. 在模拟材料的高温蠕变行为时，关键考虑的是材料的哪个性质？A. 弹性模量B. 蠕变极限C. 断裂韧性D. 熔点答案: B. 蠕变极限29. 下列哪种技术用于分析材料在加载过程中的变形和应力分布？A. 扫描电子显微镜B. 数字图像相关法（DIC）C. 红外光谱D. 能量色散X射线光谱（EDS）答案: B. 数字图像相关法（DIC）30. 在材料科学中，为了模拟材料的热传导过程，常用的软件是？A. ANSYSB. GaussianC. MATLABD. AutoCAD答案: A. ANSYS31. 第一性原理计算中，用于描述材料电子结构的理论框架主要是？A. 密度泛函理论B. 经典力学C. 统计力学D. 量子力学答案: D32. 在第一性原理计算中，哪个参数对于描述固体的能带结构至关重要？A. 晶胞大小B. 原子间距C. 离子电荷D. 布里渊区答案: D33. 下列哪个软件常用于第一性原理计算的密度泛函理论模拟？A. MATLABB. AutoCADC. GaussianD. VASP答案: D34. 第一性原理计算中，用于近似处理多电子体系中电子间相互作用的常见方法是？A. 玻尔模型B. 哈特里-福克方法C. 密度矩阵方法D. 局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）答案: D35. 哪种类型的计算在第一性原理模拟中通常用于研究材料的表面和界面性质？A. 分子动力学模拟B. 蒙特卡洛模拟C. 量子蒙特卡洛模拟D. 平板模型计算答案: D36. 在第一性原理计算中，为了获得更准确的电子结构信息，经常需要优化哪个参数？A. 原子质量B. 离子半径C. 晶格常数D. 截断能答案: D37. 下列哪个物理量在第一性原理计算中通常用于描述材料的磁性？A. 电导率B. 介电常数C. 热导率D. 磁矩答案: D38. 在进行第一性原理计算时，哪个步骤通常涉及求解Kohn-Sham方程？A. 初始化参数B. 能量最小化C. 自治场迭代D. 能带结构分析（尽管不直接求解K-S方程，但C项更接近实际求解过程）答案: C（注意：D项不直接相关，但C项是求解K-S方程的核心步骤）39. 第一性原理计算中，用于描述材料光学性质的物理量通常是什么？A. 折射率B. 电阻率C. 介电函数D. 复介电常数答案: D40. 下列哪个算法在第一性原理计算中常用于处理材料的声子谱？A. 密度泛函微扰理论（DFPT）B. 分子动力学C. 蒙特卡洛方法D. 超胞法结合有限位移法答案: A（但D项也是实际操作中可能用到的方法之一，但A项更直接相关）（注意：第40题的D选项虽然在实际中可能用于计算声子谱，但A 选项的DFPT是第一性原理计算中更直接用于声子谱计算的方法。
计算机在材料工程中的应用
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。
2.6材料加工过程的计算机控制
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。
2.4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。
2.2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”。
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。
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。
计算机在材料科学中的应用分析
计算机在材料科学中的应用分析摘要计算机作为现代化的工具对各个领域来说都有着极为重要的作用，尤其是在材料科学的研究发展中发挥着愈来愈重要的作用，材料科学属于研究材料的一种综合性学科，如，以钢铁行业为例来说，高炉内温度的测量、炉内流体运动的监控、高炉使用寿命的仿真等等都离不开对计算机的使用。
随着各项产业的逐渐精细化和完整化，对计算机的使用要求也在不断地提高，计算机在材料科学中可以说是有着广阔的发展前景。
本文主要试通过浅谈计算机和材料的关系来解析计算机在材料分析中的几个应用方向，目的是来进一步推进计算机在各个学科研究范畴的发展，从而也能促进我国社会经济的进一步向前发展。
关键词材料科学；计算机；应用中图分类号tp39 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）93-0216-02现代高新产业技术的不断发展，对我们所需材料的性能等方面也提出了较高的要求，同样的，对于材料科学研究领域本身来说，要求也是越来越高了，那么，材料科学研究的发展又是怎样与计算机建立起了密不可分的联系呢？这就需要我们在充分了解计算机与材料科学关系的基础上来具体地分析计算机在材料科学中的几个应用。
现在，材料科学领域已经有了一个较好地发展，这就需要我们在充分利用计算机的前提下把对材料科学的研究推向一个全新的高度，同时，这个新发展将大大提高研究领域的使用效能。
1 常用计算方法和数据处理常用计算方法和数据处理：常用数值分析方法；线性方程组解法；最小二乘法曲线拟合；三次样条插值函数；数值分析软件及应用举例；材料科学研究中的数据处理；材料科学研究的数据类型；材料研究中的数据分析；材料研究的实验设计；图象处理在材料领域的应用；数据分析软件介绍及应用举例；2 材料科学研究中数值模拟方法基础材料科学研究中数值模拟方法基础：有限差分法，差分方程的建立；差分方程的求解方法；有限元法的基本概念；有限元法的基本理论；现代有限元分析软件简介及在各专业方向应用举例；3 材料科学与工程中的物理场计算机分析材料科学与工程中的物理场计算机分析：温度场计算机分析；温度场及传热学问题；导热微分方程；导热问题的数值解析；非稳态导热问题的有限差分格式；温度场计算机分析举例；浓度扩散场计算机分析；扩散方程；扩散方程初始条件和边界条件；扩散方程的数值解析及针对物理场和温度场在各专业方向实际过程介绍；4材料相关学科和计算机学科的相互交叉4.1材料学和计算机学科的相互学习和使用从一定程度上，计算机科学与材料科学之间没有明确的界限，也就是说，当我们在学习材料科学的时候，需要间歇式地学习一些计算机相关知识。
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目录
第一章 计算机在材料与工程中的应用概述 第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算 机的实现） 第三章 材料数据库及专家系统 第四章 人工神经网络 第五章 材料研究中的数学模型及分析方法 第六章 电子显微技术在材料科学中的应用
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金属材料
材
无机非金属材料 有机高分子材料
料
复合材料
的
源材料
电子材料
耐火材料
医用材料
耐火材料
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1.1.2 MSE研究内容
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。（Next page）
美国国家研究院材料科学与工程委员会 《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》
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。
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。
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主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波 胡红军 唐丽文（化学工 业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版社,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）
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本课程是一门专业基础课。 课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用； 初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方 法和原理； 初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。
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第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1.1 材料的作用与分类
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材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和 所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计 层次，尺度约为1µm数量级，材料被看作是连续介质、 是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用 的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层 次有不同理论和方法，不同层次之间常常相互交叉、 不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。
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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。
材料科学与工程领域存在 四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成
与加工） 两个关键（仪器设备和分析建模）
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四个要素
Performance 使用性能
Composition &
Processing 成分与工艺
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
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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, 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。
材料设计是指通过理论分析与计算预报新材料 的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“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。20世纪50年代开始；80年 代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保 障、条件。
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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。
材料加工技术的发展主要体现在控制技术 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。
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MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学 科有着不可分割的联系，如固体物理学、 电子学、光学、声学、量子化学、数学与 计算机等。
一门发展不成熟的学科，它的研究很大程 度依赖于实验和经验的积累，系统的研究 材料还有一个很长的过程。
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计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了 有力保证。
材料是用 以制造有 用物件的 物质
材料是人类社会 发展的里程碑， 是人类生产和生 活水平提高的物 质基础，是现代 文明进步的重要 标志和发展高新 技术的基础和先 导。
石器时代
铜器时代
铁器时代
当代文明三大支柱（20世纪60年 代说法）：材料、能源和信息
新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技 术和生物技术
Moore’s Law (1965)： 计算机的CPU速度 每24个月增加一倍。
18 (1975)
图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符 合摩尔定律
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计算机在MSE的应用非常广泛: 材料科学是研究材料的组成与结构、
合成与制备、性能与应用以及它们之间相 互关系的一门科学,在所有的这些方面,计 算机都发挥了非常重要的作用。