计算机应用思考题 及答案
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主要包括：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，用户可以方便地构造有限元模型；
求解模块包括结构分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析、以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值显示、梯度显示、矢量显示、粒子流及显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出
11.简述数据库的构成和主要特征。
数据库系统是由数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员、用户构成的人机系统
主要特征：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
12.请说明材料数据库应用。
1.计算机选材系统；2.合金相图数据库系统；3.数据库用于材料热处理工艺设计；4.数据库在材料物相分析中的作用
15.画出加热炉计算机控制系统的框图，并做简要的说明。
图P184
一、加热炉计算机控制系统的构成1.温度测量2.温度测量
二、故障显示与报警、
三、分区温度控制
16.根据计算机控制系统的原理，对热处理控制系统进行设计，并画出其框图。
P187焊接流程框图
17.请叙述计算机控制系统的类型。
直接数字控制系统、操作指导控制系统、监督控制系统
1.简述计算机在材料科学与工程中的应用。
解：计算机模拟技术用于材料行为工艺研究、计算机技术用于材料数据库和知识库、计算机用于材料设计、计算机用于材料性能表征与检测、计算机用于材料数据和图像处理、计算机网络用于材料科学研究
2.简述建立数学模型的基本步骤。常用的数学模型建立有几方法？
建模基本步骤如下:1．建摸准备2．建模假设3.构造模型4．模型求解5．模型分析6．模型检验7．模型应用常用的数学建模方法：1.数据分析法2．理论分析法3.模拟方法4.类比分析法
2.计算机仿真：在大量的材料显微组织检测的基础上，可以实现对材料组织及其与性能之间关系的变化规律进行计算机仿真，通过计算机仿真建立材料的显微组织模型，又可以用该显微组织模型推测材料的性能。
2源自文库.简述Origin软件的主要功能。
主要功能：1.数据分析与数理统计功能2.图表功能3.绘图功能
14.以任一相图计算软件为例，说明该软件系统的组成和主要功能。
相场模拟方法中，引入的相场变量ψ(r,t)一个有序参量，表示系统在空间／时间上每位置的物理状态(液态或固态)。在液相区相场变量ψ值为0，相反在固相区ψ值为1，在固／液界面区域内，ψ的值在0～1之间急剧变化。相场理论是以金兹堡一朗道理论为基础，通过微分方程来反映扩散、有序化势及热力学驱动的综合作用。相场方程的解可以描述金属料的固／液界面的状态、曲率以及界面的移动。把相场方程与温度场、溶质场、流动场等外场耦合，则可以比较真实地模拟金属的凝固过程，预测合金铸件的晶粒组织，进而预测铸件力学性能。相场模拟方法已经被广泛应用于各种扩散和无扩散相变的微结构演化研究，如析出反应、铁电相变、马氏体相变、应力相变、结构缺陷相变等。
描述人工神经元模型：
基本单元：神经元（处理单元）
它能完成生物神经元最基本的三种处理过程：
评价信号，决定每个输入信号的强度；
计算所有输入信号的权重和，并与神经元的阈值进行比较；
决定神经元的输出。
每个神经元具有一个和时间相关的活动状态和阈值。
各部分的作用：
神经元j的输入{X1, X2,…Xn},
神经元之间的连接强度用权值wij表示，
解题步骤：1)建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体2)假设代表单元物理行为的形函数，即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、初始条件和载荷；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。
6.请描述建立回归方程的数学方法。
神经元的活动状态和阈值分别用aj(t),θ(t)表示，
输出yi,数学描述：
f:为神经元功能函数;
g为转换函数。
当g(ai)=ai时，神经元的输出：
9.请叙述人工神经网络的基本要素。
基本要素：神经元功能函数、神经元之间的连接形式、网络学习。
10.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。
13.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法。
研究层次：微观设计层次，空间尺度在约1 nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；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：量子化学第一性原理计算、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
利用回归方程（最小二乘法）：
一未知系统：（xi, yi）,i=1,2,3…n
希望用一多项式代表曲线最佳的描述：
最小二乘法：
：为多项式估值
求解方法：
所以
7.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。简述蒙特卡洛法的基本步骤。基本步骤：1.构建概率模型2.随机抽样3.估计统计量
8.请描述人工神经元模型，说明各部分的作用。
4.有一炉壁，其厚度为δ，炉壁的内壁温度为T0=900oC，处壁温度Tm=100oC，请用有限差分法求解炉壁沿厚度方向上的温度分布。
5.请简述有限元法的数学思想和解题步骤。
解：有限元法的数学思想：有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从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近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。
18.简述计算机在材料的成分检测中起到哪些作用。
材料的物相及成分检测、材料的组织结构检测、材料的力学性能检测、材料的物理性能检测
19.简单描述计算机在组织结构分析中的具体应用。
1.金相定量分析：金相图像分析系统可以对合金相和非金属夹杂物等进行定量测量‘可以对合金组织进行评级和定量测量，还可以分析粉末冶金的粉末粒度等。
3.请简述差分法的数学思想和解题步骤。
差分法的数学思想：1．将求解域分为差分网络，用有限个网络节点代替连续的求解域；2．通过Tayor级数展开等方法，把方程中的导数用网络节点上的函数的差商代替进行离散，从而建立网络节点上的值为未知数的代数方程组。
有限差分法解题基本步骤：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
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
求解模块包括结构分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析、以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值显示、梯度显示、矢量显示、粒子流及显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出
11.简述数据库的构成和主要特征。
数据库系统是由数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员、用户构成的人机系统
主要特征：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
12.请说明材料数据库应用。
1.计算机选材系统；2.合金相图数据库系统；3.数据库用于材料热处理工艺设计；4.数据库在材料物相分析中的作用
15.画出加热炉计算机控制系统的框图，并做简要的说明。
图P184
一、加热炉计算机控制系统的构成1.温度测量2.温度测量
二、故障显示与报警、
三、分区温度控制
16.根据计算机控制系统的原理，对热处理控制系统进行设计，并画出其框图。
P187焊接流程框图
17.请叙述计算机控制系统的类型。
直接数字控制系统、操作指导控制系统、监督控制系统
1.简述计算机在材料科学与工程中的应用。
解：计算机模拟技术用于材料行为工艺研究、计算机技术用于材料数据库和知识库、计算机用于材料设计、计算机用于材料性能表征与检测、计算机用于材料数据和图像处理、计算机网络用于材料科学研究
2.简述建立数学模型的基本步骤。常用的数学模型建立有几方法？
建模基本步骤如下:1．建摸准备2．建模假设3.构造模型4．模型求解5．模型分析6．模型检验7．模型应用常用的数学建模方法：1.数据分析法2．理论分析法3.模拟方法4.类比分析法
2.计算机仿真：在大量的材料显微组织检测的基础上，可以实现对材料组织及其与性能之间关系的变化规律进行计算机仿真，通过计算机仿真建立材料的显微组织模型，又可以用该显微组织模型推测材料的性能。
2源自文库.简述Origin软件的主要功能。
主要功能：1.数据分析与数理统计功能2.图表功能3.绘图功能
14.以任一相图计算软件为例，说明该软件系统的组成和主要功能。
相场模拟方法中，引入的相场变量ψ(r,t)一个有序参量，表示系统在空间／时间上每位置的物理状态(液态或固态)。在液相区相场变量ψ值为0，相反在固相区ψ值为1，在固／液界面区域内，ψ的值在0～1之间急剧变化。相场理论是以金兹堡一朗道理论为基础，通过微分方程来反映扩散、有序化势及热力学驱动的综合作用。相场方程的解可以描述金属料的固／液界面的状态、曲率以及界面的移动。把相场方程与温度场、溶质场、流动场等外场耦合，则可以比较真实地模拟金属的凝固过程，预测合金铸件的晶粒组织，进而预测铸件力学性能。相场模拟方法已经被广泛应用于各种扩散和无扩散相变的微结构演化研究，如析出反应、铁电相变、马氏体相变、应力相变、结构缺陷相变等。
描述人工神经元模型：
基本单元：神经元（处理单元）
它能完成生物神经元最基本的三种处理过程：
评价信号，决定每个输入信号的强度；
计算所有输入信号的权重和，并与神经元的阈值进行比较；
决定神经元的输出。
每个神经元具有一个和时间相关的活动状态和阈值。
各部分的作用：
神经元j的输入{X1, X2,…Xn},
神经元之间的连接强度用权值wij表示，
解题步骤：1)建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体2)假设代表单元物理行为的形函数，即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、初始条件和载荷；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。
6.请描述建立回归方程的数学方法。
神经元的活动状态和阈值分别用aj(t),θ(t)表示，
输出yi,数学描述：
f:为神经元功能函数;
g为转换函数。
当g(ai)=ai时，神经元的输出：
9.请叙述人工神经网络的基本要素。
基本要素：神经元功能函数、神经元之间的连接形式、网络学习。
10.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。
13.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法。
研究层次：微观设计层次，空间尺度在约1 nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；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：量子化学第一性原理计算、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
利用回归方程（最小二乘法）：
一未知系统：（xi, yi）,i=1,2,3…n
希望用一多项式代表曲线最佳的描述：
最小二乘法：
：为多项式估值
求解方法：
所以
7.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。简述蒙特卡洛法的基本步骤。基本步骤：1.构建概率模型2.随机抽样3.估计统计量
8.请描述人工神经元模型，说明各部分的作用。
4.有一炉壁，其厚度为δ，炉壁的内壁温度为T0=900oC，处壁温度Tm=100oC，请用有限差分法求解炉壁沿厚度方向上的温度分布。
5.请简述有限元法的数学思想和解题步骤。
解：有限元法的数学思想：有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从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近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。
18.简述计算机在材料的成分检测中起到哪些作用。
材料的物相及成分检测、材料的组织结构检测、材料的力学性能检测、材料的物理性能检测
19.简单描述计算机在组织结构分析中的具体应用。
1.金相定量分析：金相图像分析系统可以对合金相和非金属夹杂物等进行定量测量‘可以对合金组织进行评级和定量测量，还可以分析粉末冶金的粉末粒度等。
3.请简述差分法的数学思想和解题步骤。
差分法的数学思想：1．将求解域分为差分网络，用有限个网络节点代替连续的求解域；2．通过Tayor级数展开等方法，把方程中的导数用网络节点上的函数的差商代替进行离散，从而建立网络节点上的值为未知数的代数方程组。
有限差分法解题基本步骤：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