计算机在材料科学中的应用及其发展前景

计算机在材料科学中的应用及其发展前景

计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。随着计算机的性能的完善以及各种科学研究软件的丰富，计算机在材料科学中的作用变得越来越显著了，如新材料的设计，计算机模拟，工艺过程的优化及自动控制，数据和图像处理，信息检索等等，这些都体现了计算机在材料科学中的广泛应用，其发展前景极为可观。

下面我就几种计算机在材料科学中的应用来说明计算机与材料科学研究的关系。

温度场的计算，各种材料的加工、成型过程中与加热、冷却等传热过程有着密切的联系，所以利用计算机解决传热问题是极为有力的。

材料科学与行为工艺的计算机模拟，材料行为工艺是通过调整材料在加工过程中的组织性能来改善其使用性能，利用计算机模拟材料可以部分代替传统的真实试验，提高了效率、节省费用。

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；反之通过热力学数据可以建立一定的模型，从而计算和绘制相图。相图计算CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)更是在前人收集、总结热力学数据的基础上发展形成的一门新的介于热力学、相平衡和计算机科学之间的交叉学科。

材料的组成和结构与计算机模拟，材料的组成和结构采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、分析电镜、扫描探针显微镜，各种谱仪和各种衍射仪，这些均是在计算机控制下完成各自的分析工作，而且设备随之提供了各种功能强大的分析模拟软件及其数据库，从而更加有效地提高了分析时的数据处理能力。

金属材料加工与计算机模拟，用计算机模拟实现试生产、减少实验次数、动态显示材料加工和制备工艺的各个物理量的演变历程和空间分布、预测缺陷和优化工艺流程，极大地缩短了试制周期、减少劳动力成本、提高生产率。

塑料加工中的计算机模拟，利用各种加工技术和计算机辅助工程CAE，实现对塑料制品造型、大量数据调用、人机对话，屏幕显示模拟实际的成型过程、预测塑料制件设计、模具设计和成型条件对产品质量的影响，从而能够方便、快捷地修改，寻求最佳的成型过程，使新的成型制品在较短的周期内顺利投产。

材料数据库将数据的进行集合及其管理、利用，从而对工程数据建立数据库系统，用于存储、管理和使用面向工程设计所需要的工程数据和数据模型，这是将工程方法与数据库技术结合起来，并将人工智能及专家系统与数据库相结合，建成智能化的CAD/CAM集成系统。数据库管理系统极大地方便了用户对数据的使用与管理，减轻用户的工作量和复杂性，提高了数据库的安全性，数据库系统可以提供数据共享即多用户同时使用全部或部分数据，数据库的具有数据的独立性即每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构，数据库的使用减少数据冗余，使数据的结构化，使数据的相互关联和记录类型的相互关联，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

数据库经历了第一代的层次数据库系统和网状数据库系统，第二代的关系型数据库系统，直到现在的第三代的面向对象数据库系统，从而满足了现在要在数据库中存放和管理的诸如多媒体数据、空间数据、实时数据、复杂对象、图像对象、知识和超文本等工程数据的需求，也就有了面向对象的工程数据库系统。

工程数据库系统可以适合于CAD、CAM、CIM等工程应用领域。要建立工程数据库系统首先需要选择合适的DBMS作为其开发平台，再将工程数据映射成DBMS支持的数据模型，利用DBMS 提供的数据定义语言和数据操纵语言，设计数据库的结构，提供操纵数据库数据的用户界面。

对于材料数据而言，其数据量十分庞大，目前世界上已有的工程材料数据库有数十万种，各种化合物大几百万种。材料的成分、结构、性能及使用等构成了庞大的信息体系，它们依然在不断更新和扩大。

材料中成分的组合若进行实验的话，将耗时、耗力，如果利用材料数据库和其他信息处理

技术则可以极大地减少研制工作量、缩短研究周期、降低成本和提高效率。

计算机材料性能数据库储存信息量大且存取速度快，查询方便，由材料查性能，也可以由性能查材料，通过比较不同材料的性能数据，进行选材或材料代用。，使用灵活，即使对材料的数据进行补充、更新和修改，功能强大，实现单位的自动转换、图形化表示数据、进行数据的派生。其应用广泛，配合CAD、CAM实现计算机辅助选材，还可以设计材料性能预测或材料设计的专家系统。

现有的材料数据库主要是欧美等发达国家开发研制的，而国内的相关单位也进行了不断的探索，取得了一定成绩，如清华大学材料研究所等单位于1990年联合建成的新材料数据库，它采用Oracle数据库，含有新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料五个子库，今后的材料数据库是向网络版方向发展。

专家系统(Expert System)源于人类专家的知识，应用人工智能技术，工具一个或多个人类专家提供的特殊领域的只是、经验进行推理和判断，模拟人类专家作出决断的过程，解决那些原来只有工业专家自己才能解决的各种各样的复杂问题，专家系统实际上是一种计算机程序，在某一特定领域内，能够利用知识和推理来解决人类专家才能解决的问题。

完整的专家系统由六个部分组成：

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.

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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

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。

下边是几种专家系统还有它们各自的应用

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

材料加工过程的计算机控制，微机和可编程控制器在材料加工过程中的应用可以减轻劳动强度，显著改善产品质量和精度，从而提高产量。计算机在材料加工中的应用有物化性能测试数据的采集和处理，加工过程自动控制（主要探讨的内容），计算机辅助模具设计和制造，材料加工过程的全面质量管理

在材料加工控制领域中，运用较多的是微机和可编程控制器（Programmable Controller，