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1、计算机在材料科学中的应用,计算机在材料科学中的应用领域计算机的具体应用,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。,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。,1.
2、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。,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,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
3、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。,返回,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。,有限差分法,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。,有限元法,
4、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。,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
5、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,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。,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
6、。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,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。,网络技术的发展使
7、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,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,利用计算机可以大量保存并
8、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。,计算机作为一种现代工具,在当今世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。,
