计算机在材料中应用课件

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1、计算机在材料科学中的应用,材料科学与工程学院,上海应用技术学院,绪论,材料的地位和作用,1,材料分类一览表,2,3,材料科学的形成与内涵,5,6,计算机在材料科学中的具体应用,4,上海应用技术学院,1 材料的地位和作用,材料人类赖以生存的物质基础。 材料人类文明的标志。 社会发展史以材料来划分：石器时代，青铜器时代，铁器时代，先进材料时代。,石斧,商代巨型司母戍鼎,楚墓出土越王勾践宝剑,战国凹形铁锄,上海应用技术学院,长征三号火箭在发射塔上,全塑料汽车,上海应用技术学院,1 材料的地位和作用,人类对材料从依靠到创造，对材料认识由经验到科学。 人类社会文明的基础：材料，能源和信息。 相应的科学和

2、技术是新技术革命的主要标志。,上海应用技术学院,2 材料分类一览表,上海应用技术学院,结构材料：以受力为主的构件，用于制造各种结构。 例： 房屋（梁，柱，砖） 桥梁 钢筋 动物的骨骼 电线塔,2 材料分类一览表,上海应用技术学院,功能材料：主要用于完成 某种特殊功能。 电线、电缆（导电） 电瓷瓶（绝缘） 玻璃（透光） 保温瓶（保温） 遮阳伞（光学） 不锈耐酸材料（化学） 齿科材料（生物）,2 材料分类一览表,上海应用技术学院,材料科学与工程是研究材料的组成、结构，制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识及其应用。 材料科学实质上还是一门发展不成熟的学科。,Processing, Synthesi

3、s, And phase transformation,Theory and Modeling,Properties: Mechanical And Functional,Structure and characterization,3 材料科学的形成与内涵,上海应用技术学院,（1） 计算机用于新材料的设计 a.“材料设计”的设想 b. 材料设计涉及空间尺寸的层次: 电子层次(.1nm)，材料的微结构设计 原子/分子层次(.1nm)，材料的微结构设计 显微结构层次(1000nm=1m)，连续介质模 型处理,4 计算机在材料科学中的具体应用,上海应用技术学院,4 计算机在材料科学中的具体应用,（

4、1） 计算机用于新材料的设计 c.“材料设计”的设想得以实现： 设计的理论基础： 物理学，化学，固体物理理论，量子化 学，计算物理学 计算机技术基础： 人工智能，计算机模拟，数据库。 技术基础： 先进的材料制备技术。,上海应用技术学院,（2）材料科学研究中的计算机模拟 a. 计算机模拟：是一种根据实际体系在计算机上进 行的模型实验。 b. 材料科学研究中主要物理场的数值模拟（书第三章） 材料受热后温度的分布（温度场） 材料受力的计算机模拟分析（应力场） 材料在化学热处理原子扩散的计算机模拟(浓度场）,4 计算机在材料科学中的具体应用,上海应用技术学院,磁瓦3D实体模型,升温至1220时磁瓦的温

5、度场分布云图,上海应用技术学院,磁瓦及炉膛3D实体模型,升温至1220时磁瓦的温度场分布云图,上海应用技术学院,压下量50%时的等效应变云图,圆柱形坯料的有限元单元模型,上海应用技术学院,上海应用技术学院,上海应用技术学院,4 计算机在材料科学中的具体应用,（3）材料工艺过程的优化及自动控制,由简单顺序控制发展到数学模型在线控制,工艺参数优化,上海应用技术学院,4 计算机在材料科学中的具体应用,（4）计算机用于数据和图像处理 计算机用于数据处理： 数据存储、计算、绘图及拟合分析。 计算机用于图像处理： 微观结构图像分析（eg:晶体大小、分布、 聚集方式等）,上海应用技术学院,4 计算机在材料科

6、学中的具体应用,（5）计算机网络在材料研究中的应用 检索信息 互相交流,上海应用技术学院,Chap1 材料科学研究中的数学模型,数学模型基础,1,数学模型的建立,2,3,常用的数学建模方法,5,6,上海应用技术学院,Chap1 材料科学研究中的数学模型,数学模型是数学科学连接其他非数学学科的中介和桥梁。 数学建模将实际问题抽象为数学模型（问题），采用数学推理、求解，解决实际问题。,上海应用技术学院,1.1 数学模型基础,1.数学模型的定义： 利用数学语言对某种事物（系统）的特征和数量关系建立起来的符号系统。 数学模型是一种抽象模拟，反映了事物本质属性和内在联系。 数学模型是现实世界的抽象描述、

7、本质的描述、简化的描述。,上海应用技术学院,1.1 数学模型基础,2. 数学模型的分类 按人们的认识过程分类： 描述性模型，解释性模型。 前者是唯象模型（e.g.行星运动的开普勒定律）；后者是理论推导模型，反映了事物的本质（e.g.万有引力定律）。 按建立模型的数学方法分类： 初等模型，微分方程模型，模拟模型等。 e.g.速度变化率（瞬间）正比于作用力。,上海应用技术学院,1.1 数学模型基础,2. 数学模型的分类 按模型的应用领域分类： 人口模型，交通模型，水资源模型，环境模型等。 按模型的特征分类： 静态和动态模型，确定性和随机模型，离散和连续性模型，线性和非线性模型等。 按对模型结构的了

8、解程度分类： 白箱模型，灰箱模型，黑箱模型。,上海应用技术学院,1.1 数学模型基础,3.数学模型的作用 数学模型的作用：将客观事物抽象化、简单化、可推理化，使得人们可用（数学）逻辑的方法来预见、分析、推理、解决待确定的问题。 数值模拟技术最近十年才广泛应用？ 因为 计算机的普及和应用对模型的发展起关键的作用。,上海应用技术学院,1.2 数学模型的建立,到底数学建模与计算机有没有关系？ 建模与计算机并无直接关系！ e.g.阿基米德在2000多年前建立了杠杆定律。 牛顿定律建立在300多年前。 建模与计算机有间接关系：复杂问题可能获得解。,上海应用技术学院,1.2 数学模型的建立,数学建模的基本

9、步骤： a.建模准备确立建模课题，进行建模筹划。 b.建模假设建立模型最关键的一步。 c.构造模型构造出刻画实际问题的模型。 d.模型求解借助计算机完成对模型的求解。 e.模型分析对模型求解的数值结果进行分析。 f.模型检验回到实际中去对模型进行检验。 g.模型应用将其用于解决实际问题。,上海应用技术学院,1.3 常用的数学建模方法,理论分析法应用科学定理和定律建立模型； 模拟方法采用相类似的模型模拟原来模型； e.g.“分子的扩散”和“材料的热传导”两者可用同一个模型 类比分析法根据两个（或两类）系统某些属性或关系的相似，去猜想两者的其他属性或关系也可能相似的一种方法； e.g.“原子的波尔

10、模型”是与“太阳系模型”相比较得出的 数据分析法通过对数据分析建立模型。 e.g.回归分析,上海应用技术学院,Chap2 材料科学研究中主要物理场的数值模拟,平面温度场的有限差分求解,1,2,3,5,6,4,1,2,3,5,非稳态导热问题的求解,Mathematica软件的使用方法及应用,有限差分法,温度场的计算,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,1.Mathematica简介 Mathematica 是由Wolfram Research公司开发的一套专门进行数学计算的软件。 Mathematica是第一个将符号运算、数值计算与图形显示结合在一起的数学软件。

11、 Mathematica还是一个易于扩充的系统。它提供了功能强大的程序设计语言，可以定义用户需要的各种函数。,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,2.运行Mathematica 与运行其它Windows应 用程序一样启动 Mathematica，进入以 下画面： 所示的界面由工作区窗 口、基本输入模板和工 具条组成。,工具条,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,2. 运行Mathematica 1)工作区窗口是显示一切输入、输出的窗口。所 有操作都在这个窗口中进行。将这种类型的窗口称为 Notebook。 2)基本输入模板由一

12、系列按钮组成。用于简化数 学表达式、特殊字符及Mathematica函数的输入，还 可以根据需要自制特殊的模板。 3)工具条工具条上有9个菜单项。,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,2. 运行Mathematica 输入一些基本的命令，然后同 时按住SHIFT和ENTER键， Mathematica开始运算并将结 果返回，如图所示。 Mathematica系统包含前端与 核心两大部分，由核心进行实 际的运算，前端负责接收输入 和返回运算结果。,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,3. Mathematica的基本运算 Mat

13、hematica的运算类型可以分为数值运算和符号运算。,最后运算结果不包含任何未知数。如：1/2+1/3，Cos Pi/3 SinPi/3 .,最后运算结果含有未知数。如：Integrate Sinx, x Dx5*y5, x,2.,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,1) 数值运算 在Mathematica中，基本的运算如加、减、乘、除 和乘方分别用+, -, *, / 和表示，其运算次序 与一般规则一致，即先乘方，后乘除，最后是加 减。要改变运算的次序可以调用小括号“（”和“）”。 如：1+2(3+4/(5-6)7 -1,上海应用技术学院,2.1 Math

14、ematica软件的使用方法及应用,1) 数值运算 Mathematica不仅能作精确的计算，也可以按指定的精 度求近似值。 如：1/2+1/3 5/6 N%“%”表示上一次运算的结果，“%”表 示上一次的上一次的运算结果，以次类推。 0.833333 “N”是Mathematica的函数，表示求近似值，可以指定有效位数。如： NPi, 18 3.14159265358979324,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,1) 数值运算 “/”是函数的后缀表示，如：x/N就是Nx。 如：CosPi/3 SinPi/3 %/N 0.433013 在Mathemati

15、ca中函数的参数（即自变量）用“”和 “”括起来，函数名要求区分大小写，且第一个字 母要大写。也就是说Sin不能写成sin，因为它们代表不 同的东西。,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,1) 数值运算 以下是一些比较常用的数学函数。,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,1) 数值运算 Pi表示圆周率，它在Mathematica中是一个精确 值，类似的还有E（自然常数），Degree（角度，即 Pi/180）。 如：Sin60deg，Sin60Pi/180 .,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应

16、用,2) 符号运算 Mathematica还可以进行符号演算， 如：Expand(a+b)2 Expand是展开表达式中的乘 积和幂。 a2+2ab+b 微积分同样也是Mathematica所擅长的。 如：Integrate SinxExpxx, x D Exp x2/Exp x+Logx-1, x,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及应用,2) 符号运算 Mathematica还有很多的特殊函数，复杂的积分往往 用它们表示。当然，Mathematica也可以用来求定积 分、偏导数和极限等。 如： Integrate Expx, x, a, b eb-ea Dx5*y5, x,2 20 x3y5 Limit(Tanx-Sinx)/x3,x0,上海应用技术学院,2.1 Mathematica软件的使用方法及