计算机在材料科学中的应用ppt课件

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1、计算机在材料科学中的应用,讲授内容,基本原理 基本方法 软件的使用及应用 只能在基本层次上进行,要 求,听课 记录 上网查询资料 写出课程小结,几大内容,数学模型 数值分析方法 物理场的数值模拟 加工过程控制 材料检测 数据与图像处理 Internet的应用,材料分类,按照组成和结构分 金属、无机非金属、有机高分子、复合材料 按照性能特征和作用分 结构、功能材料 按照用途分 建筑、能源、电子、耐火、医用、耐蚀,研究内容,材料的组成 材料的结构 材料的性能 材料的制备工艺 材料的使用性能 材料的各方面之间的相互关系,计算机研究材料,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

2、理 信息检索,第三章 材料科学研究中的主要物理场的数值模拟,第一节 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。 一.导热方程 固体在稳态条件下的Fourier 导热方程 qx 是x 方向的热流密度(W/m2);是材料的热导率(W/m.K) 偏导数为x 方向上的温度梯度，负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反。,三维状态时，瞬态温度场的场变量T在有方程： 为材料密度(kg/m3), c为材料的比热容(J/kg.K),t为时间，三个分别为沿x,y,z方向的导热率（w/m.K），Q是物体内部的热源密度(W/kg). 这是一个

3、热量平衡方程，即体元升温所需的热量应等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和。 若边界条件和内部热源密度Q不随时间变化则经过一定时间后物体内部各点的温度将达到平衡，即有稳态热传导方程：,此方程必须附加初始条件和边界条件(即定解条件)才能得到唯一解。 二.初始条件与边界条件 1.初始条件 T|t=0 =T0 或 T|t=0 = T0(x,y,z) 2.三类边界条件 物体表面或边界与周围环境的热交换通常有三种类情况，既有三类边界条件。,（1）第一类边界条件 已知物体边界上的温度分布函数 T|s =Tw 或 T|s = Tw(x,y,z,t) （2）第二类边界条件 已知物体边界上的热流密度 这实际

4、上就是Fourier定律,（3）第三类边界条件 已知物体与其周围环境介质间的对流传热系数k和介质温度Tf 当k取不同的值时，上述三类边界条件均可以统一用第三类边界条件式表达，以方便计算机编程计算。,三、平面温度场的有限差分求解 1、二维稳态导热问题的求解 四条边界有四种不同的边界条件：三类边界条件和绝热条件。 (1)划分网格 xxi+1- xi ， yyi+1- yi (2)建立差分方程 二维各向同性、无内热源的稳态热传导微分方程有 应用四个边界条件： 对流传热边界条件,热流边界条件 绝热边界条件 给定温度边界条件 用Ti,j 表示结点(i,j)处的温度，以差商代替微商，则有：,O函数是截断误

5、差,代入并舍去误差，令x=y后则有 四个边界条件的差分形式如下： 对流传热边界条件 热流边界条件 绝热边界条件 给定温度边界条件,这样一个差分方程加四个边界条件式共同构成方程组，从而通过求解得到结果。 3、简单算例 P68图36，已知所有边界点的温度且无内热源，利用稳态导热求解线性方程组。 四、有限元法求解 1、基本方程 试探函数：构造的函数，满足边界条件 加权余量法：用构造函数计算会有余量，则对余量的加权积分使其为零。 型函数Ni KTP （热传导矩阵*结点温度阵温度载荷阵）,2、平面温度场有限元法求解 (1)单元划分：三结点三角形单元 三角形的每个顶点称为结点，按逆时针方向对3个结点进行编

6、号i,j,m (2)试探函数：在单元中寻找满足单元的近似函数很方便，也就将试探函数称为插值函数，可以假设每个单元上的温度分布T是坐标的线性函数，有 Ta1+a2x+a3y 它满足在三个结点上为相应结点的温度值，代入得到 TNiTi+ NjTj+ NmTm 其中：Nk(ak+bkx+cky)/(2A) (k=i,j,m) A是三角形的面积，Nk 称为型函数 (3)单元积分计算 (4)单元总体合成 (5)求解 KTP,3、有限元分析实例 工业烟囱壁中的温度分布情况 4、采用ANSYS程序计算潜水艇壳体的温度分布情况,第四章 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

7、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。 第三节 相图计算发展历程和计算软件介绍 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)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。,一、相图计算的过程和特点 1、相图计算过程 主要步骤： 体系的热力学、相平衡和晶体结构等文献数据的调研和评价。这是由于实验数据的来源和实验的方法有很多种，

8、从而要加以判别实测数据的合理性及自洽性。 根据体系中各相的结构特点分别选择合适的热力学模型机器吉布斯自由能函数，主意是利用经过评价后精选的实验数据对自由能表达式中的可调参数进行优化。 用适当的算法和相应的程序按照相平衡条件计算相图，比较计算结果和实验数据，通过调整可调参数或重新选择热力学模型进行两者之间的吻合。 从低元系热力学性质的表达式可以外推出高元系的结果。,2、CALPHAD方法的主要特点 体系热力学性质和相图的热力学自洽性。 外推和预测多元系热力学性质和相图。 利用相图计算方法可以外推和预测相图的亚稳部分，从而建立体系的亚稳相图，通过这种外推，可以计算那些扩散活性差、难以达到平衡的体系

9、和在极端条件下(如高温、高压、放射性等)下用式样磨难一测定的相图。 提供相变动力学研究所需要的重要信息。 可获得以不同热力学变量为坐标的各种相图形式，以便用于不同条件下材料制备过程。,二、相图计算软件介绍 1.Thermo-Calc 由瑞典皇家工学院材料科学与工程系为主开发，它包括了欧共体热化学科学组(SGTE)共同研制的物质和溶液数据库、热力学计算系统(Thermo-Calc)和热力学评估系统(Top)。 Thermo-Calc系统有Windows版(TCW)和DOS版(TCC)两种版本,均包含有SGTE纯物质数据库、 SGTE溶液数据库、 FEBASE铁基合金数据库等多个数据库，还包括了6

10、00多个子程序模块。 Thermo-Calc可以在 http:/www.thermocalc.se 下载教学版。,二、相图计算软件介绍 2.FACT(Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics) 由加拿大蒙特利尔多学科性工业大学计算热力学中心为主开发，它包括了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。 FACT在1976年创建，是一种开放的体系，功能日趋完善和强大，含有多个化学热力学计算模块，主要有： 化合物模块中超过5000个化合物的热力学数据(焓、熵、热容、热导、密度、膨胀系数等)。 溶液模块中有超过100个非理想

11、溶液的数据库。 化学反应模块有大量的用于计算化学反应的数据和多元多相平衡。 计算二元化合物相图，以及二元系相图优化和三元交互相图计算等 在 http:/www.crct.polymtl.ca 可以免费使用FACT的部分模块的有限功能，如Compound-Web、Reaction-Web。,三、用Thermo-Calc系统计算相图举例 计算Fe-8%Cr-C三元系垂直截面图 第四节 计算机模拟在材料科学中的应用 一、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

12、，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。 二、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。,三、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。 现已有多种塑料

13、加工CAE软件。,第五章 材料数据库和新材料、新合金,第一节 数据库系统的组成与结构 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。 一、数据库系统概述 数据的管理经历了人工管理、文件管理和数据库管理几个阶段。现阶段广泛使用的是关系数据库模型，具有简单清晰、易于理解和掌握。之后有了各种领域的数据库系统，如分布式数据库、工程数据库、模糊数据库、并行数据库及其多媒体数据库等。现在又出现了面向对象数据库。,二、数据库

14、管理系统 DBMS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，常见的关系型DBMS有： dBASE FoxBase FoxPro INFORMIX ORACLE DB2 对于数据库的建立、使用和维护都是在DBMS的统一管理和控制下进行的，数据库管理系统通常有数据描述和操纵语言、数据库管理控制程序、数据库服务程序三部分组成。 三、数据库系统结构 三个部分及三级模式 数据库：结构化的相关数据的集合，有数据间的关联性。 物理存储器：存储数据的介质，如光盘、磁盘、磁带等。 数据库软件：负责对数据库管理和维护的软件，其核心是DBMS。,四、数据库数据的主要特征 数

15、据库系统管理数据具有下列特征： 数据共享：多用户同时使用全部或部分数据 数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构 减少数据冗余：数据集中管理，统一组织、定义和存储 数据的结构化：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 五、工程数据库的应用 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

16、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。,第二节 材料科学与工程数据库 一、材料数据库的发展 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具有下列有点： 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。 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