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1、计算机在材料工程中的应用林江莉 2004年2月第一章 绪论计算机在材料科学中的应用状况和发展 趋势 计算机数字图像处理与材料工程 数学形态学是数字图像处理的一种重要 方法 第 1 节 计算机在材料科学中的应用状况和发展趋势. 科研学习方面 . 生产实践方面. 工厂设计方面 科研学习方面n资料的查询： （北大天网） 图书馆 中国学术期刊网 、维普 电子期刊网n数据分析处理 （绘制曲线、插值、曲线拟合、回归分析、数据的统计 分析、结果的方差分析与选优）：EXCEL 、MATLAB 、Cn报告的书写： Word、Photoshop数据的分析处理n例1-1插值：已知CO2在1400、1500、 1
2、600OC时的比热容分别是2.310、2.3316 、2.3525kJ/Bm3.OC,求CO2在1435OC时 的比热容。 FORECAST(x, known_ys,known_xs)n例1-2曲线拟合（回归分析）：某种生物活性微 晶玻璃，在一定温度下，放在模拟体液中处理， 测定一批数据，进行曲线拟合（回归分析），写 出该曲线的解析式。n回归分析是用数理统计方法处理曲线拟合问题，和曲线 拟合类似。但是它除了要给出方程的待定系数bi的估计 值外，还要对bi的估计值进行检验给出估计值的可靠性R愈接近于1，则回归方程的拟合度愈好。t1246810121724y0.0150.4610.9171.413
3、1.7872.0452.2512.6642.903n例1-3数据的统计分析 动弹模量仪在金属、非金属固体材 料弹性测试中得到广泛应用。今将玻璃试样加工成矩形 长方体，放在两支点上，敲击试样中部，使之自由振动 ，由动弹仪测定其固有频率，给出读数R，代入公式E （Mm）/(bR2)求得其弹性模量E，测量试样50次，求E 的均数和标准差。（样本的标准差反映了样本相对于均 值 ) 的离散程度。 ） 已知：试样的形状因素 M1230试样质量m20.368g试样宽度b7.34mmR测量值见EXCEL表n均值： AVERAGEA(value1,value2,.)n标准差：STDEV(number1,numb
4、er2,.) nEXCEL中搜索“统计函数” 关键字了解更多内容利用MATLAB进行数据的分析处理这些命令主要存放于Statistics Toolbox中n利用p=ployfit（X,Y，n）作回归分析。n1为线性回归分析；n2为抛物线回归分析 ， ,得到包含各待定系数bi的P向量。利用refcurve(p) 绘制拟合的曲线n利用mean(X)求均值 n利用std(X) 求标准差 v 生产实践方面n生产过程的数值仿真n材料的合成和制备的计算机模拟n材料的组成和结构的计算机模拟n对材料加工过程的计算机模拟n薄膜生长与原子尺度的计算机模拟 n在材料选择中的应用n生产过程的计算机控制n在材料分析测试
5、技术中的应用（粒度的测量）n在生产企业管理中的应用生产过程的数值仿真n硅酸盐制品种繁多，生产工艺各异，大多在高温、密 闭设备内进行，影响生产过程的因素众多，且相互关 联。因此，为了更好的研究硅酸盐制品生产过程中各 种传递现象和各种物理场的分布必须要寻找一个灵活 多变、简便可信的方法。目前有三类研究方法： 测试仪表的现场实测法（受设备、仪表水平的限制） 用实体模型的物理仿真法（无法满足所有相似条件） 数字模型的数值仿真法（能满足边界条件的相似，可以方 面的改变输入，模拟多种情况下的输出。难点：建立符合实际的数学 模型）材料的合成和制备的计算机模拟n现代高新技术的发展，对材料的性能要求越来越高，随
6、着对材料微观 结构与宏观性能关系了解的日益深入,人们将可以从理论上预言具有特 定结构与功能的材料体系,设计出符合要求的新型材料,并通过先进工 艺和技术制造出来。当今，人们采用各种新颖的模拟算法,并结合运算 功能强大的计算机,能够在细致和精确程度对物质内部状况做到前所未 有的研究，因此计算机模拟在材料科学中的应用越来越广泛,并由此产 生了一门新的材料研究分支计算材料科学 (ComputationalMaterialsScience)。n采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程, 了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为,并且在没有实际备制出这 些新材料前就能预测它们的性能,为设
7、计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导.材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高 效、经济、灵活,并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模 拟“实验”,特别是在对微观状态与过程的了解方面,模拟“实验”更有其 独特性甚至有不可替代的作用. 材料的组成和结构的计算机模拟n现今材料的组成和结构表征研究主要采用各种大型分 析设备进行,例如各种电镜：如扫描电镜(SEM)、透射 电镜(TEM)、分析电镜(AEM)、扫描探针显微镜 (SPM)等；以及各种谱仪：如可见光谱、红外光谱、 拉曼光谱、原子吸收光谱、等离子体发射光谱、荧光 光谱等;各种衍射仪，如X射线衍射、电子衍射、中子 衍射等。n这些大
8、型分析设备几乎无一例外地是在计算机的控制 之下完成分析工作的.这些分析设备提供有不同的分 析模拟软件以及相应的数据库,而且这些分析模拟软 件的功能非常强大,大大减轻了数据处理的工作量,可 以给出各种图表。 对材料加工过程的计算机模拟n对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段.材 料加工主要包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶 金等。所有这些均可利用计算机对其进行自动控制和过程 模拟。n自动控制的基本原理是：根据材料加工的尺寸或性能要求 向计算机输入相关数据,将得到的信息经过A/D转换成数字 信号输入计算机,计算机经过自己的程序处理,最后将处理 的数字信号经D/A转换器变成模拟信息,进
9、而将模拟信息传 输到相应的执行设备以达到自动控制效果.n例如：铸造产业中充型过程的模拟, 利用计算机模拟技术 可在实际铸造前对铸件可能出现的缺陷及其大小、部位和 发生的时间予以有效的预测,并采取对策以确保铸件质量 、缩短试制周期和降低生产成本。薄膜生长与原子尺度的计算机模拟n纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在蜕起的新 科技。纳米薄膜材料就是利用物理和化学的方法人工地将 纳米尺度的物质单元组装、排列构成二维的纳米结构体系 。在纳米薄膜材料的研制过程中，分析研究薄膜的生长模 式及理论模型对分析新材料的微观结构与特殊性能和制备 环境之间的关系有着十分重要的意义。n除了运用先进的实验观察设
10、备，如原子力显微镜(AFM)和 扫描隧道显微镜(STM)以及热原子散射技术TEAS和低能衍 射技术(LEED)、高能电子衍射RHEED等进行分析研究外 ，利用计算机以原子尺度水平模拟原子、分子成膜的结构 与行为，也是一种有力的分析手段。n计算机在纳米薄膜生长研究中的应用的意义主要是：从 原子尺度水平模拟原子、分子成膜的结构与行为，动态逼 真地显示薄膜生长过程；分析环境因素对成膜的影响， 用以解释实验观察的各种现象；从原子、分子尺度上分 析各种条件下的成膜机理和薄膜生长机制；为调整优化 制膜工艺条件，创建或补充理论依据。在材料选择中的应用n在整个产品的更新中，选择材料是关键 性的，由于经常要考虑
11、产品的重量、价 格、能量要求等方面的优化，并且材料 的类型和等级在迅速地增加，因此材料 选择是一个非常费时和复杂的过程。所 以如果采用一个设计得好的计算机化的 材料选择系统将具有重大的价值 生产过程的计算机控制在材料分析测试技术中的应用n材料性能的测定大多使用专门的测试设备和 仪表。为了测定材料某些较为特殊的性能,常 将一些通用的测试设备和仪表组成比较复杂 的测试系统.在组建的测试系统中,如果使用计 算机来控制整个系统,使其协调运行,进行数据 采集和数据处理,通常都能使整个系统的功能 得到飞跃性的增强。计算机化的材料性能测 试系统(CAT系统)是提高材料研究水平的重要 手段。由于计算机灵活的编
12、程方式,强大的数 据处理能力和很高的运算速度,使得CAT系统 可以实现手动方式不能完成的许多测试工作, 提高了材料试验研究的水平和测试的精度。 在材料性能分析方面n例：对纳米非均匀体系中的内应力场及 其对相变的影响以及多晶系统中的晶粒 压电共振等许多问题进行计算和模拟， 这些计算和模拟为深刻地认识材料的物 理性质,为建立相应的物理模型提供了有 力的论据。 粉料粒度的测试 n颗粒材料，特别是超细粉体材料的地位越来越重要n颗粒材料的许多重要特性是由颗粒的平均粒度及粒度分 布等参数所决定的。例如：J粒度的分布影响白砂糖的晶体群质量；J水泥粒度决定水泥的凝结时间；J颜料粒度决定其着色能力；J荧光粉粒度
13、决定电视机、监视器等屏幕的显示亮度和清 晰度；J催化剂粒度也部分地决定其催化活性J此外，颗粒粒度对食品的味感、药物的效用、冶金粉末 的烧结能力及炸药的爆炸强度等也有很大的影响。n有关颗粒粒度测量技术受到人们的普遍重视。颗粒粒度测定的方法n传统的方法：筛分法、显微镜法、沉降 法、电感应法等。（人工）n近年来发展的方法：激光衍射法、计算 机图像分析技术（显微镜法为基础）、 基于颗粒布朗运动的粒度测量法、质语 法等。（均利用了计算机技术）传统方法之一：筛分法n借助人工或不同的机械振动装置，将颗粒样 品通过一系列具有不同筛孔直径的标准筛(即 筛系)，分离成若干个粒级，再分别称重，然 后求得以质量分数表
14、示的颗粒粒度分布。n筛分法的缺点：在筛分操作过程中，颗粒有 可能破损或断裂，因此筛分特别不适合测定 长形针状或片状的粒度；同时，非球形的颗 粒通过筛子在一定程度上取决于颗粒的方向 ，造成测量误差；含有结合水的颗粒粒度的 测量不适宜采用筛分法，最多达到300多目， 即10um。传统方法之二：显微镜法n根据晶体粒度的不同，既可采用一般的 光学显微镜，也可以来用电子显微镜。n通常采用显微拍照法将大量颗粒试样照 相，然后，根据所得的显微照片，采用 人工的方法进行颗粒粒度的分析统计。n缺点：受主观因素影响较大，使得测量 精度不高，而且操作繁重费时，容易出 错。发展的方法之一： 计算机图像分析技术n利用计
15、算机技术采用综合性图像分析系 统可以快速而准确地完成显微镜法中的 测量和分析统计工作 发展的方法之二：激光衍射法 n激光衍射颗粒粒度分析仪主要由激光器、扩束镜 、聚焦透镜、光电探测器和计算机组成。n来自激光器中的一束窄光束经扩束系统扩束后， 平行地照射在颗粒槽中的被测颗粒群上，由颗粒 群产生的衍射光经聚焦透镜会聚后在其焦平面上 形成衍射图，利用位于焦平面上的一种特制的环 形光电探测器进行信号的光电变换，然后将来自 光电检测器中的信号放大、AD变换、数据采 集送人到计算机中，采用预先编制的优化程序对 计算值与实测值相比较，即可快速地反推出颗粒 群的尺寸分布。发展的方法之三： 基于颗粒布朗运动的粒
16、度测量法n 布朗运动是悬浮于介质(气体或液体)中的微 小颗粒与介质分子相互作用产生连续不断的 无规则运动。在一定条件下和在一定时间内 ，颗粒所移动的平均位移均具有一定的数值 ，并且平均位移的平方与颗粒粒径成反比。 据此，在仔细研究了颗粒布朗运动规律和超 细微粒光学影响特征之后，提出了采用把光 学显微镜、图像分析技术和光子相关技术相 结合的测量方法。 工厂设计方面AutoCad 计算机辅助设计第 2 节 计算机数字图像处理与材料工程.材料工程中的数字图像处理问题 .什么是数字图像.数字图像处理的主要内容和目的& 材料工程中的数字图像处理问题颗粒统计、测量 对粒 状物（如谷物、粉状物 等）进行面积和均径的 测量、并进行分类，自 动标记，反映分布情况 多孔物分析 孔径、 形状、表面积、孔 度分布情况分析 纹缝测量 多阶性分析 测量不同 色阶的图像区域（颜色 或明暗度不同的图像区 域）。这一功能还可被
