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1、1,机电工程学院：李会强,材料科学与工程中的常用软件,课程复习及新内容导入,你对于计算机是否感兴趣？你一般利用计算机做什么？简单谈谈你所接触到的软件？ 你将来可能会希望从事什么样的职业？你认为在这种工作环境下有可能会用到什么软件？ 请谈一谈你对我们上一节课的感受或感觉或看法或想法。 用自己的语言来尝试描述一下计算机在材料科学与工程的应用领域。,常用软件,微观研究领域：Material Studio，VASP，WIN2K，ABINIT 材料加工过程铸造：Procast，FT-Star铸造之星，华铸CAE/ InteCAST铸造工艺分析软件 焊接：焊接焊条型号自动选择软件、焊接结构生产工艺、机械化
2、与自动化图册塑性加工：ABAQUS，DEFORM, MAC, ANSYS CAD/CAE: AUTOCAD,PRO/E, UG,IDEAS 图形图像处理软件：Matlab，Origin，TECPLOT，surfer，GMT 图像分析：金相图象分析软件，EBSD，定量金相分析软件 流体力学计算软件：CFD-FASTRAN，CFX，PHOENICS 热力学/相图计算软件：Thermocalc，FactSage，Pandat,4,Mateial Studio Ansys Pro E,课程内容,5,Materials Studio,出品人：美国ACCELRYS公司 应用领域：材料科学、生命科学（医学、
3、制药）、化学科学 评价级别：AAAAA 运行平台：PC机 运行模式：Client/Server结构 操作系统：客户端：Windows 98、2000或NT系统，服务器：本机的Windows 2000、NT，或网络Windows 2000、WindowsNT、Linux或UNIX系统 操作界面：Microsoft标准用户界面 性能：使研究者达到和世界一流工业研究部门相一致的材料模拟的能力,6,模拟的内容：催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性 模拟的尺度：从量子到晶粒尺寸 主要模块：基本环境 MS.Materials Visualizer分子力学与分子动力学晶体、结晶与X射线衍射
4、 量子力学 高分子与介观模拟 定量结构-性质关系,7,MS Visualizer 提供了搭建分子、晶体、界面、表面及高分子材料结构模型所需的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构模型，处理图型、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以支持Materials Studio的其它产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。同时Materials Visualizer还支持多种输入、输出格式，并可将动态的轨迹文件输出成avi文件加入到Office系列产品中。MS4.0版本增加了纳米结构模建、分子叠合以及分子库枚举等功能。,8,材料科学模拟 材料建模和模拟用来帮助
5、理解和控制材料的结构、性质和加工工艺。,9,量子力学模拟 优点：分子和大块材料是由原子构成。原子可以经典地描述为质子和中子构成的原子核，以及核外电子云。正是这些电子的结构和相互作用决定物质的化学性质。 量子力学模拟方法预测材料中电子的行为。因此它是目前最直接最精确的用于计算材料和分子性质的理论手段。理论上，量子力学方法可以预测材料的任何性质，甚至有些性质（例如电学、磁学、和光学特性）只有量子力学方法能胜任，而其他方法，例如原子尺度模拟方法，由于它们无法进行合理近似，从而无法得到材料电子结构的准确信息。原理：所有量子方法都归结于寻求薛定锷方程的解。方程可以简写成：E（psi）= H (psi)
6、其中E代表体系总能量，H代表哈密顿算符（一种数学算子记号）和希腊字母（psi）描述电子状态的“波函数”。缺点：除了氢原子，我们无法得到更复杂体系的薛定锷方程的解。各种近似方法的确让方程更容易解，但是它们仍然无法使复杂体系达到最简化。需要消耗很长的机时，也限制了研究体系的尺度。近年来，随着算法和计算机硬件的改进，量子力学方法更适用于实际材料体系。同时，新方法带来的新颖的近似，让量子力学方法推广到固态系统。,10,第一性原理计算方法第一性原理计算方法适用于周期表上的所有元素，而且大量的文献证明了它的准确可靠性。哈特福克近似方法是将体系分解，简化为解单个独立的电子薛定锷方程。而密度泛函理论将问题归结
7、为对电子密度函数的描述。和其他量子力学方法相同，第一性原理计算结果包含所有原子的位置，力场，电子结构（即“电子云”的描述），和体系的能量。从第一性原理计算得到的基本结果，以及它们随时间演化的规律，我们能推出几乎材料所有的性质。 半经典近似方法半经典近似通过引入实验数据和第一性计算结果代替计算参数，达到简化薛定锷方程的目的。 和第一性原理计算相比，半经典方法对计算要求相对不那么严格，当然，其代价是牺牲精度。半经典方法的局限在于它只适用于参量化的计算体系。,量子力学模拟的原子运动（阿司匹林分子吸附在C60分子上的模型，彩色的“云”代表分子轨道）电子的构形决定了体系的性质（例如化学反应）。,11,原
8、子尺度的模拟 经典的原子模拟是一种实用的近似。经典近似把原子当作基本结构单元，忽略电子的细节，认为原子之间的相互作用可以用简单的方程表达，就像用牛顿力学来处理小球的弹性碰撞问题。 分子建模很显然，分子模拟的第一步是建立模型。 力场的引入如果我们把分子想象成为用弹簧（键）联系起来的一堆小球（原子），那么分子的势能可以用所有小球的质量和弹簧的弹性参数为参量来表达。计算得到最低能量分布，也就能找到体系最稳定的几何构形。而它在外扰下的动力学行为，可以用经典力学方法处理。 系统必须用各种能量的综量表达，它们除了化学键能之外（即弹簧的弹性势能），包括范德华能，库仑能（带电体系），和分子键角的扭转，形变能等
9、等。E(total) = E(bond) + E(Coulomb) + E(VdW) + E(torsion) + E(angle)+ . 能量表达式是作用力场的基础，因此我们可以进行系统能量和受力情况的计算。 力场的分量完整的力场描述包括：表达每种能量的方程形式（例如，键能可以用简单谐振的形式描述）,12,必要的参量（例如，键的“弹性常数”） 每种能量都可以用方程表达，每个原子或原子团都有相应的参量（例如 C-H 键和C-C键有着不同的弹性常数），所以需要大量的方程和参数来表示一个力场分布。模拟分子力学计算（简称MM）寻找系统的最低能量，即能量最小化过程。分子系统有若干能量极小状态，每个状态
10、对应特定能量，但总存在一个能量最小值，也就是系统的构形出现概率最大的能量。 分子力学的计算适用于“气态“分子系统（由若干独立分子组成），溶液系统，和宏观分子系统。引入周期边界条件可以计算晶体材料、块状非晶材料和表面。这类计算的结果可以指导材料合成，化学反应，立体化学效应，溶解度，药物和化学添加剂的键合情况还有晶体结构，块体材料优化等等，给材料加工提供了无法估量的重要参考价值。分子动力学 （简称MD）采用经典力学解决分子体系的运动问题。它可以用于研究结构的稳定性，以及任何与分子运动相关的性质，例如扩散，渗透，分子振动模式（红外光谱特性的来源）和键合机制等等。 蒙特卡罗方法（简称MC）是一种基于随
11、机数产生的方法。它可以很快得到复杂体系的最可几概率状态，故广泛应用于计算化学等领域。在MC方法中采用力场计算能很快得到优化的状态，例如，MC方法计算分子体系的能量，然后得到最可能的分子构形。 原子尺度模拟的应用原子尺度的模拟可以解决分子层次上的问题，其典型的应用领域包括聚合物研究，分子结晶过程研究，和分离过程的优化等。,13,13,分子建模阿司匹林分子,力场的引入,分子力学计算（简称MM）寻找系统的最低能量，即能量最小化过程。,被聚合物包裹着的碳纳米管,14,介观尺度的建模 介观尺度建模是指所考察的尺寸介于分子和工程设计的一类材料建模方法。典型的尺度介于10到100纳米。 由于在不同体系和应用
12、领域，介观建模方法的细节上可能有较大差异。这里仅仅介绍一些基本的介观尺度建模知识。所以，介观尺度建模不像原子和量子力学建模那样总能适用在某个单位尺度（电子或原子尺度）。 介观尺度研究的共同特征在于：所有介观建模方法都是建立在低层次的结构单元基础上。聚合物的介观模型可以看作简单的一串“珠子”，每个珠子代表一个单体。,15,其他应用例子： 准晶聚合物体系的晶体畴结构 纤维及复合材料 去垢剂的团聚作用 泡沫塑料，泥浆和涂胶 柱状，纤维状和片状悬浮物 与分子建模相比，介观建模考察的空间和时间尺度更大。它往往处理特征时间远大于分子运动的工艺过程。如下例举一些与介观建模相关的工艺： 胶化过程 胶体絮状物形
13、成 物质混溶 玻璃化转变 聚合物构形 扩散过程 应用领域： 化学试剂、特种聚合物、加工、焊接、石化、食品、洗涤用品、化妆品、染料、造纸、运输、国防、和制药行业等等。其应用范围包括：纤维纺织品，粘合剂，复合物，还有日常化学用品，甚至药物载体。,16,介观尺度建模的一个例子：模拟共聚物分子和药物载体（图中红色和绿色部分），水（蓝色）和安定类药物（亮点）之间的相互作用。,小结,提问：假设你进入一个公司工作，某一天领导告诉你，我们开展了一个新项目，需要掌握一个新软件的使用，给你两个月时间，那么请讲一下你会怎么做：第一步做什么，第二步做什么，第三步做什么？,18,ANSYS公司 ANSYS家族产品的开发
14、者 总部位于 Canonsburg, PA - USA (匹兹堡南部),ANSYS 简 介,19,ANSYS的产品家族,20,ANSYS功能概览,结构分析 热分析 电磁分析 流体分析 (CFD) 耦合场分析 - 多物理场,21,结构分析的类型: 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非线性行为，例如: 大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析 - 计算线性结构的自振频率及振形. 谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).,结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.,22,谐响应分析 - 确定线性结
15、构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应. 瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为. 特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析,Courtesy: Sikorsky Aircraft,23,用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为. 它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.,ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外， 还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYN
16、A.,24,ANSYS热分析概览,热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力. ANSYS功能: 相变 (熔化及凝固), 内热源 (例如电阻发热等) 三种热传递方式 (热传导、热对流、热辐射),ANSYS 热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.,25,ANSYS电磁分析概览,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,磁场分析 用于计算磁场.,26,ANSYS电磁分析概览(续),磁场分析的类型: 静磁场分析 - 计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场. 交变磁场分析 - 计算由于交流电(AC)产生的磁场. 瞬态磁场分析- 计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.,27,ANSYS电磁分析概览(续),电场分析 用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等.高频电磁场分析 用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.,
