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文檔簡介
1、材料設(shè)計基礎(chǔ)Fundamentals of Materials Design課程編號: 07370200學(xué)分: 2學(xué)時: 30 (其中:講課學(xué)時: 26 實驗學(xué)時: 4 上機學(xué)時: 0 )先修課程: 高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ) 適用專業(yè): 金屬材料工程、材料成型及控制教 材:材料設(shè)計教程,戴起勛、趙玉濤主編,化學(xué)工業(yè)出版社, 2007 年9 月第 1 版開課學(xué)院 :材料科學(xué)與工程學(xué)院一、 課程的性質(zhì)與任務(wù) 材料設(shè)計基礎(chǔ)是集材料學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、計算機科學(xué)等于一體 而發(fā)展起來的跨學(xué)科分支,是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域里的 計算機實驗 。本課程主 要介紹計算材料學(xué)中廣泛涉及的基本原理和重要方法
2、, 其中包括:材料模型化和 模擬中所采用的基本概念和原理;納觀至微觀尺度的模擬方法,如蒙特卡羅法、 分子動力學(xué)方法;微觀至介觀層次的模擬方法,如 Potts 蒙特卡羅法、相場動力 學(xué)方法、元胞自動機法; 介觀至宏觀層次的模擬方法, 如有限元法、有限差分法; 計算材料熱力學(xué)選講,如特征函數(shù)的表達、 相平衡計算方法; 以及各種模擬仿真 方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用實例。 通過該課程的講述和學(xué)習(xí), 使學(xué)生掌握計算材料 學(xué)領(lǐng)域的基本概念和原理, 了解從納觀、 微觀、介觀到宏觀尺度上材料相關(guān)性質(zhì) 的理論預(yù)測方法, 了解利用計算機進行材料成分與工藝輔助設(shè)計的基本知識, 了 解計算材料學(xué)與模擬仿真技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。
3、材料設(shè)計基礎(chǔ)是用數(shù)學(xué)、物理學(xué)的原理考察、 解決和處理工程實際問題, 強調(diào)工程觀點、定量運算、實驗技能的訓(xùn)練,提高學(xué)生分析問題、解決問題的能 力。其主要任務(wù)是讓學(xué)生掌握以下知識和能力:1.掌握及了解各種材料模擬設(shè)計的物理基礎(chǔ)、基本原理和方法等;2.掌握及了解各種各種常規(guī)材料模擬設(shè)計的應(yīng)用軟件、計算方法等。二、課程的內(nèi)容及要求(一)材料設(shè)計概述1.教學(xué)內(nèi)容(1)材料設(shè)計發(fā)展的歷史與作用(2)材料設(shè)計范圍與內(nèi)容(3)材料設(shè)計的層次與特點(4)材料設(shè)計的類型和方法(5)材料設(shè)計的任務(wù)2.基本要求(1)了解材料設(shè)計的內(nèi)容以及層次與特點(2)了解材料設(shè)計的任務(wù)3.重難點(1)材料設(shè)計的層次與多尺度關(guān)聯(lián)模型
4、(2)材料設(shè)計的主要技術(shù)與途徑1.教學(xué)內(nèi)容(1)材料設(shè)計的知識庫與數(shù)據(jù)庫以及專家系統(tǒng)(2)基于第一性原理的計算設(shè)計(3)合金特征晶體理論(4)基于相圖計算的材料設(shè)計(5)數(shù)學(xué)方法在材料設(shè)計中的應(yīng)用2.基本要求(1)掌握第一原理基本理論的近似假設(shè)(2)理解密度泛函理論和分子動力學(xué)模擬(3)了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料設(shè)計中的應(yīng)用3.重難點(1)重點是第一原理的計算設(shè)計(2)難點是合金相圖熱力學(xué)模型(三)基于第一性原理的材料設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)原子相互作用勢的計算應(yīng)用(2)高溫鈦合金優(yōu)化設(shè)計(3)奧氏體鋼第一原理設(shè)計(4)超硬材料計算設(shè)計2.基本要求(1)了解基于第一原理的計算理論模型(2)掌握第一原
5、理原子間相互作用對勢的嚴格表達(3)了解常用合金的第一原理設(shè)計方法、模型3.重難點(1)重點是第一性原理計算方法的理論模型(2)難點是常用合金設(shè)計中的理論基礎(chǔ)與建模(四)相圖熱力學(xué)計算設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)相圖優(yōu)化和計算過程(2)CALPHAD 相圖計算(3)奧氏體鋼組織穩(wěn)定性的數(shù)值計算設(shè)計(4)銅合金、鋁合金的相圖計算舉例2.基本要求(1)掌握相圖計算的計算方法和理論(2)了解材料熱物理性能的計算模型(3)了解相圖計算中的動力學(xué)計算3.重難點(1)重點是第一性原理與 CALPHAD 相結(jié)合的相圖計算(2)難點是第一性原理對動力學(xué)的計算(五)材料數(shù)值模擬設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)材料研究模型化(2
6、)材料表面激光作用的數(shù)值模擬(3)工程應(yīng)用層次的材料數(shù)值計算(4)形狀記憶合金的計算模擬(5)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕計算設(shè)計2.基本要求(1)了解數(shù)值模型化與模擬(2)材料表面激光作用數(shù)值模擬的基本數(shù)學(xué)模型(3)了解工程材料系統(tǒng)設(shè)計思路(4)理解邊界設(shè)計和有限元方法3.重難點(1)重點是形狀記憶合金中的馬氏體相變模擬(2)難點是表面激光處理中細晶化和非晶形成的預(yù)測(六)基于數(shù)據(jù)采掘的材料設(shè)計與預(yù)測1.教學(xué)內(nèi)容(1)基于數(shù)據(jù)采掘的半經(jīng)驗設(shè)計方法(2)超高強度鋼的設(shè)計(3)基于組合方法的多組分新材料合成2.基本要求(1)了解數(shù)據(jù)采掘法經(jīng)驗材料的設(shè)計(2)掌握復(fù)雜數(shù)據(jù)信息采掘各種算法3.重難點(1)重
7、點是復(fù)雜數(shù)據(jù)信息采掘原理(七)復(fù)合材料的設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)復(fù)合材料的設(shè)計與方法(2)復(fù)合材料性能相關(guān)性計算模型(4)結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料的設(shè)計2.基本要求(1)了解復(fù)合材料設(shè)計的相關(guān)方法 (2)理解復(fù)合材料基體與增強體的選擇方法(3)了解梯度功能復(fù)合材料的設(shè)計3.重難點(1)重點是復(fù)合材料力學(xué)性能計算模型 (2)難點是復(fù)合材料性能相關(guān)性計算模型(八)材料成型加工過程模擬設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)材料成型加工過程模擬設(shè)計概述 (2)鑄造工藝過程的數(shù)值模擬(3)材料連接成型過程模擬(4)金屬塑性成形模擬2.基本要求(1)了解金屬凝固過程數(shù)值模擬基本方法 (2)了解焊接熱循環(huán)主要參數(shù)的數(shù)學(xué)模型(3)掌
8、握金屬塑性成形模擬的基本步驟3.重難點(1)重點是鑄件溫度場及缺陷的數(shù)值模擬 (2)難點是焊接熱裂紋的模擬技術(shù)(九)材料變形與斷裂的介關(guān)設(shè)計1.教學(xué)內(nèi)容(1)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)行為模擬(2) 裂端擴展過程的分子動力學(xué)模擬(3) 周期載荷下裂紋擴展的分子動力學(xué)模擬2.基本要求(1) 掌握高體積分數(shù)顆粒增強復(fù)合材料的力學(xué)行為模擬(2) 掌握復(fù)合結(jié)構(gòu)界面裂紋形成的模擬(3) 了解裂端擴展過程的分子動力學(xué)計算模型3.重難點(1) 重點是復(fù)合結(jié)構(gòu)界面裂紋形成的模擬(2) 難點是裂端擴展過程的三重嵌套模型和關(guān)聯(lián)參照模型(十)材料模擬設(shè)計研究進展1.教學(xué)內(nèi)容(1) 極端條件下的第一原理模擬(2) 高分子材料
9、設(shè)計的新方法(3) 納米晶金屬的形變(4) 材料模擬設(shè)計應(yīng)用進展實例2.基本要求(1) 了解高壓下第一原理分子動力學(xué)模擬(2) 了解新材料的研發(fā)制備技術(shù)3.重難點(1) 重點是高壓下第一原理分子動力學(xué)模擬模型(2) 難點是金屬納米晶形變機理模擬三、課程學(xué)時分配尸片 早節(jié)講課實驗上機一、計算材料學(xué)緒論、基 本概念和原理2二、材料科學(xué)中的模型化與模擬4三、基于第一性原理的材料設(shè)計22四、相圖熱力學(xué)計算設(shè)計4五、材料數(shù)值模擬設(shè)計2六、基于數(shù)據(jù)米掘的材料 設(shè)計與預(yù)測4七、復(fù)合材料的設(shè)計2八、材料成型加工過程模 擬22九、材料變形與斷裂的介關(guān)設(shè)計2十、材料模擬設(shè)計研究進 展2四、大綱說明(內(nèi)容可包括實驗
10、內(nèi)容與基本要求、習(xí)題要求及其它一些必要的說明);1.本課程的實驗要求見材料設(shè)計基礎(chǔ)實驗教學(xué)大綱2.本課程的課程設(shè)計見材料設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計教學(xué)大綱。3.本課程采用多媒體教學(xué)。4.每次課后布置一些思考題,供學(xué)生選做,以便深入理解教學(xué)內(nèi)容。五、參考書目及學(xué)習(xí)資料(書名,主編,出版社,出版時間及版次)材料設(shè)計教程;戴起勛、趙玉濤主編;化學(xué)工業(yè)出版社,2007年第1版材料科學(xué)研究方法;戴起勛等編;國防工業(yè)出版社;2004年第1版復(fù)合材料;吳人杰主編;天津大學(xué)出版社;2000年第1版制定人:侯秀麗審定人:批準人:2013年4月課程簡介課程編碼:課程名稱: 材料設(shè)計基礎(chǔ)英文名稱: fundamentals of materials design學(xué) 分: 2學(xué) 時: 30(其中:講課學(xué)時: 26 實驗學(xué)時: 4 上機學(xué)時: 0 )課程內(nèi)容:材料設(shè)計基礎(chǔ)主要介紹計算材料學(xué)中廣泛涉及的基本原理和重要方法,其中包括:材料模型化和模擬中所采用的基本概念和原理;納 觀至微觀尺度的模擬方法; 介觀至宏觀層次的模擬方法, 如有限元法、 有限差分法;計算材料熱力學(xué)選講,如特征函數(shù)的表達、相平衡計算 方法;以及各種模擬仿真方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用實例。 通過該課程 的講述和學(xué)習(xí), 使學(xué)生掌握計算材料學(xué)領(lǐng)域的基本概念和原理
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