計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五①計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域②計(jì)算機(jī)的具體應(yīng)用第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五1.1計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)主要是利用人工智能、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)模擬、知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù),使人們能將物理、化學(xué)理論和大批雜亂的實(shí)驗(yàn)資料溝通起來,用歸納和演繹相結(jié)合的方式對(duì)新材料的研制作出決策,為材料設(shè)計(jì)的實(shí)施提供行之有效的技術(shù)和方法。第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五1.2材料科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)模擬

計(jì)算機(jī)模擬是一種根據(jù)實(shí)際體系在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。通過將模擬結(jié)果與實(shí)際體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性,也可以檢驗(yàn)出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否成功,還可為現(xiàn)實(shí)模型和實(shí)驗(yàn)室中無法實(shí)現(xiàn)的探索模型做詳細(xì)的預(yù)測并提供方法。第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五1.3材料與工藝過程的優(yōu)化及自動(dòng)控制

材料加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛速發(fā)展,微機(jī)和可編程控制器在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種發(fā)展和趨勢。在材料加工過程中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,更能改善產(chǎn)品的質(zhì)量和精度,提高產(chǎn)量。第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五在材料的制備中,可以對(duì)過程進(jìn)行精確的控制,例如材料表面處理熱處理中的爐溫控制等。計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合,使工藝設(shè)備、檢測手段的準(zhǔn)確性和精確度等大大提高。第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五1.4計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)和圖像處理

材料科學(xué)研究在實(shí)驗(yàn)中可以獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),借助計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備,可以大量保存數(shù)據(jù),并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算、繪圖,擬合分析和快速查詢等。利用計(jì)算機(jī)的圖像處理和分析功能就可以研究材料的結(jié)構(gòu),從圖像中獲取有用的結(jié)構(gòu)信息,如晶體的大小,分布,聚集方式等,并將這些信息和材料性能建立相應(yīng)的聯(lián)系,用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究。返回第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.1材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型建立和數(shù)值分析

數(shù)學(xué)模型建立是一種具有創(chuàng)新性的科學(xué)方法,它將現(xiàn)實(shí)問題簡化,抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)問題或數(shù)學(xué)模型,再采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法求解,進(jìn)而對(duì)現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行定量的分析和研究,最終達(dá)到解決實(shí)際問題的目的。第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.1.1有限差分法

建立差分方程,用有限差分代替無限微分,以差分代數(shù)方程代替微分方程,以數(shù)值計(jì)算代替數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,從而將連續(xù)函數(shù)離散化,以有限的,離散的數(shù)值代替連續(xù)的函數(shù)分布。計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)上述離散和計(jì)算的強(qiáng)大工具。第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.1.2有限元法有限元法是將連續(xù)的介質(zhì)材料劃分為許多微小的單元有限個(gè)單元,在確定其邊界條件后對(duì)其進(jìn)行單元求解,從而獲得整體介質(zhì)的相關(guān)性能。有限元法的實(shí)現(xiàn)必須通過計(jì)算機(jī),利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大而快速的數(shù)據(jù)計(jì)算、處理和存儲(chǔ)能力進(jìn)行有限元計(jì)算。第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五主要是利用有限元軟件進(jìn)行分析,方法是先建立某個(gè)零件的幾何模型,然后賦予其一定的材質(zhì)鋼材、木材等這些材質(zhì)的力學(xué)等性能是己知的,施加載荷,然后根據(jù)其邊界條件進(jìn)行有限元分析。第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.2材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬

包括材料的傳熱(溫度場)、應(yīng)力場(力學(xué)問題)和濃度場(內(nèi)部原子的遷移流動(dòng))等的計(jì)算,以上問題即可采用前述的有限元分析法進(jìn)行模擬“傳熱傳質(zhì)過程”。第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五材料內(nèi)部原子遷移的微觀過程和由此引起的物質(zhì)的宏觀流動(dòng)與材料在生產(chǎn)和使用過程中的許多物理化學(xué)過程密切相關(guān),因此使用有限元法對(duì)擴(kuò)散的濃度場進(jìn)行計(jì)算的技術(shù)具有重要的意義。第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.3組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬

鋼材的性能主要取決于其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),鋼的常溫組織是在加熱之后的冷卻過程中形成和完成的,為了使鋼材獲得某種預(yù)期的組織結(jié)構(gòu),就需要準(zhǔn)確地測量鋼在熱處理或熱加工過程中的冷卻過程。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的開展使材料的組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬成為可能,鋼的TTT曲線和CCT曲線為組織轉(zhuǎn)變提供了兩種不同的模擬途徑。第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.4相圖計(jì)算及其軟件

相圖是描述相平衡系統(tǒng)的重要幾何圖形,通過相圖可以獲得某些熱力學(xué)資料反之,由熱力學(xué)數(shù)據(jù)建立一定的模型也可計(jì)算和繪制相圖。用計(jì)算機(jī)來計(jì)算和繪制相圖有了廣泛的應(yīng)用。第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五

Thermo-Calc包括物質(zhì)和溶液數(shù)據(jù)庫、熱力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)和熱力學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。Fact包括物質(zhì)和溶液兩個(gè)數(shù)據(jù)庫及一套熱力學(xué)和相圖等的優(yōu)化計(jì)算軟件。這些軟件的共同特定是集成了具有自洽性的熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫和先進(jìn)的計(jì)算軟件?？捎糜诟鞣N類型的二元、三元和多元相圖的平衡計(jì)算。第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.5材料數(shù)據(jù)庫

計(jì)算機(jī)材料數(shù)據(jù)庫具有存儲(chǔ)信息量大、存取速度快、查詢方便、使用靈活、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。目前已有的材料數(shù)據(jù)庫包括合金相圖數(shù)據(jù)庫、陶瓷相圖數(shù)據(jù)庫、材料腐蝕數(shù)據(jù)庫、材料摩擦磨損數(shù)據(jù)庫等,還包括材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬彈性性能數(shù)據(jù)中心和金屬擴(kuò)散數(shù)據(jù)中心等數(shù)種各類數(shù)據(jù)庫。第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步走向現(xiàn)代化,在材料研究、理化測試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和決策咨詢中得到廣泛應(yīng)用。另外,利用人工智能技術(shù)的材料加工等專家系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。包括預(yù)測專家系統(tǒng)、診斷專家系統(tǒng)、設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)、規(guī)劃專家系統(tǒng)、監(jiān)視專家系統(tǒng)、控制專家系統(tǒng)等。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.6材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程自動(dòng)控制是生產(chǎn)過程現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。在材料加工控制領(lǐng)域,運(yùn)用較多的是微型計(jì)算機(jī)和可編程控制器。計(jì)算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面物化性能測試數(shù)據(jù)的自動(dòng)聚集和處理、加工過程的自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造、計(jì)算機(jī)輔助研究、材料加工過程的全面質(zhì)量管理等。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2.7材料科學(xué)研究中的數(shù)據(jù)與圖像處理

利用計(jì)算機(jī)可以大量保存并方便快速查找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且更重要的是可以對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的后續(xù)處理計(jì)算、繪圖、擬合分析等。目前,可用于數(shù)據(jù)管理、計(jì)算、繪圖、解析和擬合分析的軟件很多,有些功能強(qiáng)大,有些則相對(duì)簡單、專業(yè)化。比如origin可以對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一般的處理與繪圖,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計(jì)分析,第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五

計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)正逐漸成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間定量關(guān)系的一種重要手段。圖像處理主要是用常規(guī)軟件(photo

shop等)進(jìn)行材料的圖像分析與處理,例如,材料凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)單元的測量,利用圖像色調(diào)整的方法進(jìn)行圖像的二值化,包括目標(biāo)粒子的分離,背景的去除,設(shè)定閉值進(jìn)行二值化等。第二十一頁，共二十二頁，編輯于