计算机在材料科学中的应用

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);λ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。xTqx三维状态时，瞬态温度场的场变量T在有方程：ρ为材料密度(kg/m3),c为材料的比热容(J/kg.K),t为时间，三个λ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：0QzTzyTyxTxtTczyx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。0QzTzyTyxTxzyx（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上就是Fourier定律),,,(||||tzyxqnTqqnTqwsswss或（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。)(|fsTTknT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△x＝xi+1-xi，△y＝yi+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02222yTxT)(,Ly00,x2fTTkxT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：wqyTx,L00,y10,Ly0,x21xTLwTxLT,L0,y12))((2))((2221,,1,2222,1,,122yoyTTTyTxoxTTTxTjijijijijijiO函数是截断误差代入并舍去误差，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)(411,1,,1,1,jijijijijiTTTTT)(,Ly00,x,,,12fjijijiTTkxTTwjijiqyTTx,1,1,L00,y0,L0,x,1,21jijiTTyLwjiTTxL,12,L0,y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3－6，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NiKT＝P（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T＝a1+a2x+a3y它满足在三个结点上为相应结点的温度值，代入得到T＝NiTi+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KT＝P3、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(CalculationofPhaseDiagram)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：1)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，从而要加以判别实测数据的合理性及自洽性。2)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。3)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。4)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1)体系热力学性质和相图的热力学自洽性。2)外推和预测多元系热力学性质和相图。3)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。4)提供相变动力学研究所需要的重要信息。5)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600多个子程序模块。Thermo-Calc可以在下载教学版。二、相图计算软件介绍2.FACT(FacilityfortheAnalysisofChemicalThermodynamics)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，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1.数据库：结构化的相关数据的集合，有数据间的关联性。2.物理存储器：存储数据的介质，如光盘、磁盘、磁带等。3.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据库系统管理数据具有下列特征：1.数据共享：多用户同时使用全部或部分数据2.数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构3.减少数据冗余：数据集中管理，统一组织、定义和存储4.数据的结构化：数据的相互关联和记录类型的相互关联5.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