计算机在材料科学与工程中的应用-概述.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,计算机在材料科学与工程中的应用,Computer in MSE,（,Material Science and Engineering,）,2,主要参考资料,1、,计算机在材料科学与工程中的应用,-,杨明波 胡红军 唐丽文（化学工业出版社,2008,）,2、,计算机在材料工程中的应用,-汤爱涛(重庆大学出版社,200,8),3、,计算机在材料科学与工程中的应用,-,曾令可(武汉理工大学出版社,200,4),4、,计算机在材料科学中的应用,-,许鑫华（机械工业出版社,200,3,）,5、,计算机在材料科学与工程中的应用,-,刘兴江（东北大学出版社,2007,）,6、,计算机在材料科学中的应用,-,李琼（电子科技出版社,2007,）,7,、材料科学中计算机的应用-,乔宁（中国纺织出版社,2007,）,8,、计算机在材料科学与工程中的应用,张朝晖（中南大学出版社,200,8,）,3,第一章 计算机在材料与工程中的应用概述,第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算机的实现）,第三章 材料科学研究中,office,软件的应用,第四章 人工神经网络,第五章 材料科学中的图形软件,第六章 材料数据库及专家系统,第七章,Internet,与材料科学,目 录,4,本课程在教学计划中的地位、作用和任务,本课程是一门,专业基础课。,课程教学所要达到的,目的,：,了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用；,初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理；,初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。,5,考核方式：,查阅一篇计算机在材料科学与工程中应用的文献；,上机考试。,6,1.1 材料科学与工程(,MSE),1.1.1 材料的作用与分类,材料,是用以制造有用物件的物质,第,1,章 计算机在材料科学与工程中应用概述,材料,是人类社会发展的里程碑，是人类生产和生活水平提高的物质基础，是现代文明进步的重要标志和发展高新技术的基础和先导。,石器时代,铜器时代,铁器时代,当代文明三大支柱（,20,世纪,60,年代说法）：,材料,、能源和信息,新技术革命主要标志（,20,世纪,70,年代说法,）：,新材料,、信息技术和生物技术,7,材料的分类,金属材料,无机非金属材料有机高分子材料复合材料,结构材料,功能材料,建筑材料能源材料,电子材料,耐火材料医用材料,耐火材料,8,研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。,美国国家研究院材料科学与工程委员会,90,年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力,材料科学与工程领域存在,四个要素,（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工）,两个关键,（仪器设备和分析建模）,1.1.,2 MSE,研究内容,9,Source:Materials Science and Engineering for the 1990s,NRC,1989,Composition,&,Processing,成分与工艺,Structure,组织结构,Properties,材料性能,.,Performance,使用性能,四个要素,10,MSE,特点：,多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学科有着,不可分割的联系，如固体物理学、电子学、光学、声学、量子化学、数学与计算机等。,一门发展不成熟的学科，它的研究很大程度依赖于实验和经验的积累，系统的研究材料还有一个很长的过程。,11,1.2 计算机在,MSE,中的应用,计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了有力保证。,Moore,定律（,1965,）：,计算机的,CPU,速度每,1.5,年增加一倍。,12,计算机在,MSE,的应用非常广泛。,材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们之间相互关系的一门科学,在所有的这些方面,计算机都发挥了非常重要的作用。,13,材料行为工艺的计算模拟,是指利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。如对,材料相变,、对,材料成型过程,、对,材料在冲击载荷下,的计算机模拟等。采用计算机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，并且在没有实际制备加工出这些新材料之前就能预测它们的性能，为设计优异性能的新型材料提供强有力的,理论指导,，同时可避免大量的实验工作，提高材料研究的效率，降低工作强度，节省研究经费。,1.2.,1,计算机模拟技术用于材料行为工艺研究,14,计算模拟技术,是一种根据实际体系在计算机上进行的模型试验，通过将模拟结果和实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的正确性，也可以检验由计算模型得到的解析理论所作的简化近似是否成功。在模型体系上获得的相关信息一般比在实际体系上通过实验得到的信息更多。在很多情况下，计算机模拟可以部分地取代实验。另外，计算机模拟对于理论的发展具有重要的支撑作用，它们为现实模型和实验室中无法实现的探索模型提供了一种行之有效的研究方法，如材料在超高压力和温度条件下相变，材料在超高速冲击条件下的损伤与失效等，都可以借助计算机模拟技术进行详细研究。,15,计算模拟技术已应用于材料行为工艺研究的各个方面，包括材料组织结构的计算机模拟、材料热处理计算机模拟、材料腐蚀与防护的计算模拟、铸造过程计算机模拟、材料塑性成形过程计算机模拟、材料焊接过程计算机模拟等。,16,模拟的主要目的,是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、理论的合理性。,计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识的眼界。,17,典型模拟方法及所对应的模拟尺度,FDM=finite difference method,FEM=finite element method,18,网格划分,有限元模拟人脚走路受力情况,有限元方法,19,先进铸造工艺计算模拟,大家对铸造过程并不陌生，传统的铸造工艺是,“,睁眼造型，闭眼浇注,”,。我们不禁要问,“,闭眼,”,操作能做好吗？没错，,“,眼见为实,”,在铸造工艺设计中非常重要，而金属液一旦进入模具型腔之后我们就无法看到其动态流动、温度分布以及凝固过程。所以工程师们只能凭经验和想象来设计模具，这很令人头疼，那么如何才能看到整个铸造过程，让其在我们面前变得,“,可视,”,，从而优化铸造工艺呢？,首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温度分布和凝固过程；,其次用三维,X,射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据；,最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的生产工艺。,通过这样三步，我们就实现了,“,可视化铸造,”,！,20,计算机模拟,X,射线实时观察,实际生产,21,图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件,view cast,，从动画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。,22,此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程，其中不同的颜色代表不同的温度，这样温度这一不可见的过程也将变得,“,可视,”,。,23,先进锻造工艺计算模拟,锻造加工的悠久历史,锻造,=,打铁？,No,！,如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？,24,曲拐加工工艺的计算机模拟,25,工艺的模拟和工厂试制的比较,26,有限元模拟,实际生产,对一个大型压力容器件的加工模拟过程，用计算模拟的结果来指导生产，已经取得了很好的效果！,27,其它加工过程的模拟,钻孔,横楔轧,晶粒演化,齿轮架,感应加热,连杆,28,显微组织模拟,图中显示了计算机模拟的不同时刻的凝固枝晶形貌图，不同的颜色代表不同的浓度分布。这样显微组织形核、生长等过程也将实现,“,可视化,”,！,29,三维等轴树枝晶形貌的模拟,30,1.2.2,计算机技术用于材料数据库和知识库,由于工程材料的种类繁多，而每一种材料都有其特定的成分、结构及性能，因此所有工程材料的成分、结构及性能就构成了一个庞大的信息系统，为了便于材料工作者查询和研究，有必要建立各种类型的材料数据库。目前已建立了许多不同类型的材料数据库，如中科院金属所的材料数据库,Studio,PWSCF,37,材料热力学和相图计算软件,Thermo-Calc,Pandat,FactSage,38,有限元分析软件,有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是,50,年代首先在连续体力学领域,-,飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。,39,有限元分析软件目前最流行的有：,ANSYS,、,ADINA,、,ABAQUS,、,MSC,四个比较知名比较大的公司，其中,ADINA,、,ABAQUS,在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，,ANSYS,、,MSC,进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除,ADINA,以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有,ADINA,。,40,ANSYS,是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。,ABAQUS,专注结构分析目前没有流体模块。,MSC,是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。,ADINA,是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。,结构分析能力排名：,1,、,ABAQUS,、,ADINA,、,MSC,、,ANSYS,流体分析能力排名：,1,、,ANSYS,、,ADINA,、,MSC,、,ABAQUS,耦合分析能力排名：,1,、,ADINA,、,ANSYS,、,MSC,、,ABAQUS,性价比排名：最好的是,ADINA,，其次,ABAQUS,、再次,ANSYS,、最后,MSC,41,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，所有这些材料加工过程均可采用计算机对其进行自动控制。材料加工过程计算机控制的基本原理是：根据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据，将得到的信息进过,A/D,转换器,转化成数字信号输入计算机，计算机经过程序处理，最后将处理后数字信号经,D/A,转化器,变成模拟信息，进而将模拟信息传输到相应的执行设备以到达自动控制效果。材料及加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微型计算机和可编程控制器在材料加工过程中普遍应用体现了这种发展趋势。采用计算机技术控制材料的加工过程可以大幅度提高产品的加工精度和加工质量，同时也可以提供加工效率，改善工作条件。,1.2.4,计算机技术用于材料的加工控制,42,温度控制,43,材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表。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,，通常使整个系统的功能得到飞跃性增强。计算机化得材料性能测试系统,(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精度。,1.2.,5,计算机技术用于材料性能表征与检测,44,X,射线衍射仪,45,电子显微镜,46,金相显微镜,47,1.2.6,计算机技术用于材料数据和图像处理,材料科学中的实验为材料科学研究提供了大量的含有材料基本行为特征信息的实验数据，如何快速精确地处理这些复杂的数据，发现其中的规律，从而得到真实客观的材料行为信息，对材料科学研究而言非常重要。现代计算机的大容量存储特征和快速运算为存储和处理大量的材料实验数据提供很好的平台。,计算机对,材料数据的处理,工作主要包括存储、计算、绘图、拟合分析及快速查询等。,计算机,图像分析,已成为辅助研究材料结构和性能之间定量关系的一种重要方法。其应用涉及材料科学研究的各个方面，主要包括晶粒度的测量，夹杂物的评级、相分析以及显微硬度、孔洞率、球化率、涂层的测量等。,48,常用的软件,Excel,Origin,Photoshop,CorelDraw,Matlab,49,1.2.7,计算机网络技术用于材料科学研究,借助计算机网络，不同区域的材料科学研究者可以相互交流，及时了解材料科学的发展动向，查阅各种科技文献，共享材料研究的最新成果，迅速获得各种相关信息。计算机网络技术实现资源共享，材料研究工作者可以在办公室、家里或其他任何地方，访问查询网上任何资源，极大地提高了工作效率。而且，利用计算机网络技术使原本繁琐的文献检索工作变得非常简单，可以更快捷、更准确地获得相关的材料科学研究信息。,50,科研常用的搜索引擎,1,、,2,、,qns.cc/,科研人员的良好助手，上此网站的,90%,是从事科研的学生与老师。其词典搜索集成了目前市面上最好的在线英汉写作及科研词典，用此搜索引擎写作英文论文相当方便；其文献搜索集成了目前最优秀的数据库。,3,、,Scirus,是目前互联网上最全面、综合性最强的科技文献搜索引擎之一，由,Elsevier,科学出,-,版社开发，用于搜索期刊和专利，效果很不错！,Scirus,覆盖的学科范围包括：农业与生物学，天文学，生物科学，化学与化工，计算机科学，地球与行星科学，经济、金融与管理科学，工程、能源与技术，环境科学，语言学，法学，生命科学，材料科学，数学，医学，神经系统科学，药理学，物理学，心理学，社会与行为科学，社会学等。,51,4,、,www.base-BASE,是德国比勒费尔德,(Bielefeld),大学图书馆开发的一个多学科的学术搜索引擎，提供对全球异构学术资源的集成检索服务。它整合了德国比勒费尔德大学图书馆的图书馆目录和大约,160,个开放资源（超过,200,万个文档）的数据。,5,、,www.vascoda.de/Vascoda,是一个交叉学科门户网站的原型，它注重特定主题的聚合，集成了图书馆的收藏,文献数据库和附加的学术内容。,6,、,。它界面简洁，功能强大，速度快，,YAHOO,、网易都采用了它的搜索技术。,52,与材料科学相关的专业网站,www.bindt.org,英国无损检测中心,www.ctcms.nist.gov,计算材料学中心,www.twi.co.uk,TWI,提供的材料焊接技术服务,课程学习特点,理论讲解与上机实践相结合,重点学习软件,Orgin,、,MATLAB,，需自己安装和上机练习,一般了解软件,Office(Word,Excel),、,ISCD,、,Thermo-calc,、,Material Studio,和,Turbo C,等及常用的数据库,