计算机在材料中的应用

计算机在材料科学与工程中的应用重庆大学材料学院汤爱涛2011-2012学年第二学期教学目的教学内容及安排教学参考资料说明说明介绍计算机技术在材料科学与工程领域应用基本概况，学习将计算机技术用于解决材料科学中实际问题的思路、方法与手段，重点学习计算机数值模拟技术在材料加工过程中的应用,使同学们初步掌握计算机技术在专业领域应用的基本知识、相关数学方法以及有关软件的基本使用方法，开拓同学们的思路和视野，培养同学们的创新能力。课程教学内容及安排(24+16=36)1周1章绪论（1）1周2章材料科学与工程研究中的数据处理（3）–建模基础2周3章材料科学与工程研究中的数学模型与数值计算（4）–建模方法步骤3周4章材料科学与工程中典型物理场的数值模拟（4）–典型模型的建立4周5章相图计算（4）5周6章人工神经网络与专家系统及在材料科学与工程中的应用（4）−预测模型建立6周7章计算机自动控制技术在材料科学与工程中的应用（4）−控制模型的建立上机实验内容及安排3周实验1数据处理应用实践1——Excel的应用3周实验2数据处理应用实践2——Origin的应用4周实验3常用数学分析方法应用实践4周实验4温度场的模拟计算实践5周实验5浓度场的模拟计算实践5周实验6相图计算软件的应用实践6周实验7物相分析软件应用实践6周实验8人工神经网络应用实践教学参考资料教材：计算机在材料工程中的应用，汤爱涛等主编，重大出版社，2008主要教学参考资料：计算机在材料热加工领域中的应用，李英民等主编，机械工业出版社，2001计算机在材料科学与工程中的应用，曾令可等主编，武汉理工大学出版社，2004有关事宜有关事宜说明说明一、任课教师信息主讲教师：汤爱涛；电话：65106121；E-mail：[e-mail]。辅导教师：肖璐（研究生）;电话：65111520；E-mail：[e-mail]二、教学相关安排：实验课时间：按实验调整课表安排进行地点：A区综合大楼324室答疑安排：待定(协商)三、成绩评定方法：课程成绩由平时成绩30%和考试成绩70%组成；平时成绩(平时作业、实验报告、学习态度、表现、能力)。四、其他：1.1计算机与材料科学的关系1.2主要应用领域1.3主要使用的商业软件1.1计算机与材料科学计算机硬件技术的发展计算机软件技术的发展计算机网络技术的发展计算机技术的发展传统材料的发展低成本高性能新材料不断出现超导材料纳米材料生物医用材料能源材料关系相互支持共同进步材料的发展计算机模拟技术的应用应力应变微观组织变化与描述（分子、原子、电子）温度场浓度场（组织场）应力场流场磁场等相图计算计算机控制技术的应用工艺参数的自动控制加工过程的自动控制数据库技术的应用材料数据库专家系统计算机集成制造系统技术的应用CAD计算机辅助设计CAE计算机辅助工程分析CAM计算机辅助制造CAPP计算机辅助工艺设计材料科学基本要素及之间的关系实例1模拟计算(a)填充过程中的压力分布(b)填充过程中熔体前沿温度分布(c)填充过程中熔体温度分布(d)制件表面的分子趋向汽车零件成形模铸填充过程模拟得到的结果凝固过程组织模拟(模拟区域为2.4mm×2.4mm)B.Böttgeretal.:ControllingMicrostructureinMagnesiumalloy:Acombinedthermodynamic,experimentalandsimulationapproachAdvancedEngineeringMaterials84(2006)241MgMg--CaCa--AlAlDesignofMagnesiumAlloywithThermodynamicDatabaseDesignofMagnesiumAlloywithThermodynamicDatabase实例3相图计算Report,Report,profprof..liulibin,csuliulibin,csu实例4材料数据库及专家系统重庆大学的工作通用类专业类一、通用软件1、办公类office2、数据处理类origin3、计算模拟类Matlab有限元分析软件（ANSYS、MARC，国产有限元软件FEPG等135个有限元分析软件）Flow3D4、辅助设计测试autocad3.组织模拟类3.组织模拟类3.组织模拟类二、专业类1.计算模拟类热力学、相图计算类软件第一原理计算类组织模拟类材料加工类2.辅助设计测试分析类辅助设计辅助测试相分析软件概述:热力学计算软件的开拓者，软件开发历史比较悠久，因此软件功能比较完善和强大，所涉及的领域比较广泛，包括冶金、金属合金、陶瓷、熔岩、硬质合金、粉末冶金、无几物等等，产品主要包括TCC、TCW、DICTRA、二次开发工具和数据库。功能：1、热力学--相图、热力学性能、凝固模拟、液相面、热液作用、变质、岩石形成、沉淀、风化过程的演变、腐蚀、循环、重熔、烧结、煅烧、燃烧中的物质形成、CVD图、薄膜的形成、CVM计算，化学有--无序等。2、动力（DICTRA）--扩散模拟，如合金均匀化、渗碳、脱碳、渗氮、奥氏体/铁素体相变、珠光体长大、微观偏析、硬质合金的烧结等。窗体底端热力学、相图计算类软件Thermo--calc热力学、相图计算类软件概述：（原产地:美国，全是中国人开发）热力学计算软件的后起者,主要是抓住TC界面不友好和需要计算初值的弱点发展起来的，目前主要是在金属材料也就是合金行业中发展，产品包括Pandat、PanEngine和数据库窗体底端功能：相图计算、热力学性能、凝固模拟、液相投影面、相图优化以及动力学二次开发等。pandat热力学、相图计算类软件概述：（原产地：英国，和ThermoTech是一家），定位非常新颖，主要是做金属材料性能计算（其他材料不可用），如热力学性能、热物理性能、机械性能、热处理相关性能（CCT/TTT、淬火）。数据库和软件绑定在一起，没有软件和数据库之分。功能：相平衡计算、热物理性能计算、凝固性能计算、机械性能（强度、硬度、蠕变）、热处理相变模拟（CCT/TTT、淬火等）等，目前可为很多模拟软件提供基础材料数据（如ANSYS、Procast、Magma等）。JMatPro热力学、相图计算类软件概述：（原产地：加拿大），主要是通过熔盐、氧化物、无机物热力学计算发展起来的，非常适合冶金、化工等行业应用，当然FactSage也能计算金属相图，其应用可贯穿于整个冶金及材料加工过程。功能：多元相平衡计算、优势区图、电位-pH图的计算与绘制，热力学优化、作图处理等窗体底端FactSage第一原理计算类MaterialsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的MaterialsStudio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。多种先进算法的综合应用使MaterialsStudio成为一个强有力的模拟工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。Materialstudio(1)MaterialsVisualizer:提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、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及支持MS的其他产品。是MS产品系列的核心模块。(2)Discover:MS的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。(3)COMPASS:支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。(4)AmorphousCell:允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。Materialstudio(5)Reflex:模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。(6)ReflexPlus:是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的PowderSolve技术。ReflexPlus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具.(7)Equilibria:可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。(8)DMol3:独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。(9)CASTEP:先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等窗体底端Materialstudio第一原理计算类ASP是ViennaAb-initioSimulationPackage的缩写,它是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于CASTEP1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD(MolecularDynamics)步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。VASP组织模拟类MICRESS软件由德国AachenACCESS公司开发，使用相场的方法模拟多元合金中的显微结构演变。多元合金中的微观结构模拟时，TQ-I为MICRESS可提供可靠的热力学和动力学依据。主要的模拟功能有以下过程的显微结构演变：•枝晶生长Dendriticgrowth,•晶粒形核•包晶反应peritecticreactions,•共晶凝固eutecticsolidification,•再结晶和晶粒长大recrystallizationandgraingrowth•固态相变solidstatetransformations窗体底端Micress材料加工类华铸(HZ)CAE（中国）ProCAST:(法