本书系统地介绍了计算机在材料科学中应用的基本理论、基本方法和相关应用。全书内容共分为9章,主要介绍了计算机在材料科学中的应用概况;数学模型及数值求解的方法;应力场、温度场与浓度场这几个典型物理场中的数值模拟方法;材料数据库、专家系统、人工神经网络的应用;材料科学中数据、图像的处理与分析方法;正交试验方法在材料科学中的应用;分子动力学在材料科学与工程中的应用;Rietveld/XRD精修在材料科学与工程中的应用等。本书在讲解理论的基础上,主要侧重于应用计算机的实际操作,翔实讲解了上机实验中所需的各种软件,使学生初步了解和掌握计算机知识在材料科学领域中的应用思路和方法,注重培养学生利用计算机解决实际问题的能力,培养和引导学生的创新意识。
本书可作为材料科学与工程专业本科生及研究生的专业基础课程教材,也可供从事材料科学与工程研究的工程技术人员参考。
1.结合材料科学领域中计算机应用的特点,做到专业与计算机应用之间的有效对接、融合,重在应用。
2.充分考虑到材料科学与工程专业毕业设计时开展实验室试验的要求,不仅在计算机应用的理论上进行充分阐述,而且在材料科学与工程的试验设计上,也对本专业学生进行讲授。
3.内容较广泛,既要保证本书的完整性和系统性,又要避免与有关课程内容的重复。
4.在所有其他教材中均未涉及的分子动力学领域,本教材将给予介绍,并阐述这一工具在材料科学与工程中的特殊应用。
5.十分注重应用,在教材中设置了大量的应用举例和涉及软件的上机实践,做到在专业学习和研究过程中能够充分推广应用计算机的目的。
计算机技术的发展正改变着世界,对整个人类文明和社会进步产生了极其深远的影响。材料科学技术的发展也与计算机的发展分不开。计算机技术和网络技术等对材料科学与工程中的传统产业的革新,已给材料产业带来了革命性的变化。而且,随着应用范围的扩大,所带来的经济效益和社会效益也日臻显著。为了进一步推动和促进计算机技术在材料科学领域中的应用和实践,使攻读材料专业的学生对计算机应用有更多的了解,作者结合多年来的教学和科研实践经验,编写了本书。本书的特色将体现在以下几方面。
(1) 结合材料科学领域中计算机应用的特点,做到专业与计算机应用之间的有效对接、融合,重在应用;既考虑了材料专业各个研究方向的共性,又兼顾材料科学研究领域的广泛性,以及各学科的相互渗透给计算机在材料科学与工程应用中带来的复杂性和特殊性。
(2) 充分考虑到材料科学与工程专业毕业设计时开展实验室试验的要求,不仅在计算机应用的理论上进行充分阐述,而且有针对性地讲述了材料科学与工程的试验设计。
(3) 本书内容较广泛,既要保证全书内容的完整性和系统性,又要避免与有关课程内容的重复。同时,涉及的计算机方面的理论知识或相关专业的专业理论,尽量做到适合材料科学与工程等相关专业学生使用。
(4) 在其他教材中较少涉及的分子动力学领域,本书将给予介绍,并阐述其在材料科学与工程中的特殊应用。
(5) 本书十分注重应用,在书中设置了大量的应用举例和涉及软件的上机实践,以达到在专业学习和研究过程中能够充分推广应用计算机的目的。
考虑到学生对于计算机使用的熟练程度和对于材料科学理论知识的理解程度参差不齐,本书在编写的过程中,坚持“教材的服务主体是学生,教材的生命力在实用”的原则,重视理论和实践的有机结合。本书在编写过程中既请教了有多年教学经验的资深教授,又将部分内容应用到在校学生的教学中,征求反馈意见,及时调整编写内容,不断修订完善,书中的内容都可在实际的教学过程中进行合理的增删,以便于学生的理解和掌握,同时又确保了编写内容的完整性和科学性。
本书由青岛理工大学张鹏、侯东帅和济南大学赵丕琪主编,其中,张鹏主要负责教材章节的设计、全书统稿,并编写第1章~第3章、第5章~第7章;赵丕琪负责编写第4章中的第1和第2节、第9章;侯东帅负责编写第4章中的第3节和第8章。刘兆麟承担了部分图片和公式的整理及编写工作。
本书在编写过程中参考了有关文献,由于条件所限,并未能将所有参考文献逐一列出,在此对相关文献的作者表示由衷的感谢。
随着计算机技术的日新月异,材料科学中各种各样的新思路、新方法、新工艺随着计算机运算能力的飞速提高而不断地涌现出来,加之编者理论水平和实践经验有限,书中难免有不足之处,敬请各位读者批评指正。
编者
2018年2月
第1章 绪论001
1.1计算机的发展和应用001
1.1.1计算机的发展历程001
1.1.2微型计算机的发展004
1.2材料科学与工程的概念和内容005
1.2.1涵盖的基本内容005
1.2.2材料的分类005
1.2.3材料的性能005
1.2.4基本要素005
1.3计算机在材料科学与工程中的应用简介006
1.3.1计算机技术用于数值计算与模拟007
1.3.2计算机技术用于材料数据和图像处理007
1.3.3计算机技术用于材料数据库和知识库007
1.3.4计算机技术用于材料设计008
1.3.5计算机技术用于材料性能表征与检测008
1.3.6计算机网络技术用于材料科学研究009
第2章 数学模型及数值求解方法010
2.1数学模型的介绍010
2.1.1数学模型的含义010
2.1.2数学模型的分类011
2.1.3建立数学模型的一般步骤和原则012
2.2常用的数学建模方法013
2.2.1机理分析法013
2.2.2模拟方法014
2.2.3类比分析法016
2.2.4数据分析法017
2.3数学模型的求解方法019
2.3.1有限差分法019
2.3.2有限元法025
思考题与上机操作题037
第3章 材料科学研究中主要物理场的数值分析的模拟038
3.1应力场模型与计算038
3.1.1弹性力学基础038
3.1.2应力场的有限元计算041
3.1.3工字悬臂梁挠曲变形的模型建立与计算046
3.1.4开孔矩形板受荷载作用变形的模型建立与计算050
3.2温度场模型与计算055
3.2.1热传递的基本方式与导热微分方程055
3.2.2初始条件与边界条件058
3.2.3二维稳态导热问题的有限差分求解059
3.2.4非稳态导热问题的有限差分求解061
3.2.5有限元法求解064
3.2.6发电厂烟囱温度分布模型的建立与计算069
3.2.7短圆柱体热传导过程的模型建立与计算073
3.3浓度场模型与计算080
3.3.1扩散控制模型081
3.3.2有限元求解082
3.3.3半限长钢板碳扩散情况的模型建立与计算085
3.3.4Hydrus介绍与实例091
思考题与上机操作题096
第4章 材料数据库和人工神经网络099
4.1材料数据库099
4.1.1数据库的组成与结构099
4.1.2材料科学与工程数据库100
4.2专家系统101
4.2.1专家系统基本知识101
4.2.2材料科学与工程中专家系统举例103
4.3人工神经网络技术及其应用108
4.3.1人工神经网络108
4.3.2神经网络的学习方法与规则110
4.3.3神经网络在材料科学与工程中的应用111
思考题与上机操作题114
第5章 材料科学与工程中的数据处理与分析115
5.1数据处理的基本理论115
5.1.1曲线拟合和最小二乘法115
5.1.2线性插值法120
5.2Origin软件在数据处理中的应用123
5.2.1Origin软件介绍123
5.2.2Origin软件的基本功能和使用方法124
5.2.3Origin在数据处理中的应用实例129
思考题与上机操作题140
第6章 材料科学与工程中的图像处理142
6.1图像与图像处理142
6.2数字图像的获得途径143
6.3Photoshop软件进行图像处理与分析举例143
6.3.1Photoshop六大基本功能144
6.3.2Photoshop图例144
6.4MatLab软件进行图像处理与分析举例151
6.4.1MatLab的主要功能151
6.4.2基本操作151
6.4.3MatLab语言基础153
6.4.4MatLab程序设计初步154
6.5Image J软件进行图像处理与分析举例156
6.5.1Image J的界面156
6.5.2图片编辑与分析159
6.5.3测量和计数160
思考题与上机操作题163
第7章 正交试验方法在材料科学与工程中的应用165
7.1正交试验设计的基本原理165
7.1.1正交表介绍166
7.1.2正交性原理167
7.2正交试验设计的基本方法168
7.3正交试验设计在材料科学与工程中的应用172
7.4正交试验的方差分析方法174
思考题与上机操作题178
第8章 分子动力学在材料科学与工程中的应用179
8.1分子动力学介绍179
8.1.1力场180
8.1.2分子动力学基本原理183
8.1.3分子动力学计算流程185
8.1.4分子动力学的一些基本算法186
8.1.5系综的分类187
8.1.6周期性边界条件188
8.1.7输出轨迹分析188
8.2常用的分子动力学软件191
8.2.1Lammps191
8.2.2Materials Studio192
8.2.3Materials Studio在材料科学中常用的模块介绍192
8.3分子动力学在材料科学与工程中的应用举例193
8.3.1Materials Studio算例193
8.3.2Lammps算例197
思考题与上机操作题203
第9章 Rietveld/XRD精修在材料科学与工程中的应用206
9.1Rietveld/XRD方法介绍与基本理论206
9.1.1XRD衍射峰的理论计算206
9.1.2Rietveld定量精修210
9.1.3Rietveld结构精修213
9.1.4Rietveld全谱拟合正确性数值判断214
9.2Rietveld精修软件——GSAS-EXPGUI介绍215
9.2.1软件菜单栏界面介绍215
9.2.2软件选项栏界面介绍219
9.3Rietveld定量精修在材料科学与工程中的应用223
9.3.1基于标样SiO2-ZnO二元体系的精修策略和准确性验证223
9.3.2水泥基材料的Rietveld精修定量策略226
参考文献232