计算机在材料科学与工程中的应用（张鹏）

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2322100433B

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。

《材料科学工程专业本科系列教材·计算机在材料工程中的应用》采用较多的实例介绍了计算机在材料科学与工程中的应用以及相关软件的使用。主要内容有材料科学与工程中的数据处理方法、数值模拟基础及典型物理场的模拟方法，计算机辅助计算与设计，人工神经网络在材料科学与工程中的应用，材料数据库与专家系统，材料成型过程的计算机模拟等。

第1章 绪论1

1.1 计算机技术的发展1

1.1.1 计算机硬件技术的发展1

1.1.2 计算机软件技术的发展2

1.1.3 计算机网络技术的发展3

1.2 材料科学与工程的基本概念与发展3

1.2.1 材料科学与工程的基本概念3

1.2.2 材料科学与工程的发展4

1.3 计算机技术在材料科学与工程中的应用6

1.3.1 计算机模拟在材料科学与工程中的应用7

1.3.2 材料与工艺过程的优化及自动控制10

1.3.3 材料数据库和材料设计10

1.3.4 计算机辅助设计技术(CAD)在材料科学与工程中的应用11

思考题与上机操作实验题11

第2章 材料科学与工程研究中的数据处理12

2.1 数据处理的基本理论12

2.1.1 曲线拟合与最小二乘法12

2.1.2 一元线性拟合12

2.1.3 多元线性回归15

2.1.4 可转化为一元线性回归的其他一元线性拟合18

2.2 Origin软件在材料科学与工程中的数据处理应用21

2.2.1 0rigin软件参数介绍及基本操作2l

2.2.2 0rigin在材料科学与工程中的应用实例27

2.3 Excel软件在材料科学与工程中的数据处理35

2.3.1 计算功能352.3.2规划求解37

思考题与上机操作实验题38

第3章 材料科学与工程研究中的数学模型及数值计算42

3.1 数学模型的基本知识42

3.1.1 数学模型的分类43

3.1.2 数学建模的过程44

3.1.3 数学模型的特点46

3.1.4 数学模型的建立方法47

3.2 材料科学与工程研究中的数学模型48

3.2.1 理论分析法48

3.2.2 模拟方法49

3.2.3 类比分析法53

3.2.4 数据分析法56

3.2.5 利用计算机软件(Origin软件)建立数学模型56

3.3 材料科学与工程中的数值计算方法61

3.3.1 线性方程组的计算机计算62

3.3.2 有限差分法求解63

3.3.3 有限元法求解70

思考题与上机操作实验题82

第4章 材料科学与工程中典型物理场的数值模拟83

4.1 温度场的数学模型及求解83

4.1.1 温度场的基本知识84

4.1.2 温度场的数学模型86

4.1.3 温度场的有限差分求解91

4.2 应力场的数学模型及求解113

4.2.1 应力场的基本理论与数学模型113

4.2.2 基于ANsYS软件的应力场计算117

4.3 浓度场的通用数学模型与计算120

4.3.1 菲克第一定律120

4.3.2 菲克第二定律12l

4.3.3 运用有限差分法求解渗碳浓度场121

4.3.4 基于MATLAB的渗碳过程计算127

4.4 铸件充型过程流场的通用数学模型130

思考题与上机操作实验题132

第5章 材料科学与工程中的计算机辅助计算与设计技术135

5.1 相图计算135

5.1.1 相图计算的原理及计算方法135

5.1.2 相图数据库与计算软件136

5.1.3 Thermo-Cale软件在相图计算中的应用137

5.2 材料设计理论及实践16l

5.2.1 材料设计概论16l

5.2.2 MaterialStudio软件及其在材料设计中的应用166

思考题与上机操作实验题172

第6章 人工神经网络及Matlab语言在材料科学与工程中的应用173

6.1 人工神经网络的基本知识173

6.1.1 人工神经网络的理论基础173

6.1.2 人工神经元模型和网络结构174

6.1.3 误差反向传播神经网络模型175

6.2 人工神经网络在材料科学与工程中的应用18l

6.2.1 在材料设计和成分优化中的应用181

6.2.2 在材料力学性能预测中的应用181

6.2.3 在相变特性预报中的应用182

6.2.4 人工神经网络用于材料的检测183

6.3 Matlab的基本使用方法184

6.3.1 Matlab的主要功能184

6.3.2 基本操作184

6.3.3 Matlab语言基础186

6.3.4 Matlab程序设计初步187

6.4 Matlab神经网络工具箱及其使用189

6.4.1 概述189

6.4.2 神经网络工具箱通用函数189

6.4.3 BP网络的神经网络工具箱函数190

6.4.4 BP网络的Matlab实现191

6.5 应用举例：基于BP网络的镁合金.AZ6lB晶粒尺寸模型的构建及仿真191

6.5.1 数据收集及整理191

6.5.2 BP网络模型的设计192

6.5.3 数据的预处理一192

6.5.4 人工神经网络工具箱实现194

6.5.5 M文件的方法求解20l

思考题与上机操作实验题205

第7章 材料科学与工程中的数据库与专家系统应用206

7.1 数据库在材料科学与工程中的应用206

7.1.1 数据库的基本知识206

7.1.2 材料数据库的发展208

7.1.3 应用举例——基于Web的镁合金数据库的开发210

7.2 专家系统在材料科学与工程中的应用214

7.2.1 专家系统基本知识214

7.2.2 材料科学与工程中专家系统的发展及应用215

7.2.3 应用举例217

思考题与上机操作实验题221

第8章 材料成形过程的计算机模拟222

8.1 概述222

8.2 塑料注塑成形过程模拟软件MoldFlow223

8.2.1 MoldFlow软件介绍223

8.2.2 MoldFlow软件操作步骤及分析实例226

8.3 体积成形模拟软件I)eform230

8.3.1 Deform模拟分析软件介绍230

8.3.2 Deform软件操作步骤及应用实例232

8.4 铸造成形过程模拟软件ProCAS237

8.4.1 ProCAST简介238

8.4.2 ProCAST的模拟过程242

8.4.3 ProCAST软件应用实例242

思考题与上机操作实验题244

参考文献2452100433B

第1章 绪论1

1.1 计算机技术发展简介1

1.2 材料科学与工程中常用的计算机技术3

1.2.1 计算机信息系统4

1.2.2 计算机模拟技术4

1.2.3 计算机检测与控制技术6

1.2.4 计算机辅助设计与制造8

1.2.5 计算机数据与图像处理技术9

第2章 数据处理11

2.1 Excel 软件在材料科学实验数据处理中的应用11

2.1.1 计算标准偏差11

2.1.2 粗差的剔除11

2.1.3 基于Excel的t检验与方差分析12

2.1.4 一元线性回归分析15

2.1.5 一元非线性回归分析16

2.1.6 多元线性回归分析17

2.1.7 多元非线性回归分析18

2.1.8 用Excel做逐步回归分析18

2.1.9 基于Excel处理正交设计数据（极差分析法）21

2.1.10 基于Excel构建均匀设计表构造22

2.2 Origin 软件在材料科学实验数据处理中的应用23

2.2.1 Origin软件简介23

2.2.2 Origin软件数据管理25

2.2.3 Origin软件在材料科学实验数据处理中应用实例30

2.2.4 利用Origin从图里获得原始数据50

2.2.5 Origin中相关的菜单英语单词52

第3章 材料科学与工程中的图像处理58

3.1 用Photoshop处理金相图片58

3.1.1 修理金相图片58

3.1.2 金相照片加标尺61

3.1.3 合成全景照片63

3.1.4 图像的焦聚融合64

3.1.5 基于Photoshop软件的定量金相66

3.1.6 绘制立体金相组织图67

3.2 Matlab实现定量金相69

3.2.1 定量金相的发展69

3.2.2 定量金相学中常用的参数符号和公式69

3.2.3 定量金相的测量方法70

3.2.4 定量金相分析的Matlab 实现71

第4章 第一性原理计算73

4.1 波函数与薛定谔方程73

4.2 Hartree Fock自洽场方法75

4.3 密度泛函理论77

4.3.1 Hohenberg Kohn定理77

4.3.2 Kohn Sham方程78

4.3.3 LDA和GGA79

4.4 DFT计算的主要方法80

4.4.1 赝势平面波(PPW)方法81

4.4.2 线性缀加平面波(LAPW)方法83

4.4.3 线性Muffin tin轨道(LMTO)方法84

4.5 第一性原理计算的常用软件84

4.5.1 使用赝势的计算软件84

4.5.2 基于全电子方法的软件86

4.6 几个简单的计算实例88

4.6.1 ELK和PWSCF程序的基态计算输入文件88

4.6.2 结构优化及结合能的计算92

4.6.3 晶体能带结构的计算100

4.6.4 弹性常数的计算102

第5章 分子动力学模拟105

5.1 分子动力学模拟的基本方法105

5.1.1 求解运动方程106

5.1.2 初始构型和边界条件108

5.1.3 势函数110

5.1.4 温度与压力的控制方法118

5.2 体系结构与性质的计算121

5.2.1 热力学量121

5.2.2 结构性质——径向分布函数和结构因子122

5.2.3 动力学及输运性质123

5.3 分子动力学模拟软件及其应用125

5.3.1 MD计算软件简介125

5.3.2 Lammps软件应用基础和实例128

第6章 有限元软件Deform在材料科学与工程中的应用154

6.1 Deform有限元分析软件简介154

6.2 基于Deform软件的挤压过程模拟155

6.3 基于Deform软件的轧制过程模拟165

6.3.1 单板单道次同步轧制过程的有限元模拟166

6.3.2 单板单道次异步轧制过程的有限元模拟172

6.3.3 单板多道次轧制过程的有限元模拟173

6.3.4 多层板单道次轧制过程的有限元模拟174

6.4 基于Deform软件的拉深过程模拟174

6.5 基于Deform软件的冲裁过程模拟177

6.6 基于Deform软件的微观组织模拟181

6.7 基于Deform软件的热处理模拟184

6.8 基于Deform软件的模具磨损模拟188

参考文献192" 2100433B