计算机在材料科学与工程中的应用 -中南大学出版社

计算机在材料科学与工程中的应用

【作者】：张朝晖
【出版时间】：2008-09
【字数】：405（千字）
【定价】：￥39.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-81105-699-0
【页码】：304（页）
【开本】：16开

本书为教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材,主要介绍计算机在材料科学与工程中的应用｡全书共分10章,其中第1章主要介绍计算机在材料科学与工程中的应用概况;第2章主要介绍材料科学研究中的数学模型及分析方法;第3章主要介绍材料科学研究中主要物理场的数值模拟;第4章主要介绍材料数据库与专家系统;第5章主要介绍计算机辅助材料设计与模拟;第6章主要介绍材料加工过程的计算机控制;第7章主要介绍材料检测中的计算机应用;第8章主要介绍数据与图形图像处理过程中的计算机应用;第9章主要介绍Internet与材料科学;第10章主要通过实验设计对所讲述的理论知识进行具体应用｡

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｡

第1章概述…………………………………………………………………………… (1)
1.1 材料科学进展与计算机应用技术………………………………………………… (1)
1.2 计算机在材料科学中的应用……………………………………………………… (2)
1.2.1 计算机模拟技术用于材料行为工艺研究………………………………………… (2)
1.2.2 计算机技术用于材料数据库和知识库…………………………………………… (2)
1.2.3 计算机技术用于材料设计……………………………………………………… (3)
1.2.4 计算机技术用于材料加工控制………………………………………………… (4)
1.2.5 计算机技术用于材料性能表征与检测…………………………………………… (5)
1.2.6 计算机技术用于材料数据和图像处理…………………………………………… (5)
1.2.7 计算机网络技术用于材料科学研究…………………………………………… (5)
参考文献………………………………………………………………………………… (6)
第2章材料科学研究中的数学模型及分析方法………………………………… (7)
2.1 数学模型基础及建模方法………………………………………………………… (7)
2.1.1 数学模型基础………………………………………………………………… (7)
2.1.2 建立数学模型的一般步骤和原则……………………………………………… (8)
2.1.3 常用的数学建模方法…………………………………………………………… (9)
2.2 有限差分法……………………………………………………………………… (14)
2.2.1 有限差分法简介……………………………………………………………… (14)
2.2.2 有限差分法数学基础………………………………………………………… (15)
2.2.3 有限差分法解题基本步骤…………………………………………………… (17)
2.2.4 有限差分法解题示例………………………………………………………… (18)
2.2.5 商用有限差分软件简介……………………………………………………… (19)
2.3 有限元法………………………………………………………………………… (20)
2.3.1 有限元法简介………………………………………………………………… (20)
2.3.2 有限元法常用术语…………………………………………………………… (21)
2.3.3 有限元法数学基础…………………………………………………………… (22)
2.3.4 有限元分析基本步骤………………………………………………………… (23)
2.3.5 有限元法解题示例…………………………………………………………… (23)
2.3.6 有限元软件简介……………………………………………………………… (26)
2.3.7 ANSYS有限元软件解题示例………………………………………………… (30)
2.4 蒙特卡洛方法…………………………………………………………………… (64)
2.4.1 蒙特卡洛方法简介…………………………………………………………… (64)
2.4.2 蒙特卡洛模拟基本步骤……………………………………………………… (64)
2.4.3 随机数的生成………………………………………………………………… (66)
2.4.4 蒙特卡洛法解题示例………………………………………………………… (67)
2.5 分子动力学方法………………………………………………………………… (68)
2.5.1 分子动力学方法简介………………………………………………………… (68)
2.5.2 分子动力学方法模拟基本步骤………………………………………………… (69)
2.5.3 势函数……………………………………………………………………… (70)
2.5.4 边界条件…………………………………………………………………… (71)
2.5.5 分子动力学积分算法………………………………………………………… (72)
2.5.6 分子动力学中的系综………………………………………………………… (73)
2.5.7 温度与压力的调节…………………………………………………………… (73)
2.5.8 宏观物理量的计算…………………………………………………………… (74)
2.5.9 分子动力学方法解题示例…………………………………………………… (75)
2.5.10 分子动力学相关软件………………………………………………………… (77)
2.6 人工神经网络方法……………………………………………………………… (78)
2.6.1 人工神经网络简介…………………………………………………………… (78)
2.6.2 人工神经网络基本结构……………………………………………………… (79)
2.6.3 人工神经网络基本要素……………………………………………………… (79)
2.6.4 误差反向传播神经网络(BP网络) …………………………………………… (82)
2.6.5 人工神经网络方法解题基本步骤……………………………………………… (84)
2.6.6 人工神经网络方法解题示例…………………………………………………… (86)
习题及思考题…………………………………………………………………………… (88)
参考文献………………………………………………………………………………… (91)
第3章材料科学研究中主要物理场的数值模拟………………………………… (92)
3.1 温度场的计算…………………………………………………………………… (92)
3.1.1 导热方程与边界条件………………………………………………………… (92)
3.1.2 平面温度场的有限元求解…………………………………………………… (94)
3.2 应力场计算……………………………………………………………………… (95)
3.2.1 弹性力学基础………………………………………………………………… (95)
3.2.2 弹性问题分析………………………………………………………………… (98)
3.3 电磁场计算……………………………………………………………………… (101)
3.3.1 电磁场计算方法概述………………………………………………………… (101)
3.3.2 合金材料制备中的电磁场计算……………………………………………… (103)
3.4 浓度场计算……………………………………………………………………… (106)
3.4.1 扩散控制方程……………………………………………………………… (106)
3.4.2 浓度场的数值解法………………………………………………………… (107)
习题及思考题………………………………………………………………………… (109)
参考文献……………………………………………………………………………… (110)
第4章材料数据库与专家系统…………………………………………………… (111)
4.1 数据库技术……………………………………………………………………… (111)
4.1.1 数据库技术的产生和发展…………………………………………………… (111)
4.1.2 数据库数据的主要特征……………………………………………………… (112)
4.1.3 数据库系统………………………………………………………………… (112)
4.1.4 数据库管理系统…………………………………………………………… (113)
4.2 材料科学与工程数据库………………………………………………………… (113)
4.2.1 材料数据库的发展………………………………………………………… (113)
4.2.2 材料数据库的应用………………………………………………………… (115)
4.3 专家系统………………………………………………………………………… (116)
4.3.1 专家系统发展历史………………………………………………………… (117)
4.3.2 专家系统的构成及工作原理………………………………………………… (117)
4.3.3 专家系统中的知识获取与推理……………………………………………… (118)
4.3.4 专家系统的特征和类型……………………………………………………… (118)
4.3.5 专家系统在材料科学与工程中应用………………………………………… (119)
阅读资料……………………………………………………………………………… (125)
习题及思考题………………………………………………………………………… (126)
参考文献……………………………………………………………………………… (126)
第5章计算机辅助材料设计与模拟……………………………………………… (127)
5.1 材料设计概述…………………………………………………………………… (127)
5.1.1 材料设计的定义､范围与层次………………………………………………… (127)
5.1.2 多尺度材料设计…………………………………………………………… (128)
5.2 材料设计基础…………………………………………………………………… (130)
5.2.1 电子结构计算……………………………………………………………… (130)
5.2.2 材料热力学､动力学和相图计算……………………………………………… (135)
5.2.3 基于概率断裂力学的可靠性评价…………………………………………… (140)
5.3 材料设计软件及应用…………………………………………………………… (143)
5.3.1 量子化学第一性原理计算软件……………………………………………… (143)
5.3.2 材料热力学和相图计算软件………………………………………………… (154)
5.3.3 基于有限元分析和概率断裂力学的可靠性评价软件………………………… (164)
5.4 计算机辅助材料设计与模拟举例……………………………………………… (165)
5.4.1 陶瓷材料的设计———掺杂TiO2光催化剂的电子结构的第一性原理研究……… (166)
5.4.2 金属材料的设计———Ti2
AlNb基合金的相结构设计…………………………… (169)
5.4.3 多场耦合应用实例———液态金属连续铸造工艺的多物理场模拟……………… (170)
习题及思考题………………………………………………………………………… (174)
参考文献……………………………………………………………………………… (175)
第6章材料加工过程的计算机控制……………………………………………… (176)
6.1 计算机控制概述………………………………………………………………… (176)
6.1.1 计算机控制的概念………………………………………………………… (176)
6.1.2 计算机控制系统的结构和组成……………………………………………… (177)
6.1.3 计算机控制系统的分类……………………………………………………… (180)
6.1.4 计算机控制系统的主要特点和基本要求……………………………………… (183)
6.2 材料加工的计算机控制………………………………………………………… (184)
6.2.1 加热炉温度控制…………………………………………………………… (184)
6.2.2 焊接过程的计算机控制……………………………………………………… (186)
习题及思考题………………………………………………………………………… (190)
参考文献……………………………………………………………………………… (191)
第7章材料检测中的计算机应用………………………………………………… (192)
7.1 材料的物相及成分检测………………………………………………………… (192)
7.1.1 X射线衍射分析…………………………………………………………… (192)
7.1.2 电子探针仪………………………………………………………………… (193)
7.1.3 光谱分析…………………………………………………………………… (195)
7.2 材料的组织结构检测…………………………………………………………… (196)
7.2.1 定量金相分析……………………………………………………………… (196)
7.2.2 计算机仿真………………………………………………………………… (197)
7.3 材料的力学性能检测…………………………………………………………… (199)
7.3.1 万能材料试验机…………………………………………………………… (199)
7.3.2 冲击试验机………………………………………………………………… (201)
7.4 材料的物理性能测量…………………………………………………………… (203)
7.4.1 磁性测量中的计算机数据处理……………………………………………… (203)
7.4.2 超导材料特性曲线的计算机测量…………………………………………… (205)
7.4.3 金属熔点附近热物性参数的计算机测量……………………………………… (207)
阅读资料……………………………………………………………………………… (209)
习题及思考题………………………………………………………………………… (210)
参考文献……………………………………………………………………………… (210)
第8章数据与图形图像处理过程中的计算机应用…………………………… (211)
8.1 数据与图像处理常用软件简介………………………………………………… (211)
8.1.1 Excel软件简介……………………………………………………………… (211)
8.1.2 Origin 软件简介…………………………………………………………… (218)
8.1.3 Photoshop软件简介………………………………………………………… (224)
8.1.4 MatLab图像处理工具箱简介………………………………………………… (227)
8.2 应用实例详解…………………………………………………………………… (230)
8.2.1 数据处理实例……………………………………………………………… (230)
8.2.2 图形处理实例……………………………………………………………… (235)
8.2.3 图像处理实例……………………………………………………………… (240)
习题及思考题………………………………………………………………………… (241)
参考文献……………………………………………………………………………… (242)
第9章 Internet与材料科学………………………………………………………… (243)
9.1 Internet技术简介………………………………………………………………… (243)
9.2 Internet在材料科学中的应用…………………………………………………… (244)
9.2.1 强大的搜索引擎…………………………………………………………… (244)
9.2.2 与材料科学相关的专业网站………………………………………………… (245)
9.2.3 文献检索…………………………………………………………………… (246)
习题及思考题………………………………………………………………………… (252)
第10章实验设计与上机实践……………………………………………………… (253)
10.1 材料合成加工工艺单指标正交实验设计与实现…………………………… (253)
10.1.1 实验目的…………………………………………………………………… (253)
10.1.2 问题描述与分析…………………………………………………………… (253)
10.1.3 求解步骤…………………………………………………………………… (256)
10.1.4 习题及思考题……………………………………………………………… (258)
10.2 用曲线拟合实现材料科学研究中的数学建模……………………………… (262)
10.2.1 实验目的…………………………………………………………………… (262)
10.2.2 问题描述与分析…………………………………………………………… (263)
10.2.3 求解步骤…………………………………………………………………… (265)
10.2.4 习题及思考题……………………………………………………………… (267)
10.3 材料学科中物理场的数值模拟……………………………………………… (271)
10.3.1 实验目的…………………………………………………………………… (271)
10.3.2 问题描述与分析…………………………………………………………… (271)
10.3.3 求解步骤…………………………………………………………………… (272)
10.3.4 习题及思考题……………………………………………………………… (277)
10.4 理想溶液二元相图计算……………………………………………………… (280)
10.4.1 实验目的…………………………………………………………………… (280)
10.4.2 问题描述与分析…………………………………………………………… (280)
10.4.3 求解步骤…………………………………………………………………… (281)
10.4.4 习题及思考题……………………………………………………………… (286)
参考文献……………………………………………………………………………… (287)

作为一种现代工具,计算机技术在材料科学与工程中的应用日益广泛,并在很大程度上促进了材料科学研究的深入发展｡本书立足于材料科学与工程一级学科,对计算机在材料科学中广泛应用领域的知识点进行全面､系统的介绍,在必要的理论描述与分析的基础上,主要侧重于计算机在材料科学领域的应用分析,尤其突出国内外计算机在材料科学中的最新应用及其未来发展趋势｡

本书主要特色:

1.内容系统,重点突出｡将计算机在材料科学领域的应用知识全面､系统地介绍给读者,同时对计算机在材料科学中的应用热点进行着重分析｡

2.结构严谨,知识新颖｡内容需循序渐进,由浅入深,各章节之间相互独立又紧密联系;相关知识紧密结合国内外计算机在材料科学领域的最新应用技术,突出材料科学领域的新方法､新技术中计算机的应用｡

3.理论描述和实际应用相结合｡理论知识介绍简明易懂,并在一定的理论描述基础上,介绍计算机在材料科学各领域的典型及特色应用实例,激发学生的学习兴趣｡

4.求同存异,适应面广｡既考虑了材料专业各个研究方向的共性,又兼顾了材料科学研究领域的广泛性和各学科之间的相互渗透给计算机在材料科学中的应用所带来的复杂性和特殊性｡

全书共分10章,分别介绍了材料科学进展与计算机应用技术;材料科学研究中的数学模型及分析方法;材料科学研究中主要物理场的数值模拟;材料数据库与专家系统;计算机辅助材料设计与模拟;材料加工过程的计算机控制;材料检测中的计算机应用;数据与图形图像处理过程中的计算机应用;Internet与材料科学;并通过实验设计对所讲述的理论知识进行具体应用｡

本书由北京理工大学张朝晖主编,福州大学吴波副主编｡其中第1章､第2章的第2､3､6节由北京理工大学张朝晖编写,第2章的第1节由天津大学黄远编写,第2章的第4､5节和第9章由北京理工大学范群波编写,第3章由东北大学秦皇岛分校王晓强编写,第4､7章由石家庄铁道学院张光磊编写,第5章由福州大学吴波编写,第6章由东北大学秦皇岛分校李明亚编写,第8章由河北理工大学蔡基伟编写,第10章由武汉理工大学叶卫平编写｡全书由武汉理工大学叶卫平和北京理工大学王鲁主审｡

由于计算机技术的发展非常迅速,计算机在材料科学研究领域中的应用又非常广泛,加之编者水平有限,疏漏和不妥之处在所难免,欢迎同行和读者指正｡

材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质基础与先导,材料技术已成为现代工业、国防和高技术发展的共性基础技术,是当前最重要、发展最快的科学技术领域之一。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成和发展,同时又将带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代。

“十五”期间,我国材料领域在光电子材料、特种功能材料和高性能结构材料等方面取得了较大的突破,在一些重点方向迈入了国际先进行列。依据国家“十一五”规划,材料领域将立足国家重大需求,自主创新、提高核心竞争力、增强材料领域持续创新能力将成为战略重心。纳米材料与器件、信息功能材料与器件、高新能源转换与储能材料、生物医用与仿生材料、环境友好材料、重大工程及装备用关键材料、基础材料高性能化与绿色制备技术、材料设计与先进制备技术将成为材料领域研究与发展的主导方向。不难看出,这些主导方向体现了材料学科一个重要发展趋势,即材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。材料领域科学技术的快速进步,对担负材料科学与工程高等教育和科学研究双重任务的高等学校提出了严峻的挑战,为迎接这一挑战,高等学校不但要担负起材料科学与工程前沿领域的科学研究、知识创新任务,而且要担负起培养能适应材料科学与工程领域高速发展需求的、具有新知识结构的创新型高素质人才的重任。

为适应材料领域高等教育的新形势,2006—2010年教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会积极组织了材料类高等学校教材的建设规划工作,成立了规划教材编审委员会,编审委员会由相关学科的分教学指导委员会主任委员、委员以及全国30余所有影响力和代表性的高校材料学院院长组成。编审委员会分别于2006年10月和2007年5月在湖南张家界和中南大学召开了教材建设研讨会和教材提纲审定会。经教学指导委员会和编审委员会推荐和遴选,逾百名来自全国几十所高校的具有丰富教学与科研经验的专家、学者参加了这套教材的编写工作。历经几年的努力,这套教材终于与读者见面了,它凝结了全体编写者与组织者的心血,充分体现了广大编写者对教育部“质量工程”精神的深刻体会,对当代材料领域知识结构的牢固掌握和对高等教育规律的熟练把握,是我国材料领域高等教育工作者集体智慧的结晶。

这套教材基本涵盖了金属材料工程专业的主要课程,同时还包含了材料物理专业和材料化学专业部分专业基础课程,以及金属、无机非金属和高分子三大类材料学科的实验课程。整体看来,这套教材具有如下特色:①根据教育部高等学校教学指导委员会相关课程的“教学大纲”及“基本要求”编写;②统一规划,结构严谨,整套教材具有完整性、系统性,基础课与专业课之间的内容有机衔接;③注重基础,强调实践,体现了科学性、实用性;④编委会及作者由材料领域的院士、知名教授及专家组成,确保了教材的高质量及权威性;⑤注重创新,反映了材料科学领域的新知识、新技术、新工艺、新方法;⑥深入浅出,说理透彻,便于老师教学及学生自学。

教材的生命力在于质量,而提高质量是永恒的主题。希望教材的编审委员会及出版社能做到与时俱进,根据高等教育改革和发展的形势及材料专业技术发展的趋势,不断对教材进行修订、改进、完善,精益求精,使之更好地适应高等教育人才培养的需要,也希望他们能够一如既往地依靠业内专家,与科研、教学、产业第一线人员紧密结合,加强合作,不断开拓,出版更多的精品教材,为高等教育提供优质的教学资源和服务。

衷心希望这套教材能在我国材料高等教育中充分发挥它的作用,也期待着在这套教材的哺育下,新一代材料学子能茁壮成长,脱颖而出。

黄伯云
2008年9月