計算機在材料科學與工程中的應用

前言

材料是國民經濟、社會進步和國家安全的物質基礎與先導，材料技術已成為現代工業、國防和高技術發展的共性基礎技術，是當前最重要、發展最快的科學技術領域之一。發展材料技術將促進包括新材料產業在內的我國高新技術產業的形成和發展，同時又將帶動傳統產業和支柱產業的改造和產品的升級換代?！笆濉逼陂g，我國材料領域在光電子材料、特種功能材料和高性能結構材料等方面取得了較大的突破，在一些重點方向邁入了國際先進行列。依據國家“十一五”規劃，材料領域將立足國家重大需求，自主創新、提高核心競爭力、增強材料領域持續創新能力將成為戰略重心。納米材料與器件、信息功能材料與器件、高新能源轉換與儲能材料、生物醫用與仿生材料、環境友好材料、重大工程及裝備用關鍵材料、基礎材料高性能化與綠色制備技術、材料設計與先進制備技術將成為材料領域研究與發展的主導方向。不難看出，這些主導方向體現了材料學科一個重要發展趨勢，即材料學科正在由單純的材料科學與工程向與眾多高新科學技術領域交叉融合的方向發展。材料領域科學技術的快速進步，對擔負材料科學與工程高等教育和科學研究雙重任務的高等學校提出了嚴峻的挑戰，為迎接這一挑戰，高等學校不但要擔負起材料科學與工程前沿領域的科學研究、知識創新任務，而且要擔負起培養能適應材料科學與工程領域高速發展需求的、具有新知識結構的創新型高素質人才的重任。為適應材料領域高等教育的新形勢，2006—2010年教育部高等學校材料科學與工程教學指導委員會積極組織了材料類高等學校教材的建設規劃工作，成立了規劃教材編審委員會，編審委員會由相關學科的分教學指導委員會主任委員、委員以及全國30余所有影響力和代表性的高校材料學院院長組成。編審委員會分別于2006年10月和2007年5月在湖南張家界和中南大學召開了教材建設研討會和教材提綱審定會。經教學指導委員會和編審委員會推薦和遴選，逾百名來自全國幾十所高校的具有豐富教學與科研經驗的專家、學者參加了這套教材的編寫工作。歷經幾年的努力，這套教材終于與讀者見面了，它凝結了全體編寫者與組織者的心血，充分體現了廣大編寫者對教育部“質量工程”精神的深刻體會，對當代材料領域知識結構的牢固掌握和對高等教育規律的熟練把握，是我國材料領域高等教育工作者集體智慧的結晶。這套教材基本涵蓋了金屬材料工程專業的主要課程，同時還包含了材料物理專業和材料化學專業部分專業基礎課程，以及金屬、無機非金屬和高分子三大類材料學科的實驗課程。整體看來，這套教材具有如下特色:①根據教育部高等學校教學指導委員會相關課程的“教學大綱”及“基本要求”編寫;②統一規劃，結構嚴謹，整套教材具有完整性、系統性，基礎課與專業課之間的內容有機銜接;③注重基礎，強調實踐，體現了科學性、實用性;④編委會及作者由材料領域的院士、知名教授及專家組成，確保了教材的高質量及權威性;⑤注重創新，反映了材料科學領域的新知識、新技術、新工藝、新方法;⑥深入淺出，說理透徹，便于老師教學及學生自學。教材的生命力在于質量，而提高質量是永恒的主題。希望教材的編審委員會及出版社能做到與時俱進，根據高等教育改革和發展的形勢及材料專業技術發展的趨勢，不斷對教材進行修訂、改進、完善，精益求精，使之更好地適應高等教育人才培養的需要，也希望他們能夠一如既往地依靠業內專家，與科研、教學、產業第一線人員緊密結合，加強合作，不斷開拓，出版更多的精品教材，為高等教育提供優質的教學資源和服務。衷心希望這套教材能在我國材料高等教育中充分發揮它的作用，也期待著在這套教材的哺育下，新一代材料學子能茁壯成長，脫穎而出。

內容概要

　　本書為教育部高等學校材料科學與工程教學指導委員會規劃教材,主要介紹計算機在材料科學與工程中的應用｡全書共分10章,其中第1章主要介紹計算機在材料科學與工程中的應用概況;第2章主要介紹材料科學研究中的數學模型及分析方法;第3章主要介紹材料科學研究中主要物理場的數值模擬;第4章主要介紹材料數據庫與專家系統;第5章主要介紹計算機輔助材料設計與模擬;第6章主要介紹材料加工過程的計算機控制;第7章主要介紹材料檢測中的計算機應用;第8章主要介紹數據與圖形圖像處理過程中的計算機應用;第9章主要介紹Internet與材料科學;第10章主要通過實驗設計對所講述的理論知識進行具體應用｡　　本書可作為材料科學與工程專業本科生及研究生的專業基礎課程教材,也可供從事材料科學與工程研究的工程技術人員參考。

書籍目錄

第1章　概述  1.1　材料科學進展與計算機應用技術  1.2　計算機在材料科學中的應用    1.2.1　計算機模擬技術用于材料行為工藝研究    1.2.2　計算機技術用于材料數據庫和知識庫    1.2.3　計算機技術用于材料設計    1.2.4　計算機技術用于材料加工控制    1.2.5　計算機技術用于材料性能表征與檢測    1.2.6　計算機技術用于材料數據和圖像處理    1.2.7　計算機網絡技術用于材料科學研究  參考文獻第2章　材料科學研究中的數學模型及分析方法  2.1　數學模型基礎及建模方法    2.1.1　數學模型基礎    2.1.2　建立數學模型的一般步驟和原則    2.1.3　常用的數學建模方法  2.2　有限差分法    2.2.1　有限差分法簡介    2.2.2　有限差分法數學基礎    2.2.3　有限差分法解題基本步驟    2.2.4　有限差分法解題示例    2.2.5　商用有限差分軟件簡介  2.3　有限元法    2.3.1　有限元法簡介    2.3.2　有限元法常用術語    2.3.3　有限元法數學基礎    2.3.4　有限元分析基本步驟    2.3.5　有限元法解題示例    2.3.6　有限元軟件簡介    2.3.7　ANSYS有限元軟件解題示例  2.4　蒙特卡洛方法    2.4.1　蒙特卡洛方法簡介    2.4.2　蒙特卡洛模擬基本步驟    2.4.3　隨機數的生成    2.4.4　蒙特卡洛法解題示例  2.5　分子動力學方法    2.5.1　分子動力學方法簡介    2.5.2　分子動力學方法模擬基本步驟    2.5.3　勢函數    2.5.4　邊界條件    2.5.5　分子動力學積分算法    2.5.6　分子動力學中的系綜    2.5.7　溫度與壓力的調節    2.5.8　宏觀物理量的計算    2.5.9　分子動力學方法解題示例    2.5.10　分子動力學相關軟件  2.6　人工神經網絡方法    2.6.1　人工神經網絡簡介    2.6.2　人工神經網絡基本結構    2.6.3　人工神經網絡基本要素    2.6.4　誤差反向傳播神經網絡（BP網絡）     2.6.5　人工神經網絡方法解題基本步驟    2.6.6　人工神經網絡方法解題示例  習題及思考題  參考文獻第3章　材料科學研究中主要物理場的數值模擬  3.1　溫度場的計算    3.1.1　導熱方程與邊界條件    3.1.2　平面溫度場的有限元求解  3.2　應力場計算　……第4章　材料數據庫與專家系統第5章　計算機輔助材料設計與模擬第6章　材料加工過程的計算機控制第7章　材料檢測中的計算機應用第8章　數據與圖形圖像處理過程中的計算機應用第9章　Internet與材料科學第10章　實驗設計與上機實踐

章節摘錄

插圖：第1章 概述1.1　材料科學進展與計算機應用技術材料是人類社會發展的里程碑，是人類生產和生活水平提高的物質基礎，同時也是現代文明進步的重要標志和發展高新技術的基礎和先導。材料、能源和信息共同構成了人類社會賴以生存和發展的基本資源，是現代科學和現代文明的三大支柱。材料技術不僅是一個獨立的技術領域，同時又是其他技術領域的基礎，對其他技術領域起著引導、支撐的關鍵性作用。材料是人類社會進步和發展的標志，綜觀人類發現材料和利用材料的歷史，每一種材料的廣泛應用，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平，將人類社會的物質文明和精神文明向前推進一步。材料具有普遍性和重要性，同時又具有多樣性。工程上通常按照材料的物理化學屬性將其劃分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料以及復合材料四大類。金屬材料主要包括黑色金屬材料和有色金屬材料兩類，是用量最大、用途最廣的工程材料，向來占據材料消費的主導地位；高分子材料為有機材料，是由相對分子質量很大的分子組成，其主要原料是石油化工產品，主要包括塑料、橡膠、合成纖維、膠粘劑及涂料等；陶瓷材料為無機非金屬材料，通常是指硅酸鹽、金屬與非金屬元素的化合物；復合材料是由兩種或兩種以上的材料組合在一起而形成的一種多相固體材料，它兼具組成組分的優點并在一定程度上克服了各自的缺點，因此是一種優異的新型材料，復合材料按照其基體的不同可分為金屬基復合材料、樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料三大類。材料科學的概念源自于20世紀50年代，當時前蘇聯人造衛星先于美國上天，美國朝野上下大為震驚并迅速分析出自己落后的原因主要是先進材料研究與應用領域，于是美國的一些著名大學和研究機構相繼成立了材料科學研究中心，旨在采用先進的科學理論與實驗方法來研究并開發新材料。至此，便誕生了“材料科學”的新名詞。

編輯推薦

《計算機在材料科學與工程中的應用》為教育部高等學校材料科學與工程教學指導委員會規劃教材之一，由中南大學出版社出版。

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