計(jì)算材料科學(xué)數(shù)理模型及計(jì)算機(jī)模擬

內(nèi)容概要

《計(jì)算材料科學(xué)數(shù)理模型及計(jì)算機(jī)模擬》主要以凝固和形變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程中的微觀組織演變?yōu)橹骶€，介紹了從宏觀至介觀尺度的多尺度模擬方法及基本理論，同時(shí)對(duì)微觀至宏觀尺度的主要模擬方法，如第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、元胞自動(dòng)機(jī)，以及準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度模擬方法等，進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。主要內(nèi)容如下：計(jì)算材料科學(xué)數(shù)理模型的建?；A(chǔ)內(nèi)容及方法，常用的數(shù)值分析方法，合金凝固過(guò)程的多尺度模擬方法及理論，形變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程的多尺度模擬，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)的多尺度模擬方法及基本理論，密度泛函理論和基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，以及常用的數(shù)據(jù)處理方法。 
《計(jì)算材料科學(xué)數(shù)理模型及計(jì)算機(jī)模擬》可用作材料科學(xué)與工程學(xué)科的研究生和高年級(jí)本科生相關(guān)課程的教材或參考書(shū)，也可供從事材料科學(xué)研究的教師和研究人員參考。

書(shū)籍目錄

前言 緒論 第1章計(jì)算材料科學(xué)數(shù)學(xué)建模 1.1建?；A(chǔ) 1.1.1模型及其作用 1.1.2模型的分類 1.1.3建模步驟和原則 1.1.4常用的建模方法 1.2建模實(shí)例 1.2.1位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率模型 1.2.2位錯(cuò)組態(tài)演化模型 參考文獻(xiàn) 第2章常用的數(shù)值分析方法 2.1有限差分方法 2.1.1差分方程的建立 2.1.2差分方程的求解方法 2.1.3誤差分析 2.2控制容積方法 2.2.1控制方程的守恒性 2.2.2控制容積法的空間區(qū)域離散 2.2.3控制容積法 2.3元胞自動(dòng)機(jī)方法 2.3.1基本原理 2.3.2鄰居類型 2.3.3計(jì)算方法 2.4 C語(yǔ)言編程基礎(chǔ) 2.4.1基本語(yǔ)句 2.4.2指針及其應(yīng)用 2.4.3結(jié)構(gòu)應(yīng)用 2.4.4編程實(shí)例 參考文獻(xiàn) 第3章合金凝固過(guò)程多尺度模擬 3.1 多尺度模擬及合金熱力學(xué)基礎(chǔ)理論 3.1.1多尺度模擬概述 3.1.2合金熱力學(xué)理論 3.1.3二元合金形成焓模型 3.1.4三元合金形成焓模型 3.2合金凝固溫度場(chǎng)數(shù)理模型及模擬 3.2.1合金凝固溫度場(chǎng)數(shù)理模型 3.2.2半連續(xù)鑄造溫度場(chǎng)數(shù)值模擬 3.3凝固組織演變模擬理論與方法 3.3.1液固相變的元胞自動(dòng)機(jī)模型 3.3.2微觀組織演變數(shù)理模型 3.4半固態(tài)鋁合金凝固組織模擬及工藝優(yōu)化 3.4.1微觀組織評(píng)估的量化模型 3.4.2鋁合金凝固組織的多尺度模擬與實(shí)驗(yàn)比較 3.4.3基于多尺度模擬的半固態(tài)合金設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化 參考文獻(xiàn) 第4章形變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程多尺度模擬 4.1再結(jié)晶概論 4.1.1影響再結(jié)晶的主要因素 4.1.2再結(jié)晶基本理論 4.2塑性變形力學(xué)基礎(chǔ) 4.2.1基礎(chǔ)變量及其表示方法 4.2.2靜力平衡方程和幾何方程 4.2.3塑性本構(gòu)方程 4.3再結(jié)晶組織演變模型 4.3.1形核模型 4.3.2晶核長(zhǎng)大模型 4.3.3晶粒長(zhǎng)大模型 4.3.4元胞自動(dòng)機(jī)模型 4.4形變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程多尺度模擬實(shí)例 4.4.1塑性變形數(shù)值模擬 4.4.2再結(jié)晶組織演變數(shù)值模擬 參考文獻(xiàn) 第5章分子動(dòng)力學(xué)模擬方法 5.1微觀至納觀尺度模擬基本原理 5.1.1波函數(shù)與薛定諤方程 5.1.2玻恩一奧本海默近似 5.2分子動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)介 5.2.1分子動(dòng)力學(xué)基本思想 5.2.2分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算流程 5.3分子動(dòng)力學(xué)基本理論 5.3.1分子動(dòng)力學(xué)系綜 5.3.2原子勢(shì)函數(shù) 5.3.3邊界條件、初始條件 5.3.4數(shù)值求解方法 5.4分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)例 參考文獻(xiàn) 第6章準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)多尺度模擬方法 6.1準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法的基本原理 6.1.1系統(tǒng)計(jì)算總體構(gòu)架 6.1.2有限變形的連續(xù)體構(gòu)形 6.1.3復(fù)雜Bravais晶格的原子級(jí)本構(gòu)關(guān)系 6.1.4局域／非局域交界面的耦合 6.1.5有限溫度效應(yīng)模型 6.1.6網(wǎng)格的自適應(yīng) 6.2材料表面微納級(jí)精度加工的QC方法模擬 6.2.1單晶銅微納加工過(guò)程模擬 6.2.2單晶硅微納加工過(guò)程模擬 6.2.3硅／銅復(fù)合材料微納加工分析 參考文獻(xiàn) 第7章第一性原理計(jì)算方法 7.1概述 7.2密度泛函理論 7.2.1近似方法 7.2.2 Hohenberg－Kohn定理 7.2.3 Kohn－Sham方程 7.2.4交換－關(guān)聯(lián)泛函 7.2.5自洽計(jì)算 7.3基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法 7.3.1原子軌道線性組合法 7.3.2正交化平面波方法 7.3.3贗勢(shì)方法 7.3.4線性綴加平面波方法 7.4電子結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算 7.4.1電子結(jié)構(gòu) 7.4.2計(jì)算軟件介紹 7.4.3電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析的經(jīng)驗(yàn)方法 7.5第一性原理計(jì)算實(shí)例 參考文獻(xiàn) 第8章常用的數(shù)據(jù)處理方法 8.1數(shù)據(jù)擬合方法及其計(jì)算分析 8.1.1基本原理 8.1.2參考程序代碼 8.1.3數(shù)據(jù)擬合程序應(yīng)用 8.2用Excel分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合 8.3用Origin分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 8.3.1理論建模初步 8.3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析 8.4二維平面圖形的畫(huà)法 8.4.1用Origin軟件畫(huà)溫度場(chǎng) 8.4.2用Matlab軟件畫(huà)溫度場(chǎng) 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   3.2合金凝固溫度場(chǎng)數(shù)理模型及模擬 傳熱過(guò)程數(shù)值模擬是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的一個(gè)基本問(wèn)題，許多處理過(guò)程都與溫度場(chǎng)密切相關(guān)，如金屬熔體的凝固、材料的加工成形、材料的燒結(jié)及熱處理等。傳熱過(guò)程對(duì)材料的制備與成形、組織性能預(yù)報(bào)與控制、材料設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化、綠色節(jié)能及新技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等都是極其重要的。因此，利用數(shù)值分析與計(jì)算技術(shù)解決傳熱問(wèn)題是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中具有重要作用。 熔體凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。丹麥的Forsund把有限差分法用于鑄造凝固過(guò)程的傳熱計(jì)算，開(kāi)辟了數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行凝固理論研究的新途徑。1965年，美國(guó)通用汽車公司的Henzel和Keverian用瞬態(tài)傳熱模型對(duì)大型鑄鋼件進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。這些研究工作使人們意識(shí)到數(shù)值模擬技術(shù)在鑄件凝固過(guò)程研究方面的巨大潛力。之后，世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都相繼開(kāi)展了這方面的研究工作。1970年，Michigan大學(xué)的Marrone等人以及日本的大中逸雄等相繼開(kāi)始了凝固過(guò)程模擬，法國(guó)、挪威、加拿大等國(guó)家的研究人員也對(duì)凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬方法、潛熱處理、對(duì)流換熱、邊界條件、補(bǔ)縮距離及毛細(xì)補(bǔ)縮等問(wèn)題進(jìn)行了一定程度的研究，為教值模擬走向?qū)嵱没鹆司薮蟮耐苿?dòng)作用。我國(guó)也有一大批學(xué)者在這方面的研究取得了很大進(jìn)展，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，模擬技術(shù)發(fā)展更快，在基本傳熱數(shù)學(xué)模型及潛熱、界面氣隙等問(wèn)題的處理等方面取得不少成果。 第2章以一個(gè)簡(jiǎn)單例子說(shuō)明了溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法，而實(shí)際中遇到的溫度場(chǎng)一般較為復(fù)雜，尤其是對(duì)于金屬凝固過(guò)程而言還包含相變潛熱，這還可引起邊界上傳熱條件的變化，下面以半連續(xù)鑄造過(guò)程中為例，說(shuō)明合金凝固溫度場(chǎng)模擬及潛熱和邊界條件處理模型和模擬方法。 3.2.1合金凝固溫度場(chǎng)數(shù)理模型 3.2.1.1熱傳遞的基本方式 熱傳遞有三種基本方式，即傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、對(duì)流和輻射。在這三種基本方式中熱量傳遞的物理本質(zhì)是不同的。實(shí)際中的傳熱及邊界問(wèn)題無(wú)非是這三種基本形式的具體體現(xiàn)。對(duì)于研究的區(qū)域內(nèi)部，傳導(dǎo)往往是主要傳熱方式，而在邊界上，對(duì)流和輻射往往是主要形式。

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