計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用

前言

材料是國民經(jīng)濟(jì)、社會進(jìn)步和國家安全的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)，材料技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高技術(shù)發(fā)展的共性基礎(chǔ)技術(shù)，是當(dāng)前最重要、發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。發(fā)展材料技術(shù)將促進(jìn)包括新材料產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，同時(shí)又將帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)的改造和產(chǎn)品的升級換代?！笆濉逼陂g，我國材料領(lǐng)域在光電子材料、特種功能材料和高性能結(jié)構(gòu)材料等方面取得了較大的突破，在一些重點(diǎn)方向邁入了國際先進(jìn)行列。依據(jù)國家“十一五”規(guī)劃，材料領(lǐng)域?qū)⒘⒆銍抑卮笮枨?，自主?chuàng)新、提高核心競爭力、增強(qiáng)材料領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新能力將成為戰(zhàn)略重心。納米材料與器件、信息功能材料與器件、高新能源轉(zhuǎn)換與儲能材料、生物醫(yī)用與仿生材料、環(huán)境友好材料、重大工程及裝備用關(guān)鍵材料、基礎(chǔ)材料高性能化與綠色制備技術(shù)、材料設(shè)計(jì)與先進(jìn)制備技術(shù)將成為材料領(lǐng)域研究與發(fā)展的主導(dǎo)方向。不難看出，這些主導(dǎo)方向體現(xiàn)了材料學(xué)科一個(gè)重要發(fā)展趨勢，即材料學(xué)科正在由單純的材料科學(xué)與工程向與眾多高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域交叉融合的方向發(fā)展。材料領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，對擔(dān)負(fù)材料科學(xué)與工程高等教育和科學(xué)研究雙重任務(wù)的高等學(xué)校提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為迎接這一挑戰(zhàn)，高等學(xué)校不但要擔(dān)負(fù)起材料科學(xué)與工程前沿領(lǐng)域的科學(xué)研究、知識創(chuàng)新任務(wù)，而且要擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)能適應(yīng)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域高速發(fā)展需求的、具有新知識結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的重任。為適應(yīng)材料領(lǐng)域高等教育的新形勢，2006—2010年教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會積極組織了材料類高等學(xué)校教材的建設(shè)規(guī)劃工作，成立了規(guī)劃教材編審委員會，編審委員會由相關(guān)學(xué)科的分教學(xué)指導(dǎo)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(xué)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(xué)召開了教材建設(shè)研討會和教材提綱審定會。經(jīng)教學(xué)指導(dǎo)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(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)的專家、學(xué)者參加了這套教材的編寫工作。歷經(jīng)幾年的努力，這套教材終于與讀者見面了，它凝結(jié)了全體編寫者與組織者的心血，充分體現(xiàn)了廣大編寫者對教育部“質(zhì)量工程”精神的深刻體會，對當(dāng)代材料領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)的牢固掌握和對高等教育規(guī)律的熟練把握，是我國材料領(lǐng)域高等教育工作者集體智慧的結(jié)晶。這套教材基本涵蓋了金屬材料工程專業(yè)的主要課程，同時(shí)還包含了材料物理專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)部分專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及金屬、無機(jī)非金屬和高分子三大類材料學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程。整體看來，這套教材具有如下特色:①根據(jù)教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會相關(guān)課程的“教學(xué)大綱”及“基本要求”編寫;②統(tǒng)一規(guī)劃，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，整套教材具有完整性、系統(tǒng)性，基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的內(nèi)容有機(jī)銜接;③注重基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，體現(xiàn)了科學(xué)性、實(shí)用性;④編委會及作者由材料領(lǐng)域的院士、知名教授及專家組成，確保了教材的高質(zhì)量及權(quán)威性;⑤注重創(chuàng)新，反映了材料科學(xué)領(lǐng)域的新知識、新技術(shù)、新工藝、新方法;⑥深入淺出，說理透徹，便于老師教學(xué)及學(xué)生自學(xué)。教材的生命力在于質(zhì)量，而提高質(zhì)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(shí)俱進(jìn)，根據(jù)高等教育改革和發(fā)展的形勢及材料專業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢，不斷對教材進(jìn)行修訂、改進(jìn)、完善，精益求精，使之更好地適應(yīng)高等教育人才培養(yǎng)的需要，也希望他們能夠一如既往地依靠業(yè)內(nèi)專家，與科研、教學(xué)、產(chǎn)業(yè)第一線人員緊密結(jié)合，加強(qiáng)合作，不斷開拓，出版更多的精品教材，為高等教育提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和服務(wù)。衷心希望這套教材能在我國材料高等教育中充分發(fā)揮它的作用，也期待著在這套教材的哺育下，新一代材料學(xué)子能茁壯成長，脫穎而出。

內(nèi)容概要

　　本書為教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會規(guī)劃教材,主要介紹計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用｡全書共分10章,其中第1章主要介紹計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用概況;第2章主要介紹材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型及分析方法;第3章主要介紹材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬;第4章主要介紹材料數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng);第5章主要介紹計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)與模擬;第6章主要介紹材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制;第7章主要介紹材料檢測中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用;第8章主要介紹數(shù)據(jù)與圖形圖像處理過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用;第9章主要介紹Internet與材料科學(xué);第10章主要通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對所講述的理論知識進(jìn)行具體應(yīng)用｡　　本書可作為材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生及研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程教材,也可供從事材料科學(xué)與工程研究的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章　概述  1.1　材料科學(xué)進(jìn)展與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)  1.2　計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用    1.2.1　計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)用于材料行為工藝研究    1.2.2　計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)庫和知識庫    1.2.3　計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料設(shè)計(jì)    1.2.4　計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料加工控制    1.2.5　計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料性能表征與檢測    1.2.6　計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理    1.2.7　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于材料科學(xué)研究  參考文獻(xiàn)第2章　材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型及分析方法  2.1　數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)及建模方法    2.1.1　數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)    2.1.2　建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟和原則    2.1.3　常用的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)基礎(chǔ)    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(shù)語    2.3.3　有限元法數(shù)學(xué)基礎(chǔ)    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(jī)數(shù)的生成    2.4.4　蒙特卡洛法解題示例  2.5　分子動力學(xué)方法    2.5.1　分子動力學(xué)方法簡介    2.5.2　分子動力學(xué)方法模擬基本步驟    2.5.3　勢函數(shù)    2.5.4　邊界條件    2.5.5　分子動力學(xué)積分算法    2.5.6　分子動力學(xué)中的系綜    2.5.7　溫度與壓力的調(diào)節(jié)    2.5.8　宏觀物理量的計(jì)算    2.5.9　分子動力學(xué)方法解題示例    2.5.10　分子動力學(xué)相關(guān)軟件  2.6　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法    2.6.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介    2.6.2　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)    2.6.3　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本要素    2.6.4　誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）     2.6.5　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解題基本步驟    2.6.6　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解題示例  習(xí)題及思考題  參考文獻(xiàn)第3章　材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬  3.1　溫度場的計(jì)算    3.1.1　導(dǎo)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(yīng)力場計(jì)算　……第4章　材料數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)第5章　計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)與模擬第6章　材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制第7章　材料檢測中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用第8章　數(shù)據(jù)與圖形圖像處理過程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用第9章　Internet與材料科學(xué)第10章　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與上機(jī)實(shí)踐

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概述1.1　材料科學(xué)進(jìn)展與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)材料是人類社會發(fā)展的里程碑，是人類生產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是現(xiàn)代文明進(jìn)步的重要標(biāo)志和發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。材料、能源和信息共同構(gòu)成了人類社會賴以生存和發(fā)展的基本資源，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代文明的三大支柱。材料技術(shù)不僅是一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)又是其他技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，對其他技術(shù)領(lǐng)域起著引導(dǎo)、支撐的關(guān)鍵性作用。材料是人類社會進(jìn)步和發(fā)展的標(biāo)志，綜觀人類發(fā)現(xiàn)材料和利用材料的歷史，每一種材料的廣泛應(yīng)用，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，將人類社會的物質(zhì)文明和精神文明向前推進(jìn)一步。材料具有普遍性和重要性，同時(shí)又具有多樣性。工程上通常按照材料的物理化學(xué)屬性將其劃分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料以及復(fù)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(jù)材料消費(fèi)的主導(dǎo)地位；高分子材料為有機(jī)材料，是由相對分子質(zhì)量很大的分子組成，其主要原料是石油化工產(chǎn)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(jī)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(fù)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(yōu)點(diǎn)并在一定程度上克服了各自的缺點(diǎn)，因此是一種優(yōu)異的新型材料，復(fù)合材料按照其基體的不同可分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料三大類。材料科學(xué)的概念源自于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)人造衛(wèi)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(jìn)材料研究與應(yīng)用領(lǐng)域，于是美國的一些著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相繼成立了材料科學(xué)研究中心，旨在采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法來研究并開發(fā)新材料。至此，便誕生了“材料科學(xué)”的新名詞。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用》為教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會規(guī)劃教材之一，由中南大學(xué)出版社出版。

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