计算材料学应用哪些计算机技术 12页

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划计算材料学应用哪些计算机技术　　计算材料学的应用和发展　　计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着　　prettyprofitableparrots鹦鹉学舌，相当有利可图。　　1.计算材料学的诠释　　计算材料学，是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实　　际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结　　果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。　　2.计算材料学研究的必要性目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。　　3.计算材料学的发展前景目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的技能之一。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characteristicspacescale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒到年。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。　　目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。　　计算材料学在复合材料中的应用　　蒋雯31XX0417　　摘要：随着计算机技术的发展，计算材料学成为复合材料领域越来越重要的研究分析手段。本文通过查阅文献，介绍了有限元方法、分子动力学法和人工神经网络法的基本原理以及其在复合材料领域的应用，最后对计算材料学在作者日后科研工作中可能的应用进行了展望。　　关键词：计算材料学；有限元方法；分子动力学法；人工神经网络法；复合材料　　1引言目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，计算机模拟在材料微结构研究领域的地位日渐突显，这是因为：一方面，无论在定量还是定性方面，计算机模拟可以在很多方面提供实验无法获得或很难获得的信息；另一方面，计算机的飞速发展与测试环境的改进为直接验证理论的可靠度提供了很好的条件。在材料科学研究中，采用计算机模拟技术，从分子的微观性质计算到预测材料的介观、宏观性质，已成为新兴的学术方向，并已形成了一门新学科，即计算材料学[1]。　　复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的原材料通过某种工艺组合成的一种新的材料。它即保留了原组分材料的主要特性。又通过复合效应获得了原组分材料所不具备的新性能。与普通单相增强材料相比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。基于以上这些特点，复合材料一度成为学者们的研究热点，将计算材料学应用于复合材料的研究，能解决许多实验不能解决的问题，因此也受到了人们的重视[2]。　　本文主要介绍有限元法、分子动力学法和人工神经网络法在复合材料研究中的应用情况。最后对计算材料学在作者日后的科研工作中可能的应用进行了展望。　　2有限元方法　　有限元方法介绍　　有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。　　有限元方法主要用来对复合材料的力学行为进行数值模拟，得到材料的相关力学性能参数。其本质是将有限元计算技术与力学和材料学相结合，根据复合材料具体细观结构，建立代表性计算体元、界面条件和边界条件，求解受载下体元中具有夹杂的边值问题。从而建立起细观局部场量与宏观平均场量间的关系，最终获得复合材料的宏观力学响应[3]。　　有限元方法在复合材料研究中的应用　　刚度问题　　由于先进的金属基和陶瓷基复合材料的广泛应用和计算机技术的发展，复合材料的细观结构与宏观有效模量之间的定量关系可以通过有限元细观力学计算获得[3]。例如方岱宁等[4]计算了正交各向异性复合材料的九个柔度常数，分析了长纤维形状、分布对有效剪切模量和杨氏模量的影响，同时还模拟了颗粒形状、取向、分布对性能的影响。Brown等人分析了纤维截面形状对金属基复合材料有效模量的影响。图1是用轴对称单胞和三维体单胞模型对含不同分布的玻璃球颗粒增强的高分子基复合材料轴向刚度的计算结果和实验结果的对比[3]。　　图1不同模型计算的有效轴向弹性模量结果与所有结果的比较[3]目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　残余应力　　复合材料在制备过程中，从熔解温度冷却到室温，由于增强相和基体的热膨胀系数不同，而产生残余应力，造成复合材料基体局部塑性屈服，所产生的残余应力对材料受载时的力学行为将有较大的影响。有限元计算能够求解和模拟变化的温度场下的残余应力场[3]。例如Davis模拟了复合材料制备冷却过程中压缩残余应力的形成过程，并分析了该压缩残余应力所造成的塑性屈服现象。Weissenbek分析了含不同分布的纤维周期复合材料的拉伸平均应变与温度之间的关系[3]。　　损伤问题　　复合材料在制造、加工过程中，不可避免地会出现一些细观缺陷，例如纤维、颗粒等增强相的断裂、它们与基体的脱粘以及基体中产生微空洞微裂纹等。缺陷造成的局部应力场的变化一般很复杂，必须应用有限元计算细观力学来对细观损伤进行数值分析，才可以克服求解析解时作出的过多的简化，使结果更加接近实际。例如陈陆平、潘敬哲和钱令希等人利用参数拟规划化和非连续线弹性本构模型，构造了复合材料纤维/基体界面失效问题的细观力学模型并进行了有限元细观计算分析，得到了与实验相吻合的结果[3]。　　3分子动力学　　分子动力学原理简介目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　分子动力学方法早在20世纪50年代末就已提出，但直到80年代恒压分子动力学方法得以成功应用，它才真正成为材料科学领域的一个重要研究方法[5]。分子动力学是进行材料纳观尺度模拟的一个主要方法，相比于蒙特卡罗方法，该方法更适合于求解与时间相关的问题。　　经典分子动力学方法是按该体系内部的内禀动力学规律计算并确定位形的转变。首先针对微观物理体系，给出体系内粒子间相互作用势，建立一组运动方程，认为每个粒子都服从经典牛顿力学定律，然后通过对方程进行数值求解，得到各个粒子在不同时刻的坐标与动量，即其在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质[6]。　　第一性原理是Car和Parrinello等人为了求解半导体和金属的势函数而提出的。这种方法实际上是一种新的求解牛顿方程的方法，既求解波函数的运动方程，又求解针对原子坐标的运动方程，把原子核和核外电子的自由度统一考虑进来，从而把密度泛函理论和分子动力学有机结合起来。目前，在对于第一性原理分子动力学运动方程的求解中，常引入平面波(planewave)和超软赝势(ultra-soRpseudo-potential)方法[6]。　　分子动力学在复合材料研究中的应用　　界面研究目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　利用分子动力学模拟可以在原子级别上对晶体表面和界面进行优化驰豫，并分析计算其界面原子构型、电子密度分布、界面能量状态等。国绍文等人使用分子动力学方法对SiC/Al复合材料与其表面Ni涂层的相互作用进行了模拟计算，得到了分子动力学优化平衡后的界面原子构型，其相互作用能计算结果为/mol，与实验结果相一致。Benedek等人使用第一性原理方法，模拟了晶格错配的﹛222﹜MgO/Cu界面，由于MgO和Cu的晶格常数比约为7/6，界面两侧的原子层均发生翘曲畸变以形成优化键合，此外，计算了界面结合能和界面电子结构。此外其他研究者还对　　TiC/Ti的极性界面结构、Co/Al界面等等众多复合材料的界面进行了计算，得到了大量计算数据和有价值的结果[5]。　　力学性能　　对于复合材料，界面的力学性能是另一个更为关注的问题，分子动力学在获得界面平衡构型后，可以对其进行加载模拟，以研究界面应力和载荷传递，计算界面力学性能参数，模拟材料变形和失效。Bachlechner等人对Si(111)/Si3N4(0001)界面进行了分子动力学建模模拟，计算了界面的能量和界面力学参数，并对Si3N4薄膜中的开裂进行了模拟。在该研究中得到的界面杨氏模量为。通过模拟界面的连续拉伸变形，得到系统首先在Si3N4薄膜起裂纹并扩展至界面，并且在裂纹下的Si原子面上产生错位原子[6]。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　4人工神经网络　　人工神经网络介绍　　人工神经网络技术由于其建模的高效性、准确性和从已知实验数据中获取知识所具有的优势，引起了材料研究工作者的高度重视[7]。由于复合材料可设计性的自由度大，影响因素多，利用传统的数学建模方法来研究结构、工艺与性能之间的关系，尚存在许多困难，而简化求解问题的数学和力学模型，使得模型本身存在较大的局限性，难以满足工程技术上的需要。神经网络擅长处理复杂的多元非线性问题，它不需预先指定函数形式，便能通过学习对强非线性数据进行拟合、建模和预报，是研究复合材料的有力工具[7、8]。　　人工神经网络在复合材料研究中的应用　　材料性能预测　　复合材料结构设计的一个重要步骤是在设计阶段运用数值模拟手段对结构进行静动态分析计算，有限元法是解决此问题最有力的数值工具，但有限元计算一般需要材料特性作为输入数据，而这些数据需要实际结构相　　计算材料学　　1、1求π　　REALX,Y,P　　INTEGERM,N　　READ*,M目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　n=0　　iseed=rtc()　　doi=1,m　　x=ran(iseed)　　y=ran(iseed)　　if(x*x+y*y0)thenier=setcolor(9)elseier=setcolor(is(i,j))endifier=setpixel(i,j)enddoenddoenddoend　　8、CA单晶长大　　usemsflib　　parameterir=400,jr=400　　integeris(0:ir+1,0:jr+1),tmax,nstate,t,,ix0,jy0,ix,jy　　integerxn(1:8),yn(1:8),isn(1:8),isn1(1:8),is1(0:ir+1,0:jr+1)xn=(/-1,-1,-1,0,0,1,1,1/)　　yn=(/-1,0,1,-1,1,-1,0,1/)　　write(*,*)"shuru"　　read(*,*)tmax　　iseed=rtc()　　ix0=ir/2目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。\n为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　jy0=jr/2　　is=10　　is(ix0,jy0)=1　　is1=is　　dot=1,tmax　　is=is1　　doix=1,ir　　dojy=1,jr　　doii=1,8　　isn(ii)=is(ix+xn(ii),jy+yn(ii))　　enddo　　e0=count((ix,jy))　　if()cycle　　=8*ran(iseed)+1　　nstate=isn()目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。