计算机在材料科学中的应用.doc

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1、20071062班复习资料计算机在材料科学中的应用1.简述建立数学模型的基本步骤。常用的数学模型建立有几种方法。（危雄锋）答：建立数学模型的基本步骤：（1）建模准备。（2）建模假设。（3）构造模型。（4）模型求解。（5）模型分析。（6）模型检验。（7）模型应用。常用的数学建模方法：（1）理论分析法。（2）模拟方法。（3）类比分析法。（4）数据分析法。2.请简述差分法的数学思想和解题目步骤。（郭灿锋）答：差分法的数学思想：将求解域划分为差分网络，用有限网格节点代替连续的求解域。有限差分法通过Taylor技术展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函

2、数值的差商代替进行疏散，从而建立以网格节点上的值为未知数的方程组。有限差分法的主要解题步骤：（1）建立微分方程。（2）构建差分格式。（3）求解差分方程。（4）精度分析和检验。3.请简述有限元法的数学思想和解题目步骤。（张巧灵）答：有限元法的数学思想：把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，运用变分原理和加权余量法等数学基础解得节点值，进而得到整个集合体的场函数。有限元法的解题步骤:（1）建立求解域并将其离散化为有限单元。（2）假设代表单元解的近似连续函数。（3）建立单元方程。（4）构造单元整体刚度矩阵。（5）施加边界条件，初始

3、条件和荷载。（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果及其他重要信息。4.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。简述蒙特卡洛法的基本步骤。答：用特卡洛法可以解决一些具体问题，如研究高能离子在材料中的输运、晶粒生长过程、薄膜材料的外延生长、气象沉积、复合材料的失效破坏等。蒙特卡洛法的基本步骤：（1）构建概率模型。（2）随机抽样。（3）估计统计量。5.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。（杨英）答：Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工

4、具，用户可以方便的构造有限元模型；求解模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图形，图表，曲线形式显示或输出。6.简述数据库的构成和主要特征。（陈正）答：数据库系统至少包含以下三部分：（1）数据库。（2）物理存储器。（3）数据库软件。数据库系统主要特征：（1）数据共享。（2）数据独立性。（3）减少数据冗余。（4）数据的结构化。（5）统一的数据保护功能。7.举例说明材料数据库应用的实例。（李梅）答：材料数据库应用的实例（1）计算机选材系统。选材系统可以查询材料基本信息、加工应用和商业信息。（2）合金相图数

5、据库系统。合金相图数据库系统可以方便查询到合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。（3）数据库用于材料热处理工艺设计。在热处理工艺数据库的基础上，开发了CAPP，使工艺设计中的工艺参数选择、保温时间的计算、零件图形的绘制等工作均由计算机来自动完成。（4）数据库在材料物相分析中的应用。该数据库可以方便的检索物相、计算物相质量分数等。8.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法。（程建）答：多尺度材料设计的层次从广义来说，可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：（1）微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计；（2）连续模型层次

6、，典型尺度在约1um量级，这时材料被看成连续介质；（3）工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。所涉及的计算模拟方法分别为：量子化学第一性原子计算，分子动力学模拟，蒙特卡洛模拟，相图计算技术，相场模拟，有限元分析和概率断裂力学方法。9.以任一相图计算软件为例，说明该软件系统的组成和主要功能。（郭奇）答：Pandat是一款用于计算多元合金相图和热力学性能的软件包。可用于计算多种合金的标准平衡相图和热力学性能，用户也可使用自己的热力学数据库进行相图与热力学计算。Pandat软件主要功能：（1）320071062班复习资料

7、相图计算：二元、三元及多元平衡相图（等温截面、等值截面、用户自定义截面）。（2）点计算：固定成分和温度。（3）线计算：固定成分或固定温度或使温度和成分呈线性变化。（4）平面计算：等温截面、等值截面和用户自定义截面等投影图。（5）液相线计算：可以自动计算出液相线（熔点）及一次析出相，并可画出等温线。（6）凝固计算：输出信息包括固相分数、密度、比热和焓等随温度变化的曲线，凝固模型包括杠杆原理模型和Scheil模型。10.画出加热炉计算机控制系统的框图，并作简要的说明。（夏厚福）计算机I/O接口D/A转换器执行器加热炉A/D转换器测温原件打印机显示器驱动器

8、加热炉温度计算机控制系统框图炉温控制过程：首先测温元件将检测到的温度信号调制放大后通过A/D转换器转换为数字