计算机在材料科学中的应用上机教程

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1、《计算机在材料科学中的应用》上机教程（2011级高分子专业用）湖北工业大学材料科学与工程学院2013年2月《计算机在材料科学中的应用》上机教程李纯清前言当前，计算机在材料科学中的应用(CompnterApplicationlnMaterialsScience)已经发展成为材料科学与工程的一个新的学科分支，涉及很多的学科和领域，需要把材料科学的专业知识与计算机技术、计算数学、信号与系统、物理、图形图像学、自动控制技术、机械等各方面的知识技术进行综合应用。计算机在材料科学中的应用是指以计算机为手段，通过理论和计算对材料

2、的固有性质、结构与组分、使用性能及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向，其目的在于使人们能主动地对材料进行结构、功能与工艺的优化与控制，以使按需要开发及制备新材料。把计算机应用于材料科学的思想产生丁20世纪50年代，其形成为一门独立的新兴学科则是20世纪80年代以后的事，在我国20世纪90年代逐步有学者进行这方面的研究尝试工作。近年来，现代科学(信息技术、量子力学、统计物理、固体物理、量子化学、计算科学、计算机图形学等)理论和方法技术的飞速发展，以及计算机能力的空前提高为材料计算机模拟提供了理论基础和有力手段。计

3、算机在材料领域中的应用的发展将使材料科学从半经验的定性描述逐渐进入半定量到定量预测和控制的更为科学的阶段。材料的计算机模拟技术及应用已经成为现代材料科学研究中最为活跃的一个重要分支。目前计算机在材料领域中的应用在国际上还没有统一的通用术语，美国习惯称其为材料的“计算机分析与模型化”(computer-basedanalysisandmodeling)，欧洲则称它为“计算材料科学”(ComputationalmaterialScience)，日本则称其为“材料设计”(Materialdesign)，等等。尽管在用语上

4、不完全一样，各国在研究领域和特色上也不尽相同，但基本含义是相同的。高技术新材料是现代知识经济的重要组成部分，其发展日新月异，这为材料的计算与设计提供了发展机遇和广阔空间。计算机在材料领域中的应用具有以下特点：(1)具有“前瞻性”；(2)具有“创新性”s；(3)可减少或替代实验室工作；(4)降低研究及生产成本。目前，随着材料科学研究工作的广泛开展和不断深入，有关“计算机在材料科学中的应用”75《计算机在材料科学中的应用》上机教程李纯清的科技文献资料迅速增多。但这些文献大都出现在学术期刊或会议文集之中，还缺少既包括基本

5、原理也包括最新研究成果的系统性、综合性书籍，教材(面向本科生、研究生)就更少。但21世纪新材料在国民经济建设中的地位越来越重要，虽然目前我国在这方面出版的教材及参考书还不多，但我们还是决定开设此门课程，目的是要学生了解材料科学的新进展，让更多人接触这一新的发展方向，缩小与国外的差距。本上机教程的教学目标如下：1、使材料科学与工程专业的学生了解计算机在材料科学中应用的现状和发展趋势，知道所要从事的材料科学研究领域中应当掌握哪些计算机技术和知识；2、通过本门上机教程程的学习引导，使他们初步掌握一些计算机地材料科学中应用

6、的入门知识和技能，在面对这个新领域时能比较轻松；3、通过本门上机教程介绍计算机应用技术和软件在材料科学中的应用，希望提高材料科学工作者从事材料研究工作时的效率利和水平。由于时间匆忙，业务能力有限，书中难免有误，请读者批评指正，编者万分感谢!75《计算机在材料科学中的应用》上机教程李纯清目录前言I目录III上篇数据处理及过程模拟1实验01：实验数据及模型参数拟合方法1单变量拟合1例1-1：1例1-22多变量拟合3例1-33例1-44例1-55例1-66例1-76例1-87实验02：非线性方程求解9例2-1用对分法求f

7、(x)=x^3-7.7*x^2+19.2*x-15.3在区间【1，2】之间的根。9例2-2求代数方程x^3-2*x-5=0,在x0=2附近的根。10例2-310例2-4用牛顿迭代法求方程在x0=1附近的零点。11例2-5用割线法求方程的根（取x0=1.5,x1=4）。12例2-6：用牛顿迭代法解下列非线性方程组13实验03：线性方程组的迭代求解15简单迭代计算机算法15例3-1用简单迭代格式解下列方程组15紧凑迭代计算机算法16例3-2用简单迭代格式解下列方程组16松弛迭代计算机算法18例3-3用简单迭代格式解下列

8、方程组1875《计算机在材料科学中的应用》上机教程李纯清实验04基于matlab的微分方程数值解20例4-3用庞格-库塔公式，求解下列初值问题。20例4-4：微分方程组数值解21实验作业：教材page88第5题21实验05偏微分方程数值解22例5-1：用数值法求解下列偏微分方程：22例5_1:22例5_2:(第五章课后习题2)30实验06：有限元法解微分方程