计 算 机 在 材 料 科 学 中 的 应 用

班 级：10030141X

学 号：13

姓 名：孙志勇

计算机在材料科学中的应用

计算机作为一种现代工具,在当今世界的各个领域日益发挥着巨大作用.但由于材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性,给计算机在材料科学中的应用带来了复杂性和特殊性。本文针对主要的几个方面进行一些分析和探讨,并着重讨论新材料、新合金的设计。

1新材料、新合金的设计

新材料新合金的设计与开发,长期以来采用的是配方方法.有人比作“炒菜式”的方法。一般需经对成分一组织一性能关系的调整作多次反复实验,即“炒作”才能抚得较满意的结果。这种方法有相当的盲目性,费功、费时、经济损耗大,为此人们期望从实验比较、总结归纳的研制方式走向演绎计算的方法,而计算机技术的飞速发展恰恰合了这一发展趋势,即按所需材料性能来设计、制备新材料、新合金,并使所设计的合金成分、组织(或工艺)达到最佳配合。在这方面“高分子材料设计、“镍基耐热合金的电子设计比’，“复合材料设计”,和“船舶结构合金优化设计’心等取得了较为成功的经验。这种设计的基本原理是,从已有的大量数据、经验事实出发.利用现有的各种不同结构层次的数学模型,如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关数据理论.如固体与分子经验电子理论量子理论等,通过计算机运算对比、推理思维来完成优选新合金、新材料的设计过程。其中引入了数学的鼓优化理论来获得最佳方案的材料配方及生产工乙。近年来,又有人提出材料科学的专家系统。譬如计算机辅助Bi一YIG磁光薄膜材料设计的专家系统研究,在这个系统中两个最重要的部分是材料数据库和材料知识库材料数据库中存储的是具体有关材料的数据值,它只能进行查询而不能推理;材料知识库存储的是规则,当从数据库中查询不到相应的性能时,知识库却能通过推理机构以定的可信度给出性能的估算值,从而实现性能预测功能。同时,也可用该知识库进行组分和工艺设计.在整个知识库中采用近年来在国际卜兴起的数据库知识发现技术。技术是一种以强调归纳逻辑推理为特色和以自适应寻找规了卜为目标的知识库系统构造方法。从材料设计的角度看KDD技术最有用的几类模式是:1发现元素问的相关关系;对数据库中大量数据记录进了分类,进行类别判识;吞对数据库中甸类数据记录进行抽象概念描述;匡对数据库中的异常情况识别。己有的实验数据中白动总结规律,而不依赖于“专家”头脑。目前进行材料设计的方法都涉及材料的组分、工艺州能和使用之问的关系。

人工神纤网络的自学习功能正好适用于材料设计或性能预测这一类问题。譬如可伐合金研制的瓷基复合材料研制的验证叫;氮化钦膜研究的应用制了计算机程序口,不仅准确度明显提高,且运算时仅需几秒钟。华中理工大学的张乐福等利用计算机和人工网络系统对铸铁激光表面淬火实验数据进行了处理,得到满意结

2材料行为工艺的计算机模拟

计算机模拟技术是利用计算机的讨一算推理和作图功能,根据事物的客观环境条件及本身性质规律,仿照实际情况来推测顶报可能出现情况的一门技术。特别是在情况复杂的环境下,运用这种技术可达到事半功倍的效果。

3材料加工的自动化控制

材料加工是指制造材料的各种手段以及处理过程,如铸造、锻造、焊接、压力加工、机加工、热处理及粉末冶金等。所有这些均可利用计算机对其过程进行自动控制,比如口前应用较为广泛的连铸、连轧、多种化学热处理计算机控制,全自动焊机、热处理炉、粉末氢气烧结炉、数控机床掌。它们共同的特点是:准确度高;可避免人为因素造成的误差或损失;可改善工人的工作条州和劳动强度;可节省人力物力资源提高效率。由吴林等编写的《焊接过程的微计算机测示和控制户,〕正好说明了这一点。其基本原理是.根据材料加工尺寸或性能要求计算机输入相关数据,有时也需利用某种传感器探测相应信息,将得到的信息经过模/数(A/D)转换器转换成数字信号输入计算机,计算机经过自己的程序处理,最后将处理后的数字信号再经数/模(D/A)转换器变成模拟信息,进而将模拟信急传输到其相应的执行设备以达到自动拧制效果。

4材料研究科学中的数据处理

材料设计中离不开数据处理,往往所处理的数据比较复杂,涉及据精度要求较高.仅凭人工计算处理难以达到精度要求,即使能达到,也要花相当多的精力和时{司,且出错的几率很大。计算机快速准确的计算功能正好满足了这些条件和要求。这方面的应用事例不胜枚举,洛阳船舶材料研究所史嘉龙等运用计算机对球扁钢剖面要素进行r计算

大学的王宝珠等用BASIC语言对所钡」相变数据进行分段抛物处理实现r曲线拟合,绘制了钢的过冷奥氏体等温转变TTI、图和连续转变cC。在直接生成式控制气氛热处理中,由于炉内化学反应涉及多种平衡因素,因而计算复杂,姜岩等排出了较准确地计算炉气平衡成分的方程式。 5材料检测方面的应用

计算机在材料检测中的应用目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测,以及机械零部州一的无损检测等方面。其基本方法是借助于某种探测器月各探测到的信号转化为数字信号传输到计算机里,然后通过程序员编制的相关程序对这些数字信号判断、处理后得到相应结果。料实验机等的计算机处理系统等就是这方面应用的成功事例。今后计算机在材料科学中的应用会日益广泛.日益深入,作为材料工作者,应充分利用这一现代化工具来排动材料利学的发展. 总之，计算机在社会的各个方面都应用广泛。我们材料科学的未来是一片

光明。材料科学是多学科交又的新兴的发展不成熟的学科,目前对它的研究很大程度上还依赖于事实和经验的积累,系统地研究还需一个很长的过程。计算机作为一种现代工具,在当今世界的各个领域日益发挥巨大的作用,它己渗透到各门科领域以及日常生活中成为现代化的标志。在材料领域,计算机也正在逐渐成为极其重要的工具,计算机在材料科学中的应用正是材料科学飞速发展的重要原因之一。

我认为计算机科学与材料科学研究相结合，改进了研究工具和研究方法，促进了学科的发展。过去，人们主要通过实验和理论两种途径进行科学技术研究。现在，计算和模拟已成为研究工作的第三条途径。计算机与有关的实验观测仪器相结合，可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表，显著地提高实验工作的质量和效率。计算机辅助设计已成为工程设计优质化、自动化的重要手段。在理论研究方面，计算机是人类大脑的延伸，可代替人脑的若干功能并加以强化。古老的数学靠纸和笔运算，现在计算机成了新的工具，数学定理证明之类的繁重脑力劳动，已可能由计算机来完成或部分完成。计算和模拟更是一种新的研究手段。计算机在材料科学中的广泛应用，常常产生显著的经济效益和效益，从而引起产业结构、产品构等方面的重大变化。

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