計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用（張鵬）圖書目錄

第1章 緒論001

1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用001

1.1.1計算機的發(fā)展歷程001

1.1.2微型計算機的發(fā)展004

1.2材料科學(xué)與工程的概念和內(nèi)容005

1.2.1涵蓋的基本內(nèi)容005

1.2.2材料的分類005

1.2.3材料的性能005

1.2.4基本要素005

1.3計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用簡介006

1.3.1計算機技術(shù)用于數(shù)值計算與模擬007

1.3.2計算機技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理007

1.3.3計算機技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)庫和知識庫007

1.3.4計算機技術(shù)用于材料設(shè)計008

1.3.5計算機技術(shù)用于材料性能表征與檢測008

1.3.6計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于材料科學(xué)研究009

第2章 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解方法010

2.1數(shù)學(xué)模型的介紹010

2.1.1數(shù)學(xué)模型的含義010

2.1.2數(shù)學(xué)模型的分類011

2.1.3建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟和原則012

2.2常用的數(shù)學(xué)建模方法013

2.2.1機理分析法013

2.2.2模擬方法014

2.2.3類比分析法016

2.2.4數(shù)據(jù)分析法017

2.3數(shù)學(xué)模型的求解方法019

2.3.1有限差分法019

2.3.2有限元法025

思考題與上機操作題037

第3章 材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值分析的模擬038

3.1應(yīng)力場模型與計算038

3.1.1彈性力學(xué)基礎(chǔ)038

3.1.2應(yīng)力場的有限元計算041

3.1.3工字懸臂梁撓曲變形的模型建立與計算046

3.1.4開孔矩形板受荷載作用變形的模型建立與計算050

3.2溫度場模型與計算055

3.2.1熱傳遞的基本方式與導(dǎo)熱微分方程055

3.2.2初始條件與邊界條件058

3.2.3二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的有限差分求解059

3.2.4非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的有限差分求解061

3.2.5有限元法求解064

3.2.6發(fā)電廠煙囪溫度分布模型的建立與計算069

3.2.7短圓柱體熱傳導(dǎo)過程的模型建立與計算073

3.3濃度場模型與計算080

3.3.1擴散控制模型081

3.3.2有限元求解082

3.3.3半限長鋼板碳擴散情況的模型建立與計算085

3.3.4Hydrus介紹與實例091

思考題與上機操作題096

第4章 材料數(shù)據(jù)庫和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)099

4.1材料數(shù)據(jù)庫099

4.1.1數(shù)據(jù)庫的組成與結(jié)構(gòu)099

4.1.2材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫100

4.2專家系統(tǒng)101

4.2.1專家系統(tǒng)基本知識101

4.2.2材料科學(xué)與工程中專家系統(tǒng)舉例103

4.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用108

4.3.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)108

4.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法與規(guī)則110

4.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用111

思考題與上機操作題114

第5章 材料科學(xué)與工程中的數(shù)據(jù)處理與分析115

5.1數(shù)據(jù)處理的基本理論115

5.1.1曲線擬合和最小二乘法115

5.1.2線性插值法120

5.2Origin軟件在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用123

5.2.1Origin軟件介紹123

5.2.2Origin軟件的基本功能和使用方法124

5.2.3Origin在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用實例129

思考題與上機操作題140

第6章 材料科學(xué)與工程中的圖像處理142

6.1圖像與圖像處理142

6.2數(shù)字圖像的獲得途徑143

6.3Photoshop軟件進行圖像處理與分析舉例143

6.3.1Photoshop六大基本功能144

6.3.2Photoshop圖例144

6.4MatLab軟件進行圖像處理與分析舉例151

6.4.1MatLab的主要功能151

6.4.2基本操作151

6.4.3MatLab語言基礎(chǔ)153

6.4.4MatLab程序設(shè)計初步154

6.5Image J軟件進行圖像處理與分析舉例156

6.5.1Image J的界面156

6.5.2圖片編輯與分析159

6.5.3測量和計數(shù)160

思考題與上機操作題163

第7章 正交試驗方法在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用165

7.1正交試驗設(shè)計的基本原理165

7.1.1正交表介紹166

7.1.2正交性原理167

7.2正交試驗設(shè)計的基本方法168

7.3正交試驗設(shè)計在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用172

7.4正交試驗的方差分析方法174

思考題與上機操作題178

第8章 分子動力學(xué)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用179

8.1分子動力學(xué)介紹179

8.1.1力場180

8.1.2分子動力學(xué)基本原理183

8.1.3分子動力學(xué)計算流程185

8.1.4分子動力學(xué)的一些基本算法186

8.1.5系綜的分類187

8.1.6周期性邊界條件188

8.1.7輸出軌跡分析188

8.2常用的分子動力學(xué)軟件191

8.2.1Lammps191

8.2.2Materials Studio192

8.2.3Materials Studio在材料科學(xué)中常用的模塊介紹192

8.3分子動力學(xué)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用舉例193

8.3.1Materials Studio算例193

8.3.2Lammps算例197

思考題與上機操作題203

第9章 Rietveld/XRD精修在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用206

9.1Rietveld/XRD方法介紹與基本理論206

9.1.1XRD衍射峰的理論計算206

9.1.2Rietveld定量精修210

9.1.3Rietveld結(jié)構(gòu)精修213

9.1.4Rietveld全譜擬合正確性數(shù)值判斷214

9.2Rietveld精修軟件——GSAS-EXPGUI介紹215

9.2.1軟件菜單欄界面介紹215

9.2.2軟件選項欄界面介紹219

9.3Rietveld定量精修在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用223

9.3.1基于標(biāo)樣SiO2-ZnO二元體系的精修策略和準(zhǔn)確性驗證223

9.3.2水泥基材料的Rietveld精修定量策略226

參考文獻2322100433B

本書系統(tǒng)地介紹了計算機在材料科學(xué)中應(yīng)用的基本理論、基本方法和相關(guān)應(yīng)用。全書內(nèi)容共分為9章，主要介紹了計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用概況；數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解的方法；應(yīng)力場、溫度場與濃度場這幾個典型物理場中的數(shù)值模擬方法；材料數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；材料科學(xué)中數(shù)據(jù)、圖像的處理與分析方法；正交試驗方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用；分子動力學(xué)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用；Rietveld/XRD精修在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用等。本書在講解理論的基礎(chǔ)上，主要側(cè)重于應(yīng)用計算機的實際操作，翔實講解了上機實驗中所需的各種軟件，使學(xué)生初步了解和掌握計算機知識在材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用思路和方法，注重培養(yǎng)學(xué)生利用計算機解決實際問題的能力，培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

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。

《材料科學(xué)工程專業(yè)本科系列教材·計算機在材料工程中的應(yīng)用》采用較多的實例介紹了計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用以及相關(guān)軟件的使用。主要內(nèi)容有材料科學(xué)與工程中的數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)值模擬基礎(chǔ)及典型物理場的模擬方法，計算機輔助計算與設(shè)計，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用，材料數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)，材料成型過程的計算機模擬等。

第1章 緒論1

1.1 計算機技術(shù)的發(fā)展1

1.1.1 計算機硬件技術(shù)的發(fā)展1

1.1.2 計算機軟件技術(shù)的發(fā)展2

1.1.3 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展3

1.2 材料科學(xué)與工程的基本概念與發(fā)展3

1.2.1 材料科學(xué)與工程的基本概念3

1.2.2 材料科學(xué)與工程的發(fā)展4

1.3 計算機技術(shù)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用6

1.3.1 計算機模擬在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用7

1.3.2 材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制10

1.3.3 材料數(shù)據(jù)庫和材料設(shè)計10

1.3.4 計算機輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用11

思考題與上機操作實驗題11

第2章 材料科學(xué)與工程研究中的數(shù)據(jù)處理12

2.1 數(shù)據(jù)處理的基本理論12

2.1.1 曲線擬合與最小二乘法12

2.1.2 一元線性擬合12

2.1.3 多元線性回歸15

2.1.4 可轉(zhuǎn)化為一元線性回歸的其他一元線性擬合18

2.2 Origin軟件在材料科學(xué)與工程中的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用21

2.2.1 0rigin軟件參數(shù)介紹及基本操作2l

2.2.2 0rigin在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用實例27

2.3 Excel軟件在材料科學(xué)與工程中的數(shù)據(jù)處理35

2.3.1 計算功能352.3.2規(guī)劃求解37

思考題與上機操作實驗題38

第3章 材料科學(xué)與工程研究中的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算42

3.1 數(shù)學(xué)模型的基本知識42

3.1.1 數(shù)學(xué)模型的分類43

3.1.2 數(shù)學(xué)建模的過程44

3.1.3 數(shù)學(xué)模型的特點46

3.1.4 數(shù)學(xué)模型的建立方法47

3.2 材料科學(xué)與工程研究中的數(shù)學(xué)模型48

3.2.1 理論分析法48

3.2.2 模擬方法49

3.2.3 類比分析法53

3.2.4 數(shù)據(jù)分析法56

3.2.5 利用計算機軟件(Origin軟件)建立數(shù)學(xué)模型56

3.3 材料科學(xué)與工程中的數(shù)值計算方法61

3.3.1 線性方程組的計算機計算62

3.3.2 有限差分法求解63

3.3.3 有限元法求解70

思考題與上機操作實驗題82

第4章 材料科學(xué)與工程中典型物理場的數(shù)值模擬83

4.1 溫度場的數(shù)學(xué)模型及求解83

4.1.1 溫度場的基本知識84

4.1.2 溫度場的數(shù)學(xué)模型86

4.1.3 溫度場的有限差分求解91

4.2 應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型及求解113

4.2.1 應(yīng)力場的基本理論與數(shù)學(xué)模型113

4.2.2 基于ANsYS軟件的應(yīng)力場計算117

4.3 濃度場的通用數(shù)學(xué)模型與計算120

4.3.1 菲克第一定律120

4.3.2 菲克第二定律12l

4.3.3 運用有限差分法求解滲碳濃度場121

4.3.4 基于MATLAB的滲碳過程計算127

4.4 鑄件充型過程流場的通用數(shù)學(xué)模型130

思考題與上機操作實驗題132

第5章 材料科學(xué)與工程中的計算機輔助計算與設(shè)計技術(shù)135

5.1 相圖計算135

5.1.1 相圖計算的原理及計算方法135

5.1.2 相圖數(shù)據(jù)庫與計算軟件136

5.1.3 Thermo-Cale軟件在相圖計算中的應(yīng)用137

5.2 材料設(shè)計理論及實踐16l

5.2.1 材料設(shè)計概論16l

5.2.2 MaterialStudio軟件及其在材料設(shè)計中的應(yīng)用166

思考題與上機操作實驗題172

第6章 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及Matlab語言在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用173

6.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本知識173

6.1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)173

6.1.2 人工神經(jīng)元模型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)174

6.1.3 誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型175

6.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用18l

6.2.1 在材料設(shè)計和成分優(yōu)化中的應(yīng)用181

6.2.2 在材料力學(xué)性能預(yù)測中的應(yīng)用181

6.2.3 在相變特性預(yù)報中的應(yīng)用182

6.2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于材料的檢測183

6.3 Matlab的基本使用方法184

6.3.1 Matlab的主要功能184

6.3.2 基本操作184

6.3.3 Matlab語言基礎(chǔ)186

6.3.4 Matlab程序設(shè)計初步187

6.4 Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱及其使用189

6.4.1 概述189

6.4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱通用函數(shù)189

6.4.3 BP網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)190

6.4.4 BP網(wǎng)絡(luò)的Matlab實現(xiàn)191

6.5 應(yīng)用舉例：基于BP網(wǎng)絡(luò)的鎂合金.AZ6lB晶粒尺寸模型的構(gòu)建及仿真191

6.5.1 數(shù)據(jù)收集及整理191

6.5.2 BP網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計192

6.5.3 數(shù)據(jù)的預(yù)處理一192

6.5.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實現(xiàn)194

6.5.5 M文件的方法求解20l

思考題與上機操作實驗題205

第7章 材料科學(xué)與工程中的數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)應(yīng)用206

7.1 數(shù)據(jù)庫在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用206

7.1.1 數(shù)據(jù)庫的基本知識206

7.1.2 材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展208

7.1.3 應(yīng)用舉例——基于Web的鎂合金數(shù)據(jù)庫的開發(fā)210

7.2 專家系統(tǒng)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用214

7.2.1 專家系統(tǒng)基本知識214

7.2.2 材料科學(xué)與工程中專家系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用215

7.2.3 應(yīng)用舉例217

思考題與上機操作實驗題221

第8章 材料成形過程的計算機模擬222

8.1 概述222

8.2 塑料注塑成形過程模擬軟件MoldFlow223

8.2.1 MoldFlow軟件介紹223

8.2.2 MoldFlow軟件操作步驟及分析實例226

8.3 體積成形模擬軟件I)eform230

8.3.1 Deform模擬分析軟件介紹230

8.3.2 Deform軟件操作步驟及應(yīng)用實例232

8.4 鑄造成形過程模擬軟件ProCAS237

8.4.1 ProCAST簡介238

8.4.2 ProCAST的模擬過程242

8.4.3 ProCAST軟件應(yīng)用實例242

思考題與上機操作實驗題244

參考文獻2452100433B

第1章 緒論1

1.1 計算機技術(shù)發(fā)展簡介1

1.2 材料科學(xué)與工程中常用的計算機技術(shù)3

1.2.1 計算機信息系統(tǒng)4

1.2.2 計算機模擬技術(shù)4

1.2.3 計算機檢測與控制技術(shù)6

1.2.4 計算機輔助設(shè)計與制造8

1.2.5 計算機數(shù)據(jù)與圖像處理技術(shù)9

第2章 數(shù)據(jù)處理11

2.1 Excel 軟件在材料科學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用11

2.1.1 計算標(biāo)準(zhǔn)偏差11

2.1.2 粗差的剔除11

2.1.3 基于Excel的t檢驗與方差分析12

2.1.4 一元線性回歸分析15

2.1.5 一元非線性回歸分析16

2.1.6 多元線性回歸分析17

2.1.7 多元非線性回歸分析18

2.1.8 用Excel做逐步回歸分析18

2.1.9 基于Excel處理正交設(shè)計數(shù)據(jù)（極差分析法）21

2.1.10 基于Excel構(gòu)建均勻設(shè)計表構(gòu)造22

2.2 Origin 軟件在材料科學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用23

2.2.1 Origin軟件簡介23

2.2.2 Origin軟件數(shù)據(jù)管理25

2.2.3 Origin軟件在材料科學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用實例30

2.2.4 利用Origin從圖里獲得原始數(shù)據(jù)50

2.2.5 Origin中相關(guān)的菜單英語單詞52

第3章 材料科學(xué)與工程中的圖像處理58

3.1 用Photoshop處理金相圖片58

3.1.1 修理金相圖片58

3.1.2 金相照片加標(biāo)尺61

3.1.3 合成全景照片63

3.1.4 圖像的焦聚融合64

3.1.5 基于Photoshop軟件的定量金相66

3.1.6 繪制立體金相組織圖67

3.2 Matlab實現(xiàn)定量金相69

3.2.1 定量金相的發(fā)展69

3.2.2 定量金相學(xué)中常用的參數(shù)符號和公式69

3.2.3 定量金相的測量方法70

3.2.4 定量金相分析的Matlab 實現(xiàn)71

第4章 第一性原理計算73

4.1 波函數(shù)與薛定諤方程73

4.2 Hartree Fock自洽場方法75

4.3 密度泛函理論77

4.3.1 Hohenberg Kohn定理77

4.3.2 Kohn Sham方程78

4.3.3 LDA和GGA79

4.4 DFT計算的主要方法80

4.4.1 贗勢平面波(PPW)方法81

4.4.2 線性綴加平面波(LAPW)方法83

4.4.3 線性Muffin tin軌道(LMTO)方法84

4.5 第一性原理計算的常用軟件84

4.5.1 使用贗勢的計算軟件84

4.5.2 基于全電子方法的軟件86

4.6 幾個簡單的計算實例88

4.6.1 ELK和PWSCF程序的基態(tài)計算輸入文件88

4.6.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)合能的計算92

4.6.3 晶體能帶結(jié)構(gòu)的計算100

4.6.4 彈性常數(shù)的計算102

第5章 分子動力學(xué)模擬105

5.1 分子動力學(xué)模擬的基本方法105

5.1.1 求解運動方程106

5.1.2 初始構(gòu)型和邊界條件108

5.1.3 勢函數(shù)110

5.1.4 溫度與壓力的控制方法118

5.2 體系結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的計算121

5.2.1 熱力學(xué)量121

5.2.2 結(jié)構(gòu)性質(zhì)——徑向分布函數(shù)和結(jié)構(gòu)因子122

5.2.3 動力學(xué)及輸運性質(zhì)123

5.3 分子動力學(xué)模擬軟件及其應(yīng)用125

5.3.1 MD計算軟件簡介125

5.3.2 Lammps軟件應(yīng)用基礎(chǔ)和實例128

第6章 有限元軟件Deform在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用154

6.1 Deform有限元分析軟件簡介154

6.2 基于Deform軟件的擠壓過程模擬155

6.3 基于Deform軟件的軋制過程模擬165

6.3.1 單板單道次同步軋制過程的有限元模擬166

6.3.2 單板單道次異步軋制過程的有限元模擬172

6.3.3 單板多道次軋制過程的有限元模擬173

6.3.4 多層板單道次軋制過程的有限元模擬174

6.4 基于Deform軟件的拉深過程模擬174

6.5 基于Deform軟件的沖裁過程模擬177

6.6 基于Deform軟件的微觀組織模擬181

6.7 基于Deform軟件的熱處理模擬184

6.8 基于Deform軟件的模具磨損模擬188

參考文獻192" 2100433B