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本书采用较多的实例介绍了计算机在材料科学与工程中的应用以及相关软件的使用。主要内容有材料科学与工程中的数据处理方法、数值模拟基础及典型物理场的模拟方法,计算机辅助计算与设计,人工神经网络在材料科学与工程中的应用,材料数据库与专家系统,材料成型过程的计算机模拟等。
本书内容丰富实践性强,可作为高等学校材料科学与工程专业的本科生、硕士研究生的教材和教学参考资料,也可供相关科技人员或工程管理人员阅读参考。

第1章绪论1
1.1计算机技术的发展1
1.1.1计算机硬件技术的发展1
1.1.2计算机软件技术的发展2
1.1.3计算机网络技术的发展3
1.2材料科学与工程的基本概念与发展3
1.2.1材料科学与工程的基本概念3
1.2.2材料科学与工程的发展4
1.3计算机技术在材料科学与工程中的应用6
1.3.1计算机模拟在材料科学与工程中的应用7
1.3.2材料与工艺过程的优化及自动控制10
1.3.3材料数据库和材料设计10
1.3.4计算机辅助设计技术(CAD)在材料科学与工程
中的应用11
思考题与上机操作实验题11

第2章材料科学与工程研究中的数据处理12
2.1数据处理的基本理论12
2.1.1曲线拟合与*小二乘法12
2.1.2一元线性拟合12
2.1.3多元线性回归15
2.1.4可转化为一元线性回归的其他一元线性拟合18
2.2Origin软件在材料科学与工程中的数据处理应用21
2.2.10rigin软件参数介绍及基本操作2l
2.2.20rigin在材料科学与工程中的应用实例27
2.3Excel软件在材料科学与工程中的数据处理35
2.3.1计算功能352.3.2规划求解37
思考题与上机操作实验题38

第3章材料科学与工程研究中的数学模型及数值计算42
3.1数学模型的基本知识42
3.1.1数学模型的分类43
3.1.2数学建模的过程44
3.1.3数学模型的特点46
3.1.4数学模型的建立方法47
3.2材料科学与工程研究中的数学模型48
3.2.1理论分析法48
3.2.2模拟方法49
3.2.3类比分析法53
3.2.4数据分析法56
3.2.5利用计算机软件(Origin软件)建立数学模型56
3.3材料科学与工程中的数值计算方法61
3.3.1线性方程组的计算机计算62
3.3.2有限差分法求解63
3.3.3有限元法求解70
思考题与上机操作实验题82

第4章材料科学与工程中典型物理场的数值模拟83
4.1温度场的数学模型及求解83
4.1.1温度场的基本知识84
4.1.2温度场的数学模型86
4.1.3温度场的有限差分求解91
4.2应力场的数学模型及求解113
4.2.1应力场的基本理论与数学模型113
4.2.2基于ANsYS软件的应力场计算117
4.3浓度场的通用数学模型与计算120
4.3.1菲克**定律120
4.3.2菲克第二定律12l
4.3.3运用有限差分法求解渗碳浓度场121
4.3.4基于MATLAB的渗碳过程计算127
4.4铸件充型过程流场的通用数学模型130
思考题与上机操作实验题132

第5章材料科学与工程中的计算机辅助计算与设计技术135
5.1相图计算135
5.1.1相图计算的原理及计算方法135
5.1.2相图数据库与计算软件136
5.1.3Thermo-Cale软件在相图计算中的应用137
5.2材料设计理论及实践16l
5.2.1材料设计概论16l
5.2.2MaterialStudio软件及其在材料设计中的应用166
思考题与上机操作实验题172

第6章人工神经网络及Matlab语言在材料科学与工程中的应用173
6.1人工神经网络的基本知识173
6.1.1人工神经网络的理论基础173
6.1.2人工神经元模型和网络结构174
6.1.3误差反向传播神经网络模型175
6.2人工神经网络在材料科学与工程中的应用18l
6.2.1在材料设计和成分优化中的应用181
6.2.2在材料力学性能预测中的应用181
6.2.3在相变特性预报中的应用182
6.2.4人工神经网络用于材料的检测183
6.3Matlab的基本使用方法184
6.3.1Matlab的主要功能184
6.3.2基本操作184
6.3.3Matlab语言基础186
6.3.4Matlab程序设计初步187
6.4Matlab神经网络工具箱及其使用189
6.4.1概述189
6.4.2神经网络工具箱通用函数189
6.4.3BP网络的神经网络工具箱函数190
6.4.4BP网络的Matlab实现191
6.5应用举例:基于BP网络的镁合金.AZ6lB晶粒尺寸模型的构建及仿真191
6.5.1数据收集及整理191
6.5.2BP网络模型的设计192
6.5.3数据的预处理一192
6.5.4人工神经网络工具箱实现194
6.5.5M文件的方法求解20l
思考题与上机操作实验题205

第7章材料科学与工程中的数据库与专家系统应用206
7.1数据库在材料科学与工程中的应用206
7.1.1数据库的基本知识206
7.1.2材料数据库的发展208
7.1.3应用举例——基于Web的镁合金数据库的开发210
7.2专家系统在材料科学与工程中的应用214
7.2.1专家系统基本知识214
7.2.2材料科学与工程中专家系统的发展及应用215
7.2.3应用举例217
思考题与上机操作实验题221

第8章材料成形过程的计算机模拟222
8.1概述222
8.2塑料注塑成形过程模拟软件MoldFlow223
8.2.1MoldFlow软件介绍223
8.2.2MoldFlow软件操作步骤及分析实例226
8.3体积成形模拟软件I)eform230
8.3.1Deform模拟分析软件介绍230
8.3.2Deform软件操作步骤及应用实例232
8.4铸造成形过程模拟软件ProCAS237
8.4.1ProCAST简介238
8.4.2ProCAST的模拟过程242
8.4.3ProCAST软件应用实例242
思考题与上机操作实验题244

参考文献245
……

1.3.1计算机模拟在材料科学与工程中的应用
(1)材料固相冷却过程中的计算机模拟
该方面的工作**国内外主要集中在淬火冷却过程中的计算机模拟,模拟计算和分析的**是温度场和应力场,其表现形式还包括冷却转变曲线(CCT曲线和TTT曲线)的预测和绘制。
1)淬火过程的计算机模拟概况
淬火冷却的计算机模拟在世界各国备受关注,近年来涌现大量文献,其特点是研究淬火过程中工件内瞬态温度场、相变、机械效应以及它们之间的交互作用,预测淬火后工件内部的组织分布、性能分布、内应力和淬火畸变。为了较好地反映实际生产中诸多复杂因素,不同作者建立了相当复杂的数学模型。其中,三维有限元模型可以模拟形态复杂的零件(如带孔的凸缘、轮毂、螺旋齿轮等)的淬火过程,并给出直观的温度场、组织分布、应力场合畸变的三维图像;界面条件突变非线性化模型可用于模拟预冷淬火和间歇淬火等实际操作。
在应力和应变的模拟方面广泛应用热弹塑性理论和增量模型。Tinoue等人在整体加热淬火和感应加热淬火计算机模拟研究中,比较全面地考虑了热膨胀、相变的体积效应、塑性变形、硬化因子、蠕变和相变塑性等复杂因素,用循环迭代算法研究热-相变-应力应变之间的耦合,其模拟结果与实测值基本吻合,计算机模拟技术已在淬火和畸变的研究中发挥重要作用。
2)组织转变的动力学模拟
一般情况下,工件淬冷时既不是等温又不是等速连续冷却。解决实际热处理问题时,70年代初多用等速连续冷却CCT曲线作为依据,70年代末Hidenwall运用Scheil叠加法则成功地解决了以等温TTT曲线模拟的难题后,TTT曲线在组织模拟中迅速得到推广。
实践表明,计算中若不考虑应力对相变动力学的影响,计算值一般要比实测值偏小,不能准确反映出工件残余应力急剧变化的特征。 材料科学与工程是多学科交叉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,它已渗透到各门学科领域以及日常生活中成为现代化的标志。在材料科学与工程领域,计算机也正在逐渐成为极其重要的工具,计算机在材料科学与工程中的应用正是材料研究和开发飞速发展的重要原因之一。本书立足“材料科学与工程”一级学科,系统地介绍了计算机在材料科学与工程中的应用,使读者初步掌握如何在材料科学与工程的学习及研究中更好地利用计算机这一工具。本书的*大特点在于注重理论知识讲解的同时,结合计算机在材料科学与工程中的应用实例讲解来培养学生的实际动手能力和创新意识,同时介绍了较多的应用软件的使用方法,力求使读者尤其是初学者能较快地掌握应用的方法,并能迅速实践。
本书由重庆大学汤爱涛、重庆工学院胡红军和杨明波三位共同编写,博士生石宝东、刘彬同学参与了第5章和第6章部分编写工作,全书由汤爱涛统稿。
由于计算机技术发展日新月异,其在材料科学与工程中的应用发展也非常迅速,加之我们理论水平和实践经验都很不足,书中难免有出现错误和不妥的地方,恳请广大读者批评指正。