計算機在材料科學中的應用-簡答題

1、計算機在材料科學中的應用材料科學：材料科學：以材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系為研究對象的一門科學。以材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系為研究對象的一門科學。這也是材料研究者的共同使命。這也是材料研究者的共同使命。材料科學的四個要素材料科學的四個要素包括：成分、組織、性能、合成包括：成分、組織、性能、合成制備。制備。計算機在材料科學中的應用領(lǐng)域：計算機在材料科學中的應用領(lǐng)域：1.

2、計算機用于新材料的設計計算機用于新材料的設計2.材料科學研究中的計算機模擬材料科學研究中的計算機模擬3材料與工藝過材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制程的優(yōu)化及自動控制4計算機用于數(shù)據(jù)和圖像處理計算機用于數(shù)據(jù)和圖像處理5計算機網(wǎng)絡在材料研究中的應用計算機網(wǎng)絡在材料研究中的應用材料設計材料設計是指通過理論與計算預報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論與設計來是指通過理論與計算預報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論與設計來“訂做訂做”具有特

3、定性能的具有特定性能的新材料，按生產(chǎn)要求設計最佳的制備和加工方法。新材料，按生產(chǎn)要求設計最佳的制備和加工方法。主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數(shù)主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)據(jù)庫等技術(shù)使人們能將物理、化學理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來使人們能將物理、化學理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來用歸納和演繹相結(jié)合的方式對新材用歸納和演繹相結(jié)合的方式對新材料的研制作出決策料的研制作出決策為材料設計

4、的實施提供行之有效的技術(shù)和方法。為材料設計的實施提供行之有效的技術(shù)和方法。計算機模擬計算機模擬利用計算機對真實系統(tǒng)模擬實驗、提供模擬結(jié)果，指導新材料研究，是材料設計的有效方法之一。利用計算機對真實系統(tǒng)模擬實驗、提供模擬結(jié)果，指導新材料研究，是材料設計的有效方法之一。材料設計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能制備和使用等。材料設計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能制備和使用等

5、。計算機模計算機模擬是一種根據(jù)實際體系在計算機上進行的模擬實驗。通過將模擬結(jié)果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進行比較擬是一種根據(jù)實際體系在計算機上進行的模擬實驗。通過將模擬結(jié)果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進行比較可以檢可以檢驗模型的準確性驗模型的準確性也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功還可為現(xiàn)實模型和實驗室中無法還可為現(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型做詳細的預測并提供方法。實現(xiàn)的探

6、索模型做詳細的預測并提供方法。優(yōu)點：優(yōu)點：在某些情況下，計算機模擬可以部分地代替實驗。計算機模擬對于理論的發(fā)展也有重要的意義。在某些情況下，計算機模擬可以部分地代替實驗。計算機模擬對于理論的發(fā)展也有重要的意義。1.簡述建立數(shù)學模型的基本步驟。常用的數(shù)學模型建立有幾種方法。簡述建立數(shù)學模型的基本步驟。常用的數(shù)學模型建立有幾種方法。答：答：建立數(shù)學模型的基本步驟：建立數(shù)學模型的基本步驟：⑴建模準備⑴建模準備——是確定建模課題的過程，就是要了

7、解問題的實際背景，明確建模的目的。深入生產(chǎn)和科研實際以及社會生活實際，掌握與課題有關(guān)的第一手資料，匯集與課題有關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，弄清問題的實際背景和建模的目的，進行建?；I劃。⑵建模假設建模假設——建模假設就是根據(jù)建模的目的對原型進行適當?shù)某橄?、簡化，把那些反映問題本質(zhì)屬性的形態(tài)、量及其關(guān)系抽象出來，簡化掉那些非本質(zhì)的因素、使之擺脫原來的具體復雜形態(tài)，形成對建模有用的信息資源和前提條件。對原型的抽象、簡化不是無條件的，必須按照假設的合理性原

8、則：①目的性原則；②真實性原則；③簡明性原則；④全面性原則。⑶構(gòu)造模型⑶構(gòu)造模型——在建模假設的基礎上，進一步分析建模假設的內(nèi)容，首先區(qū)分常量、變量、已知量、未知量，然后查明各種量所處的地位、作用和他們之間的關(guān)系，選擇恰當?shù)臄?shù)學工具和構(gòu)造模型的方法對其進行表征，構(gòu)造出刻畫實際問題的模型。⑷模型求解⑷模型求解——構(gòu)造數(shù)學模型之后，根據(jù)已知條件和數(shù)據(jù)，分析模型的特征和模型的結(jié)構(gòu)特點，設計或選擇求解模型的數(shù)學方法和算法，然后編寫計算機程序或運

9、用與算法相適應的軟件包，并借助計算機完成對模型的求解。⑸模型分析⑸模型分析——根據(jù)建模的目的要求，對建模求解的數(shù)字結(jié)果，或進行穩(wěn)定性分析，或進行系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度分析，或進行誤差分析等。通過分析，如果不符合要求就修改或增減建模假設條件，重新建模，直到符合要求。如果通過分析符合要求，還可以對模型進行評價、優(yōu)化、預測等方面的分析和探討。⑹模型檢驗⑹模型檢驗——模型分析符合要求后，還必須回到客觀實際中去對模型進行檢驗，看是否符合客觀實際，若不符

10、合，就修改或增減假設條件，重新建模，循環(huán)往復，不斷完善，直到獲得滿意的結(jié)果。⑺模型應用⑺模型應用——模型應用是數(shù)學建模的宗旨，也是對建模的最客觀、最公正的檢驗。一個成功的數(shù)學建模，必須根據(jù)建模的目的，將其用于分析、研究和解決實際問題，充分發(fā)揮數(shù)學建模在生產(chǎn)和科研中的特殊作用。常用的數(shù)學建模方法：常用的數(shù)學建模方法：（1）理論分析法。（2）模擬方法。（3）類比分析法。（4）數(shù)據(jù)分析法。2、最小二乘法的原理。、最小二乘法的原理。(求系統(tǒng)回歸

11、方程的方法求系統(tǒng)回歸方程的方法)。解：最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為?有限單元法的基本思想就是把一個連續(xù)體人為的分割成有限個單元，即把一個結(jié)構(gòu)看成由若干通過結(jié)點相連的單元組成的整體，先進行單元分析，然后再把這些單元組合起來代表原來的結(jié)構(gòu)。這種先化整為零、再積零為整的方法就叫有限元法。從

12、數(shù)學的角度來看，有限元法是將一個偏微分方程化成一個代數(shù)方程組，利用計算機求解。由于有限元法是采用矩陣算法，借助計算機這個工具可以快速的算出結(jié)果。6..請簡述有限元法的數(shù)學思想和解題目步驟。請簡述有限元法的數(shù)學思想和解題目步驟。答：有限元法的數(shù)學思想：把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每個單元中設定有限個節(jié)點，運用變分原理和加權(quán)余量法等數(shù)學基礎解得節(jié)點值，進而得到整個集合體的場函數(shù)。有限元法的解題步驟:（1）建立求解域并將其離散化為有

13、限單元。（2）假設代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）建立單元方程。（4）構(gòu)造單元整體剛度矩陣。（5）施加邊界條件，初始條件和荷載。（6）求解線性或非線性的微分方程組，得到節(jié)點求解結(jié)果及其他重要信息。7.有限元分析過程可以分為以下三個階段有限元分析過程可以分為以下三個階段：1）.建模階段建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實際形狀和實際工況條件建立有限元分析的計算模型——有限元模型，從而為有限元數(shù)值計算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務是結(jié)構(gòu)離散，即劃

14、分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等。2）.計算階段計算階段的任務是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計算。由于這一步運算量非常大，所以這部分工作由有限元分析軟件控制并在計算機上自動完成。3）.后處理階段它的任務是對計算輸出的結(jié)果進行必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設計的合理性進行評估，并作為相應的改進或優(yōu)化，這是進行結(jié)構(gòu)

15、有限元分析的目的所在。8.建立有限元模型是整個有限分析過程的關(guān)鍵建立有限元模型是整個有限分析過程的關(guān)鍵?首先，有限元模型為計算提供所有原始數(shù)據(jù)，這些輸入數(shù)據(jù)的誤差將直接決定計算結(jié)果的精度；?其次，有限元模型的形式將對計算過程產(chǎn)生很大的影響，合理的模型既能保證計算結(jié)構(gòu)的精度，又不致使計算量太大和對計算機存儲容量的要求太高；?再次，由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復雜性，要建立一個符合實際的有限元模型并非易事，它要考慮的綜合因素很多，對分析人員提出

16、了較高的要求；?最后，建模所花費的時間在整個分析過程中占有相當大的比重，約占整個分析時間的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是縮短整個分析周期的關(guān)鍵。9.模型中一般包括以下三類數(shù)據(jù)：模型中一般包括以下三類數(shù)據(jù)：?1.節(jié)點數(shù)據(jù)：包括每個節(jié)點的編號、坐標值等；?2.單元數(shù)據(jù)：a.單元編號和組成單元的節(jié)點編號；b.單元材料特性，如彈性模量、泊松比、密度等；c.單元物理特征值，如彈簧單元的剛度系數(shù)、單元厚度、曲率半徑等；d

17、.一維單元的截面特征值，如截面面積、慣性矩等；e.相關(guān)幾何數(shù)據(jù)?3.邊界條件數(shù)據(jù)：a.位移約束數(shù)據(jù)；b.載荷條件數(shù)據(jù)；c.熱邊界條件數(shù)據(jù)；d.其他邊界數(shù)據(jù).10.建立有限元模型的一般過程：建立有限元模型的一般過程：1.分析問題定義分析問題定義在進行有限元分析之前，首先應對結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進行仔細分析，只有正確掌握了分析結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾何模型。總的來說，要定義一個有限元分析問題時，應明確以下幾點：a.結(jié)構(gòu)類型；b