计算机模拟在材料中的应用

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1、(学弟学妹福利，武科大，考试论文)（深藏功与名）计算机模拟在材料中的应用（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北武汉，430081）摘要：计算机模拟技术在材料设计领域中应用日益广泛，综述了计算机模拟在材料中的应用，介绍了材料科学中计算机模拟技术的意义、模拟方法与层次以及无机非金属材料研究的主要模拟技术，并综述了在金属、晶体和纳米材料3方面的应用。关键词：计算机模拟模拟方法与层次应用TheapplicationofcomputersimulationinmaterialsWuXiurong(Schoolofmaterialandmetallurgy,Wuhanuniversityofscien

2、ceandtechnologyWuhanHubei,430081)Abstract:Computersimulationtechnologyiswidelyappliedinthefieldofmaterialdesign,theapplicationofcomputersimulationinmaterialsarereviewedinthispaper,thesignificanceofcomputersimulationtechnologyinthematerialsscienceareintroduced,thesimulationmethodandhierarchicalin

3、organicnon-metallicmaterialsresearchandthemainsimulationtechnology,andinthemetal,crystal,andnanomaterialsarereviewedinthispaperthreeaspectsoftheapplication.Keywords:computersimulation,Simulationandlevel,application前言随着材料科学研究的不断深入和应用的日益广泛，使材料科学在工业生产中占有越来越重要的地位，对国民经济也起到了举足轻重的作用；使材料科学研究不仅在传统材料应用方面有

4、明显进步，而且在新材料研究方面也有巨大进展。计算机模拟是一种根据研究的实际体系，在计算机上进行的模型实验[1]，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。计算机模拟技术应用于材料科学领域，促进了材料科学的研究及生产领域的预测与控制，本文从计算机模拟的意义、模拟方法与层次以及无机非金属材料研究的主要模拟技术3方面对计算机模拟应用作了简要的综述。1计算机模拟材料计算与设计的意义1.1计算机模拟技术简介计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使

5、材料工艺从定性描述走向定量预测，为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算实验辅助阶段，对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔软、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成型设备工艺的必由之路，其发展趋势是多尺度模拟及集成。1.2计算机材料计算与设计的意义利用计算机进行新物质、新材料的性能预测与设计，首要的问题就是计算机模拟方法的灵活运用。所谓模拟方法，就是建立与某自然现象或过程相似的模型间接研究原有规律性的科学方法。计算机模拟是针对一个复杂真实系统或拟设计研制的系统，用计算机方法建立系统抽象的数学模型，然

6、后通过计算机程序实现这个模型。如果输入相关的参数或边界条件，就可以进行各类操作和模拟实验，从而研究该系统的特征和演化情况。计算机模拟作为科学研究的重要手段，已经被应用于多方面的学术研究，并取得了丰硕的成果。特别是在材料计算和设计中用试验方法观测单个原子、分子运动等无法实现的情况，计算机模拟具有重要意义。计算机模拟计算与设计的意义概括起来有以下几点：①将计算机模拟计算得出的结论与实验结果或理论计算值进行比较、验证，探讨问题的本质。②将实验中无法识别其因果关系的量分割为个别因素加以研究，寻找规律性的东西。③用来分析和解释实验或理论结果中不太清楚的机理或成因。④用于实验前预测新的现象和物性。

7、⑤预测实验中难以实现的极限条件或理想条件。2计算机模拟的基本方法与层次2.1计算机模拟方法计算机模拟一般从形成问题到最后模型确认须经过许多步骤。①形成问题，明确模拟的目的和要求。②尽可能收集和处理系统有关的数据。③形成数学模型，找出组成系统的各个部件，并描述它们在各时刻的状态的有关变量（一般包括输入变量、状态变量和输出变量）或参数；确定各部件之间相互作用和影响的规则，即这些描述变量之间的函数关系。选择参数和变量的时候，还须考虑它们能否辨识或求解