计算机在材料科学中的应用 - 简答题

计算机在材料科学中的应用

材料科学：以材料的组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学。这也是材料研究者的共同使命。材料科学的四个要素包括：成分、组织、性能、合成/制备。

计算机在材料科学中的应用领域：1.计算机用于新材料的设计2.材料科学研究中的计算机模拟3 材料与工艺过程的优化及自动控制4 计算机用于数据和图像处理 5 计算机网络在材料研究中的应用

材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和加工方法。主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术, 使人们能将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来, 用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策, 为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。 计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较, 可以检验模型的准确性, 也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

优点：在某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验。计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义。 1.简述建立数学模型的基本步骤。常用的数学模型建立有几种方法。

答：建立数学模型的基本步骤：⑴建模准备——是确定建模课题的过程，就是要了解问题的实际背景，明确建模的目的。深入生产和科研实际以及社会生活实际，掌握与课题有关的第一手资料，汇集与课题有关的信息和数据，弄清问题的实际背景和建模的目的，进行建模筹划。

⑵建模假设——建模假设就是根据建模的目的对原型进行适当的抽象、简化，把那些反映问题本质属性的形态、量及其关系抽象出来，简化掉那些非本质的因素、使之摆脱原来的具体复杂形态，形成对建模有用的信息资源和前提条件。对原型的抽象、简化不是无条件的，必须按照假设的合理性原则：①目的性原则；②真实性原则；③简明性原则；④全面性原则。

⑶构造模型——在建模假设的基础上，进一步分析建模假设的内容，首先区分常量、变量、已知量、未知量，然后查明各种量所处的地位、作用和他们之间的关系，选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征，构造出刻画实际问题的模型。

⑷模型求解——构造数学模型之后，根据已知条件和数据，分析模型的特征和模型的结构特点，设计或选择求解模型的数学方法和算法，然后编写计算机程序或运用与算法相适应的软件包，并借助计算机完成对模型的求解。

⑸模型分析——根据建模的目的要求，对建模求解的数字结果，或进行稳定性分析，或进行系统参数的灵敏度分析，或进行误差分析等。通过分析，如果不符合要求就修改或增减建模假设条件，重新建模，直到符合要求。如果通过分析符合要求，还可以对模型进行评价、优化、预测等方面的分析和探讨。

⑹模型检验——模型分析符合要求后，还必须回到客观实际中去对模型进行检验，看是否符合客观实际，若不符合，就修改或增减假设条件，重新建模，循环往复，不断完善，直到获得满意的结果。

⑺模型应用——模型应用是数学建模的宗旨，也是对建模的最客观、最公正的检验。一个成功的数学建模，必须根据建模的目的，将其用于分析、研究和解决实际问题，充分发挥数学建模在生产和科研中的特殊作用。

常用的数学建模方法：（1）理论分析法。（2）模拟方法。（3）类比分析法。（4）数据分析法。 2、最小二乘法的原理。(求系统回归方程的方法)。

解：最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

求一条通过或接近一组数据点的曲线，这一过程叫数据拟合，而表示曲线的数学式称为回归方程。求系统回归方程的一般方法如下：

设有一未知系统，以测得该系统有 n个输入-输出数据点为 (xi , yi) i=1,2,?，n 现寻求其函数关系

y=f(x)或F(x,y)=0

无论x,y为什么函数关系，假设用以多项式 y^=b0 +b1 x+b2 x2+?bm xm

作为对输出(观测量)y的估计（用y^表示）。若能确定其阶数及系数b0 、b1 、b2 ?，bm，所得到的就是回归方程——数学建模。各项系数即回归系数。

当输入为xi，输出为yi时，多项式拟合曲线相应于 的估计值为

yi^=b0 +b1 xi+b2 xi2+?bm xim i=1, 2, ?,n

现在要使多项式估计与观测值 的差的平方和

2

Q=∑（yi^-yi）

为最小，这就是最小二乘法，令 ΔQ/Δbj=0 j=1, 2, ?,m 得到下列正规方程组

2m

ΔQ/Δb1=2∑(b0 +b1 xi+b2 xi+?bm xi - yi) xi =0

2m

ΔQ/Δb2= 2∑(b0 +b1 xi+b2 xi+?bm xi - yi) xi2=0 ┆

2m

ΔQ/ΔbM= 2∑(b0 +b1 xi+b2 xi+?bm xi - yi) xim =0

一般数据点个数n大于多项式阶数m，m取决于残差的大小，这样，从上式可求出回归系数b0，b1，?bm，从而建立回归方程数据模型。

3.请简述差分法的数学思想和解题目步骤。 答：差分法的数学思想：将求解域划分为差分网络，用有限网格节点代替连续的求解域。有限差分法通过Taylor技术展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行疏散，从而建立以网格节点上的值为未知数的方程组。

有限差分法的主要解题步骤：（1）建立微分方程。（2）构建差分格式。（3）求解差分方程。（4）精度分析和检验。

4有限元分析的基本原理。

答：一 、是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点；

二 、根据几何机构离散思想而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；

三 、建立用于求解节点未知量的有限元方程组，再将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。

四、 求解得到节点值，再通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。然后对每个单元选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。

五、 单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，

再用与模型相关公式，计算出各单元上产生的微小变化，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。 5.有限元基本思想 ? 有限单元法的基本思想就是把一个连续体人为的分割成有限个单元，即把一个结构看成由若干通过结点

相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构。这种先化整为

零、再积零为整的方法就叫有限元法。从数学的角度来看，有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组，利用计算机求解。由于有限元法是采用矩阵算法，借助计算机这个工具可以快速的算出结果。

6..请简述有限元法的数学思想和解题目步骤。

答：有限元法的数学思想：把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，运用变分原理和加权余量法等数学基础解得节点值，进而得到整个集合体的场函数。

有限元法的解题步骤:（1）建立求解域并将其离散化为有限单元。（2）假设代表单元解的近似连续函数。（3）建立单元方程。（4）构造单元整体刚度矩阵。（5）施加边界条件，初始条件和荷载。（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果及其他重要信息。 7.有限元分析过程可以分为以下三个阶段： 1）.建模阶段 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。

有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。

2）.计算阶段 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。

3）.后处理阶段 它的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是进行结构有限元分析的目的所在。 8.建立有限元模型是整个有限分析过程的关键 ? ? 首先，有限元模型为计算提供所有原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；

? 其次，有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型既能保证计算结构的精度，又不致

使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；

? 再次，由于结构形状和工况条件的复杂性，要建立一个符合实际的有限元模型并非易事，它要考虑的综

合因素很多，对分析人员提出了较高的要求；

? 最后，建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重，约占整个分析时间的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缩短整个分析周期的关键。

9.模型中一般包括以下三类数据：

? 1.节点数据 ：包括每个节点的编号、坐标值等；

? 2.单元数据：a.单元编号和组成单元的节点编号；b.单元材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等；c.

单元物理特征值，如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d.一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等；e.相关几何数据

? 3.边界条件数据：a.位移约束数据；b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据. 10.建立有限元模型的一般过程： 1.分析问题定义

在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。总的来说，要定义一个有限元分析问题时，应明确以下几点：a.结构类型；b.分析类型；c.分析内容；d.计算精度要求；e.模型规模；f.计算数据的大致规律 2.几何模型建立 几何模型是从结构实际形状中抽象出来的，并不是完全照搬结构的实际形状，而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理，以适应有限元分析的特点。 3.单元类型选择 划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元，包括单元的形状和阶次。单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑。 4.单元特性定义

有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外，还应具备一组计算所需的内部特征参数，这些参数用来定义结构材料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等.

5.网格划分

网格划分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来。目前广泛采用自动或半自动网格划分方法，如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方法就是自动划分方法。 6.模型检查和处理 一般来说，用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还不能立即应用于分析。由于结构和网格生成过程的复杂性，划分出来的网格或多或少存在一些问题，如网格形状较差，单元和节点编号顺序不合理等，这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间。 7.边界条件定义 在对结构进行网格划分后称为离散模型，它还不是有限元模型，只有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后，网格模型才能成为完整的有限元模型。 11..Ansys主要功能

? 1. 结构分析；2. 高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）；3. 热分析 ；4. 电磁分析 ；5. 流

体动力学分析；6. 声学分析；7. 压电分析； 8. 多场耦合分析； 9. 优化设计及设计灵敏度分析； 10.二次开发功能；11. ANSYS土木工程专用包。

.12.Ansys典型分析过程：

1. 准备工作： 1）清空数据库并开始一个新分析2）指定新的工作文件名（Jobname）3）指定新标题（Title） 4）指定新的工作目录（Working Directory）。 2.前置处理——创建有限元模型： 1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性）；2）创建或读入几何实体模型；3）划分单元获得网络模型（节点及单元）：4）模型检查，存储模型。 3.计算求解——施加载荷进行求解：

1）选择分析类型并设置分析选型；2）定义载荷及载荷步选项；3）求解 solve。 4.后置处理：1）查看分析结果2）检验结果。 13.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。简述蒙特卡洛法的基本步骤。答：用特卡洛法可以解决一些具体问题，如研究高能离子在材料中的输运、晶粒生长过程、薄膜材料的外延生长、气象沉积、复合材料的失效破坏等。

蒙特卡洛法的基本步骤：（1）构建概率模型。（2）随机抽样。（3）估计统计量。 14.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。

答：Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；求解模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图形，图表，曲线形式显示或输出。

15.简述数据库的构成和主要特征。

答：数据库系统至少包含以下三部分：1).数据库：结构化的相关数据的集合，有数据间的关联性。 2).物理存储器：存储数据的介质，如光盘、磁盘、磁带等。

3).数据库软件：负责对数据库管理和维护的软件，其核心是DBMS。

16.数据库系统管理数据具有下列特征：1).数据共享：多用户同时使用全部或部分数据。2).数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构。3).减少数据冗余：数据集中管理，统一组织、定义和存储。4).数据的结构化：数据的相互关联和记录类型的相互关联。5).统一的数据保护功能：并发控制的问题，加强了对数据的保护。

17.用PC-PDF检索系统分析PVD涂层的XRD谱线 （1） PC-PDF检索系统 （2）使用方法（分析过程）

PVD涂层：高速钢TiN多弧离子镀PVD涂层。沉积工艺为：预抽真空20min，预轰击清洗15min，离子镀沉积30min后冷却出炉。涂层厚度约2～3μm，可以初步判断XRD图谱为基体的衍射峰和涂层的衍射峰的叠加。 1）根据相图，确定稳定相，估计非平衡相：

根据Fe-Ti相图，稳定化合物只有TiFe和TiFe2两种，分析得出优先形成TiFe。根据Ti-N相图，在PVD的温度下可能形成的稳定相有α-Ti、Ti2N及TiN，除此外，还可能出现非平衡相。 2）检索：

采用布尔（Boolean）检索法对仅形成Ti-N和Fe-Ti化合物进行检索，检索出12张PDF卡片。

选择编号就可得到相应的PDF卡片（在每个记录中存入的主要内容有： 序号、PDF卡片号、物相名、该物相所含的元素名、晶体结构参数、衍射靶参 数、晶面间距值、相对强度值、晶面指数等。）。

结合该PVD工艺条件和PDF卡片对试样的X衍射图谱进行对照分析，得出该涂层表面主要有TiN、 Ti2N 、TiN0.26、FeTi相。 3）分析：

X射线衍射物相定性计算机分析系统。

有了PDF卡片检索数据库，结合相分析软件可在获得 X射线衍射谱后，利用数据库来对照分析，迅速准确对物相进行分析。

Philips 公司为此开发出了 PC-IDENTIFY X衍射图谱计算机分析系统，该分析系统将各衍射降的值与各个可能存在物相的 d 值逐个进行比较，最终输出分析结果。该分桥系统为 X衍射仪的一部分，能迅速对物相进行分析。

18.举例说明材料数据库应用的实例。

答：材料数据库应用的实例（1）计算机选材系统。选材系统可以查询材料基本信息、加工应用和商业信息。（2）合金相图数据库系统。合金相图数据库系统可以方便查询到合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。（3）数据库用于材料热处理工艺设计。在热处理工艺数据库的基础上，开发了CAPP，使工艺设计中的工艺参数选择、保温时间的计算、零件图形的绘制等工作均由计算机来自动完成。（4）数据库在材料物相分析中的应用。该数据库可以方便的检索物相、计算物相质量分数等。 19.完整的专家系统由六个组成部分（的功能）：

1）知识库：用于存放领域专家提供的专门知识，它有知识的数量和质量之分，要选择合适的知识表达方式和数据结构、把专家的知识形式化并存入知识库中。

2）工作数据库：包含问题的有关初始数据和求解过程的中间信息组成。

3）推理机：它要解决如何选择和使用知识库中的知识，并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解。 4）知识获取机制：实现专家系统的自我学习，在系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩大现有系统功能。 5）解释机制：专家系统在通用户的交互过程中，回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题。 6）人机接口：实现系统与用户之间的双向信息转换，即系统将用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式，或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式。 20.将专家系统分为下列几类：

1）解释专家系统：通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的含义，如图像分析、化学结构分析和信号解释等。

2）预测专家系统：通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况，如天气预报、人口预测、经济预测、军事预测。

3）诊断专家系统：根据观察到的情况来推断某个对象机能失常（即故障）的原因，如医疗诊断、软件故障诊断、材料失效诊断等。

4）设计专家系统：工具设计要求，秋初满足设计问题约束的目标配置，如电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等。

5）规划专家系统：找出能够达到给定目标的动作序列或步骤，如机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案等。

6）监视专家系统：对系统、对象或过程的行为进行进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以便发现异常情况，发出警报，如核电站的安全监视等。 7）控制专家系统：自适应地管理一个受控对象的全面行为，使之满足预期的要求，如空中交通管制、商业管理、

作战管理、自主机器人控制、生产过程控制等。

21.实现\材料设计\的主要原因（基本条件）有以下三点：

（1）基础理论（物理和化学，特别是固体理论、量子化学和化学键理论）的完善和发展；

（2）计算机信息处理技术（特别是人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等）的建立和发展； （3）先进的材料生产和制备技术的发展：采用如急冷（Splat Cooling）、分子束外延（MBD）、有机金属化合物气相沉积、离子注入、微重力制备等。

1、人工神经网络的特点和优越性表现在哪几个方面？ （1）具有自学习功能。（2）具有联想存储功能。（3）具有高速寻找优化解的能力。

2、数据库数据主要特征包括（1）数据共享（2）数据独立性（3）减少数据冗余（4）数据的结构化（5）统一的数据保护功能。

4、简述专家系统的工作过程：

专家系统的工作过程大致描述为：系统根据用户提出的目标以综合数据库为出发点，在控制策略的指导下，由推理机运用知识库中的有关知识，通过不断的探索推理以实现求解的目标，因此，知识库与推理机是专家系统的核心部分，专家系统的工作过程是以知识为基础、对目标问题进行求解的过程是一个搜索过程。 6、什么是人工神经网络，并画出经典人工神经网络连接形式？

人工神经网络是一种信息处理技术，力图模拟人类处理问题方式去理解＆利用信息。人工神经网络既可以解决定性问题，又可以解决用于直接解决定量问题，具有较好的可靠性。擅长处理复杂的多元非线性问题；具有自学能力，能从已有的实验数据中自动总结规律。

7、人工神经网络的结构形式有那些，并画出结构示意图？ （1）前馈式网络

（2）输入输出有反馈的前馈网络 （3）前馈内层互联网络 （4）反馈型全互联网络 （5）反馈型局部连接网络

8、人工神经网络有那些类型？

（1）解释专家系统（2）预测专家系统（3）诊断专家系统（4）设计专家系统（5）规划专家系统（6）监视专家系统（7）控制专家系统 9、什么是数据库管理系统？

数据库管理系统（简称DBMS）是一组通用的程序，对数据库中数据的各种操作提供一种共用的方法，接受并完成用户提出的访问数据库的各种请求，负责数据库的建立、操纵、管理＆维护。其任务就是在保证数据安全、可靠的同时，提高数据应用时的简明性＆方便性。数据库又可分为层次型、网络型和关系型三种。 10在计算机控制系统中，什么是可靠性？衡量可靠性的指标是什么？

可靠性:是指计算机控制系统能够无故障运行的能力，具体衡量可靠性的指标是“平均故障时间”。发生故障的间隔时间越长，则系统的可靠性就越高。

11、在计算机工业控制系统中，硬件系统的五大组成部分是什么？ 微型计算机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和被控工业对象 12、在计算机控制系统中，什么是可维护性？

可维护性：是指日常进行维护时的方便程度，并在发生故障时能尽量缩短故障时间。 13、什么是传感器？

传感器是信息获取过程中的一个环节，是将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或控制的模拟信号的器件，由敏感元件和部分测量电路组成。

14、举出至少五个可以通过教育网进行检索的全文数据库。.

中国知识资源总库；2）万方数据库；3）维普资讯中文期刊库；4）超星电子图书；5）ACS期刊(美国化学学会)；6）ScienceDirect；7）Springer-Link全文期刊；7）EBSCO(欧美期刊全文)。

22.人工神经网络与材料工艺优化 ：材料在加工处理过程中，对最终性能的影响因素较多，关系较复杂，难以建立明确的数学模型；采用人工神经网络优化加工工艺能取得良好的效果。

例：用人工神经网络方法优化7175铝合金工艺：将变形量、固溶时间和时效时间作为网络输入、合金抗拉强度和屈服强度作为输出，建立3× 6 × 2的三层BP网络，用遗传算法对训练好的网络进行优化，得到了7175铝合金在170℃时效处理的最优工艺为：冷变形85.1％+480℃/133min固溶+170℃/10h时效。 23.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法。

答：多尺度材料设计的层次从广义来说，可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：（1）微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计；（2）连续模型层次，典型尺度在约1um量级，这时材料被看成连续介质；（3）工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。

所涉及的计算模拟方法分别为：量子化学第一性原子计算，分子动力学模拟，蒙特卡洛模拟，相图计算技术，相场模拟，有限元分析和概率断裂力学方法。 24.分析电子显微方法：

1.电子能量损失谱法（EELS）：这种方法是分析电子显微方法中重要的技术之一，对轻元素的分析特别有效，还可以对材料的微区组成进行定量分析。 2.X射线能谱法（EDS）：它也是分析电子显微方法中的成熟的基本技术，利用电子扫描观察装置，使电子束在待测试样上作二维扫描，测量其特征X射线的强度，从而得到特征X射线强度的二维分布图像，这种观察称为元素的面分布分析方法，所以对测量元素的二维分布极为有效。 3.高角度散色暗场法（STEM），即Z衬度法：这是扫描透射电子显微方法应用之一。

上述的各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统的控制下进行工作，而计算机控制系统都配备了不同的设备控制、数据处理分析软件，且功能强大，对检测结果的分析精度和详尽程度是人工无法比拟的。 25.计算机材料缺陷评定系统软件构成 ：

1）图像采集及存储模块：用于实现参数定义、采集及存储 图像。用此模块，计算机控制投影仪、显微镜、摄像机、采集和实时显示欲分析的材料图像，并以文件形式存储该图像备案。

2）图像预处理模块：主要用于图像增强。此模块主要包括：图像数字化、消噪处理、图像增强、锐化处理、二值化等计算机图像技术处 理，以改善缺陷的图像质量。

3）特征提取模块：用于针对缺陷的特征，提取被采集部位的图像的缺陷信息，采用合适的识别准则判定缺陷的类型、位置等，列出缺陷的主要特征参数表格。

4）分析模块：主要用于列出各种缺陷分布情况结果，负责数据存储并评定级别。 26. 万能材料试验机的计算机辅助测试系统CAT （1）系统工作原理及主要装置检测控制

采用特殊的PWM数控电液比例微小流量阀：即可实现缓慢或微小的位移控制，又能实现一定速度的试验过程控制；既能作应力控制，也能作应变控制，还能作二者复合控制，且其控制范围相当宽。

由计算机、 PWM流量阀和直接驱动流量阀的多功能板卡构成材料试验机的PWM数字伺服系统，使材料试验机的控制精度、控制稳定性、控制范围和软件设汁的难易程度都 有较大的改善。 （2）系统软件的组成

多层菜单形式 —— 有试验参数设定、数据采集、数据处理和试验结果输出等子菜单；

实时软件滤波程序 —— 在采样过程中运行实时软件滤波程序，消除试验过程中随机干扰信号和周期性高频信号的影响；

标定传感器 ——得到多功能板各A／D通道的采样数据与相应各物理量之间的 转换关系。从而把多功能板卡各A／D通道中采样数据转换成各物理量实际值。 （3）主要实现功能 ：主要力学性能指标的测量：

试验过程的控制：在试验过程中可实时跟踪计时，把变形值、力值、应 力速率、应变速率等均显现在屏幕上，可根据标准和要求很容易地对应力速率、 应变速率进行控制。

模拟再现试验过程：试验过程数据自动存入对应文件，试验后可以在屏幕上模拟再现试验过程，其中包括变形值、力值、应力速度、应变速度等变化； 这有助于分析试验过程中的受力状况。

试验曲线的计算：无论在试验过程中，还是在试验后， 以数据文件的方式调出的试验曲线都可以进行某些指标值的计算。

试验报表功能：可以根据标准和要求设计试验报表格式，能够把试验数据输入到设计好的试验报表中；还可以根据标难和要求，很方便地打印出试验报告单。

数据管理功能:利用计算机的数据管理能力，还具有数据查询、数据统计功能。 27..简述origin软件的主要功能。答：Origin软件具有三大主要功能：（1）Origin的数据分析和数理统计功能。（2）Origin的图表功能。（3）Origin的绘图功能。 28.Origin主要功能：

1、将实验数据自动画成在二维坐标中的图形，有利于对实验趋势的判断；

2、在同一幅图中可以画上多条实验曲线，有利对不同的实验数据进行比较研究； 3、不同的实验曲线可以选择不同的线型，并且可将实验点用不同的符号表示； 4、可对坐标轴名称进行命名，并可进行字体大小及型号的选择；

5、可将实验数据进行各种不同的回归计算，自动打印出回归方程及各种偏差； 6、可将生成的图形以多种形式保存．以便在其他文件中应用； 7、可使用多个坐标轴，并可对坐标轴位置、大小进行自由选择。 29.在同一张图上绘制多条线

? 方法1：在数据表中同时选定多列数据，然后点击相应的图形工具。

? 方法2：先选定图形，打开绘图对话框Select Columns Plotting 对话框，进行X、Y等数据的设定。 ? 方法3：在已有的图上添加曲线。 30绘制双Y轴图形

? 方法1：在数据表中同时选定绘图所需数据，然后点击双横纵坐标图形工具。 ? 方法2：在单坐标图上通过加层（Layer）的方法添加横坐标和（或）纵坐标。 31.工作表简介

? 工作表由垂直的列和水平的行组成； ? 列与行的交叉处称为单元格；

? 每个单元格内可包含数、文本、日期、时间等； ? 一个Origin项目中可以包含多个工作表；

cut(剪切)、copy(复制)、paste(粘贴)和undo(撤消)命令；Clear/ Delete/ Insert,清除、删除、插入；Clear相当于按下键盘上的Delete键,只删除据,而不删除单元格;Delete同时删除了单元格。 32.几种图像二值化的方法： 1.通过“阈值”的设置进行图像二值化：

当图像的目标粒子与背景的灰度相差比较大时，可以直接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现二值化。 操作过程

2.通过“魔棒”工具进行图像二值化：

如果图像目标粒子和背景的灰度差别不大，用阈值调整无法有效分离目标粒子，无论将阈值色阶设在高阶还是低阶,目标粒子总是与背景混杂在 一起，难以有效分离。然而观察图像发现，目标粒子自身形成的区域灰度差别很小。此时可用“魔棒”这一工具将目标粒子有效分离出来。 操作过程

3.通过“多边形套索”工具进行图像二值化： 当所处理的图像灰度分布十分复杂时，则不能用上述两种方法进行二值化工 作。此时多边形套索是最有效的工作。

操作过程：

用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）”工具，这栏有Lasso、Polygon Lasso （多边形套索）和Magnetic Lasso （磁性套索）三个工具。

如果粒子和背景灰度差别比较大，可以选择使用磁性套索。

建议使用多边形套索，用鼠标沿目标粒子边界拉动并不断点击左键．则会选择出目标粒子。 （1）选择目标粒子；（2）多个目标粒子的选择（标记）方法：填充（也可用前面介绍的“Shift”方式）。 33..以任一相图计算软件为例，说明该软件系统的组成和主要功能。

答：Pandat是一款用于计算多元合金相图和热力学性能的软件包。可用于计算多种合金的标准平衡相图和热力学性能，用户也可使用自己的热力学数据库进行相图与热力学计算。 Pandat软件主要功能：（1）相图计算：二元、三元及多元平衡相图（等温截面、等值截面、用户自定义截面）。（2）点计算：固定成分和温度。（3）线计算：固定成分或固定温度或使温度和成分呈线性变化。（4）平面计算：

等温截面、等值截面和用户自定义截面等投影图。（5）液相线计算：可以自动计算出液相线（熔点）及一次析出相，并可画出等温线。（6）凝固计算：输出信息包括固相分数、密度、比热和焓等随温度变化的曲线，凝固模型包括杠杆原理模型和Scheil模型。

34.画出加热炉计算机控制系统的框图，并作简要的说明。

打印机 显示器 驱动器 计算机 I/O接口 A/D转换器 测温原件 D/A转换器 执行器 加热炉 加热炉温度计算机控制系统框图

炉温控制过程：首先测温元件将检测到的温度信号调制放大后通过A/D转换器转换为数字信号，然后，将这一数字信号通过I/O接口输入计算机。计算机在得到温度测量数字信号后，将其与温度设定值进行比较，得到偏差值，然后计算机按照设定的控制算法，得出温度控制量，再经I/O接口输出到D/A转换器转换为模拟信号，由执行机构去调节加热炉输入功率，使加热炉始终保持在温度设定值附近，保证加工工艺的实现。 35..根据计算机控制系统的原理，对热处理控制系统进行设计，并画出其框图。

用户→人机界面→[?信息输入模块；?方案推理及参数选择模块?方案及参数调整模块；4.绘图打印模块5.知识库管理模块6.系统管理模块]→[1.2.4.→动态数据库。2.5.→知识库]。

36.简述计算机在材料的成份检测中起到哪些作用。答：计算机在材料的成份检测中常用的方法是电子探针和光谱分析等。利用电子探针可以对样品进行定性分析和定量分析。定性分析是确定样品中有哪些元素，定量分析是确定该元素的含量。利用光谱分析可以鉴别物质和确定它的化学组成。 37.简单描述计算机在组织结构分析中的具体作用。

答：计算机在组织结构分析中的具体作用体现在（1）金相定量分析：计算机金相图像分析系统在自动检测方面有较高的测量精度。其测量速度快、重现性好，并且能够连接金相显微镜、扫描电镜和数码相机等外部设备，有丰富的图像编辑、增强变化和切割功能，可对特征物自动完成测量，所以图像分析系统在金相定量检测方面得到了广泛使用。金相图像分析系统可以对合金相和非金属夹杂物等进行定量测量，可以对合金组织进行评级和定量测量，还可以分析粉末冶金的粉末粒度等。

(2) 计算机仿真：在大量的材料显微组织检测的基础上，可实现对材料组织及其与性能之间关系的变化规律进行计算机仿真，通过计算机仿真建立材料的显微组织模型，又可用该显微组织模型推测材料的性能。采用计算机仿真模拟具有不同颗粒和基本组织参数的颗粒增强复合材料显微组织具有明显的优势。

38.什么叫多尺度计算材料学？ 不同层次所采用的典型计算模拟方法上什么？ 计算材料学与实验材料学、材料理论研究的关系如何？ 计算材料学有什么重要意义？

（1）答：多尺度计算材料学：运用高性能计算机和功能强大的材料专业软件对材料科学与工程学科的基础要素及各要素之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上进行材料的成分和工艺设计，并预测其结构与性能已经成为可能，这就是所谓的材料设计与模拟。

（2）答：1，微观设计层次：空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计；2，连续模型层次：典型层次在约1um量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；3，工程设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。

（3）答：计算材料学与实验材料学、材料理论研究的关系是相互补充和相互促进。

（4）答：计算机辅助材料设计与模拟方法，一方面使我们加深了对材料科学与工程核心问题的理想；另一方面，又促进了材料科学与工程的研究开发向经济、高效和预见性的方向发展。

39.建模假设是建立数学模型过程中最关键的一步，1.请简要解释建模假设的概念；2.并根据材料科学研究中的数学模型建立的一般步骤，画出建模流程逻辑框图。

概念：根据建模的目的对原型进行适当的抽象、简化。把那些反映问题本质属性的形态、量及其关系抽象出来,

简化掉那些非本质的因素，使之摆脱原来的具体复杂形态，形成对建模有用的信息资源和前提条件

40.请总结出计算机在材料科学与工程中至少5个方面的典型应用。

1网络与资源的应用：强大的网络搜索引擎可以帮助用户快速而有效地获取相光信息 2.实验方案设计、模型与数据处理。如：正交试验设计与分析，数据回归分析）

3.计算机辅助材料设计与工艺模拟。如：多尺度材料设计与模拟，材料加工过程模拟仿真，ABINIT THERMO-CALC， ANSYS

4材料研究与生产过程中的自动检测与过程控制，这样不仅降低了操作人员劳动速度，显著地改善了产品质量，提高了加工精度，而且大幅提高了生产率。 5 .用于材料物相、微结构、物理、化学性质检测分析

6计算机在材料教育中发挥着越来越大的作用，使课堂教学形象生动，教、学效果和效率提高。

41.国际互连网已经成为各行业现代生产和生活中不可缺少的工具，在材料科学中的应用也日益广泛，如学术论文、论坛、数据库、高等院校、研究院所、商贸企业等的信息传递与展示。请你推荐你经常访问使用或较有特色的有关材料科学与工程的5个网站或网络工具，要求给出名称，并简要说明推荐理由。 1）中国材料研究学会：www.c-mrs.org.cn

该网站主要提供有关材料学的新闻信息、材料科学领域的会议信息、材料科学的前沿研究开发工作介绍、学会的各种出版物介绍、材料科学的科普知识介绍、材料科学论坛、以及材料研究学会会员管理。另外还有材料科学的相关链接和材料学会会刊的电子版在线阅读。 2）http://bbs.imaterials.org/

材料科学论坛，当前国内材料学界一个非常活跃的网站。除讨论当前材料学界的一些热点问题外，论坛还为用户提供了文献互助、前沿新闻、学术活动以及招聘信息等诸多颇具特色的内容。 3） http://scholar.google.com

可以帮助快速寻找学术资料，如专家评审文献、论文、书籍、预印本、摘要以及技术报告。 4） http://search.cnki.net/

它是全球最大的中文文献搜索引擎，包含很多杂志和论文，实时数据更新。 5） http://www.ctcms.nist.gov/

计算材料学中心，由美国国家标准与技术研究所（NIST）维护，提供了大量材料研究及计算机模拟技术相关的资料。

第三章 材料科学研究中的主要物理场的数值模拟 第一节 温度场的计算

各种材料的加工、成型过程中与加热、冷却等传热过程有着密切的联系，所以利用计算机解决传热问题是极为有力的。 一.导热方程

1).固体在稳态条件下的Fourier 导热方程

qx 是x 方向的热流密度(W/m2);λ是材料的热导率(W/m*K); 偏导数为x 方向上的温度梯度(K/m)，负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反。

2).三维状态时，瞬态温度场的场变量T在有方程：

ρ为材料密度(kg/m3), c为材料的比热容(J/kg.K),t为时间(s)，三个λ分别为沿x,y,z方向的导热率（W/m.K），Q=Q(x，y，z，t)是物体内部的热源密度(W/kg)。 这是一个热量平衡方程，即体元升温所需的热量应等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和。 若边界条件和内部热源密度Q不随时间变化则经过一定时间后物体内部各点的温度将达到平衡，即有三维稳态热传导方程：

此方程必须附加初始条件和边界条件(即定解条件)才能得到唯一解。 二.初始条件与边界条件 1.初始条件 T|t=0 =T0 或 T|t=0 = T0(x,y,z) 2.三类边界条件 物体表面或边界与周围环境的热交换通常有三种类情况，既有三类边界条件。 （1）第一类边界条件

已知物体边界上的温度分布函数 T|s =Tw 或 T|s = Tw(x,y,z,t) （2）第二类边界条件

已知物体边界上的热流密度

qs????Ts?qw?n 或

这实际上就是Fourier定律

（3）第三类边界条件（对流边界条件）

已知物体与其周围环境介质间的对流传热系数k和介质温度Tf

???Ts?k(T?Tf)?n k和Tf可以是已知的常数，也可是某种已知的分布函数，

当k取不同的值时，上述三类边界条件均可以统一用第三类边界条件式表达，以方便计算机编程计算。

三、平面温度场的有限差分求解 1、二维稳态导热问题的求解

四条边界有四种不同的边界条件：三类边界条件和绝热条件。 (1)划分网格 △x＝xi+1- xi ， △y＝yi+1- yi (2)建立差分方程

二维各向同性、无内热源的稳态热传导微分方程有

应用四个边界条件:

1）对流传热边界条件：x=0，0

4）给定温度边界条件：y=l2,0<=x<=l1，T=Tw

式中，λ为物体的热导率，k为物体边界与周围介质的对流传热系数，Tf为周围介质的温度，Tw为边界给定温度，qw为热流密度，设△x，△y为x，y方向的步长，用Ti,j 表示结点(i,j)处的温度，以差商代替微商，则有：

O函数是截断误差，代入并舍去误差，令△x=△y后则有

四个边界条件的差分格式（形式）如下： 1）对流传热边界条件： 2）热流边界条件： 3）绝热边界条件：

4）给定温度边界条件：Ti，j=Yw

这样一个差分方程加四个边界条件式共同构成方程组，从而通过求解得到结果。 3、简单算例

P68图3－6，已知所有边界点的温度且无内热源，利用稳态导热求解线性方程组。 四、有限元法求解 1、基本方程 试探函数：构造的函数，满足边界条件 加权余量法：用构造函数计算会有余量，则对余量的加权积分使其为零。 型函数Ni KT＝P（热传导矩阵*结点温度列阵＝温度载荷矩阵） 2、平面温度场有限元法求解

(1)单元划分：平面三结点三角形单元 三角形的每个顶点称为结点，按逆时针方向对3个结点进行编号i,j,m。

(2)试探函数：在单元中寻找满足单元的近似函数很方便，也就将试探函数称为插值函数，可以假设每个单元上的温度分布T是坐标的线性函数，有：T＝a1+a2x+a3y，式中a1，a2，a3为待定系数。它满足在三个结点上为相应结点的温度值，代入得到：T＝NiTi+ NjTj+ NmTm

其中：Nk＝(ak+bkx+cky)/(2A) (k=i,j,m) ，A是三角形的面积，Nk 称为型函数。 (3)单元积分计算 (4)单元总体合成 (5)求解 KT＝P 3、有限元分析实例

工业烟囱壁中的温度分布情况

4、采用ANSYS程序计算潜水艇壳体的温度分布情况

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