計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用-簡(jiǎn)答題

1、計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用材料科學(xué)：材料科學(xué)：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(duì)象的一門科學(xué)。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(duì)象的一門科學(xué)。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(xué)的四個(gè)要素材料科學(xué)的四個(gè)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(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域：1.

2、計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)2.材料科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)模擬材料科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)模擬3材料與工藝過材料與工藝過程的優(yōu)化及自動(dòng)控制程的優(yōu)化及自動(dòng)控制4計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)和圖像處理計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)和圖像處理5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在材料研究中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在材料研究中的應(yīng)用材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)是指通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論與設(shè)計(jì)來是指通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)最佳的制備和加工方法。新材料，按生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)最佳的制備和加工方法。主要是利用人工智能、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)模擬、知識(shí)庫和數(shù)主要是利用人工智能、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)模擬、知識(shí)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(xué)理論和大批雜亂的實(shí)驗(yàn)資料溝通起來使人們能將物理、化學(xué)理論和大批雜亂的實(shí)驗(yàn)資料溝通起來用歸納和演繹相結(jié)合的方式對(duì)新材用歸納和演繹相結(jié)合的方式對(duì)新材料的研制作出決策料的研制作出決策為材料設(shè)計(jì)

4、的實(shí)施提供行之有效的技術(shù)和方法。為材料設(shè)計(jì)的實(shí)施提供行之有效的技術(shù)和方法。計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)、提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料研究，是材料設(shè)計(jì)的有效方法之一。利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)、提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料研究，是材料設(shè)計(jì)的有效方法之一。材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)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(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)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(jì)算機(jī)模計(jì)算機(jī)模擬是一種根據(jù)實(shí)際體系在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。通過將模擬結(jié)果與實(shí)際體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較擬是一種根據(jù)實(shí)際體系在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。通過將模擬結(jié)果與實(shí)際體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以檢可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性也可以檢驗(yàn)出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡(jiǎn)化近似是否成功也可以檢驗(yàn)出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡(jiǎn)化近似是否成功還可為現(xiàn)實(shí)模型和實(shí)驗(yàn)室中無法還可為現(xiàn)實(shí)模型和實(shí)驗(yàn)室中無法實(shí)現(xiàn)的探索模型做詳細(xì)的預(yù)測(cè)并提供方法。實(shí)現(xiàn)的探

6、索模型做詳細(xì)的預(yù)測(cè)并提供方法。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：在某些情況下，計(jì)算機(jī)模擬可以部分地代替實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于理論的發(fā)展也有重要的意義。在某些情況下，計(jì)算機(jī)模擬可以部分地代替實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于理論的發(fā)展也有重要的意義。1.簡(jiǎn)述建立數(shù)學(xué)模型的基本步驟。常用的數(shù)學(xué)模型建立有幾種方法。簡(jiǎn)述建立數(shù)學(xué)模型的基本步驟。常用的數(shù)學(xué)模型建立有幾種方法。答：答：建立數(shù)學(xué)模型的基本步驟：建立數(shù)學(xué)模型的基本步驟：⑴建模準(zhǔn)備⑴建模準(zhǔn)備——是確定建模課題的過程，就是要了

7、解問題的實(shí)際背景，明確建模的目的。深入生產(chǎn)和科研實(shí)際以及社會(huì)生活實(shí)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(shí)際背景和建模的目的，進(jìn)行建?；I劃。⑵建模假設(shè)建模假設(shè)——建模假設(shè)就是根據(jù)建模的目的對(duì)原型進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄蟆⒑?jiǎn)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(jiǎn)化掉那些非本質(zhì)的因素、使之?dāng)[脫原來的具體復(fù)雜形態(tài)，形成對(duì)建模有用的信息資源和前提條件。對(duì)原型的抽象、簡(jiǎn)化不是無條件的，必須按照假設(shè)的合理性原

8、則：①目的性原則；②真實(shí)性原則；③簡(jiǎn)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(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析建模假設(shè)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(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具和構(gòu)造模型的方法對(duì)其進(jìn)行表征，構(gòu)造出刻畫實(shí)際問題的模型。⑷模型求解⑷模型求解——構(gòu)造數(shù)學(xué)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(diǎn)，設(shè)計(jì)或選擇求解模型的數(shù)學(xué)方法和算法，然后編寫計(jì)算機(jī)程序或運(yùn)

9、用與算法相適應(yīng)的軟件包，并借助計(jì)算機(jī)完成對(duì)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(duì)建模求解的數(shù)字結(jié)果，或進(jìn)行穩(wěn)定性分析，或進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度分析，或進(jìn)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(shè)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(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化、預(yù)測(cè)等方面的分析和探討。⑹模型檢驗(yàn)⑹模型檢驗(yàn)——模型分析符合要求后，還必須回到客觀實(shí)際中去對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，看是否符合客觀實(shí)際，若不符

10、合，就修改或增減假設(shè)條件，重新建模，循環(huán)往復(fù)，不斷完善，直到獲得滿意的結(jié)果。⑺模型應(yīng)用⑺模型應(yīng)用——模型應(yīng)用是數(shù)學(xué)建模的宗旨，也是對(duì)建模的最客觀、最公正的檢驗(yàn)。一個(gè)成功的數(shù)學(xué)建模，必須根據(jù)建模的目的，將其用于分析、研究和解決實(shí)際問題，充分發(fā)揮數(shù)學(xué)建模在生產(chǎn)和科研中的特殊作用。常用的數(shù)學(xué)建模方法：常用的數(shù)學(xué)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(xué)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(jiǎn)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(shí)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(gè)連續(xù)體人為的分割成有限個(gè)單元，即把一個(gè)結(jié)構(gòu)看成由若干通過結(jié)點(diǎn)相連的單元組成的整體，先進(jìn)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(xué)的角度來看，有限元法是將一個(gè)偏微分方程化成一個(gè)代數(shù)方程組，利用計(jì)算機(jī)求解。由于有限元法是采用矩陣算法，借助計(jì)算機(jī)這個(gè)工具可以快速的算出結(jié)果。6..請(qǐng)簡(jiǎn)述有限元法的數(shù)學(xué)思想和解題目步驟。請(qǐng)簡(jiǎn)述有限元法的數(shù)學(xué)思想和解題目步驟。答：有限元法的數(shù)學(xué)思想：把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用變分原理和加權(quán)余量法等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)解得節(jié)點(diǎn)值，進(jìn)而得到整個(gè)集合體的場(chǎng)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(shè)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(diǎn)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(gè)階段有限元分析過程可以分為以下三個(gè)階段：1）.建模階段建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀和實(shí)際工況條件建立有限元分析的計(jì)算模型——有限元模型，從而為有限元數(shù)值計(jì)算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務(wù)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(hào)順序以及模型邊界條件的定義等。2）.計(jì)算階段計(jì)算階段的任務(wù)是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計(jì)算。由于這一步運(yùn)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(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成。3）.后處理階段它的任務(wù)是對(duì)計(jì)算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對(duì)結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，并作為相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化，這是進(jìn)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(gè)有限分析過程的關(guān)鍵建立有限元模型是整個(gè)有限分析過程的關(guān)鍵?首先，有限元模型為計(jì)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(jì)算結(jié)果的精度；?其次，有限元模型的形式將對(duì)計(jì)算過程產(chǎn)生很大的影響，合理的模型既能保證計(jì)算結(jié)構(gòu)的精度，又不致使計(jì)算量太大和對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的要求太高；?再次，由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復(fù)雜性，要建立一個(gè)符合實(shí)際的有限元模型并非易事，它要考慮的綜合因素很多，對(duì)分析人員提出

16、了較高的要求；?最后，建模所花費(fèi)的時(shí)間在整個(gè)分析過程中占有相當(dāng)大的比重，約占整個(gè)分析時(shí)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(gè)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(diǎn)數(shù)據(jù)：包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、坐標(biāo)值等；?2.單元數(shù)據(jù)：a.單元編號(hào)和組成單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；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(jìn)行有限元分析之前，首先應(yīng)對(duì)結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進(jìn)行仔細(xì)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?？偟膩碚f，要定義一個(gè)有限元分析問題時(shí)，應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：a.結(jié)構(gòu)類型；b