《計算材料學(xué)》課程教學(xué)大綱

1、計算材料學(xué)ComputationalMaterialScience一、課程基本情況課程類別：專業(yè)任選課課程學(xué)分：2 學(xué)分課程總學(xué)時：32 學(xué)時，其中講課： 32 學(xué)時，實驗（含上機）： 0 學(xué)時，課外 0 學(xué)時課程性質(zhì)：選修開課學(xué)期：第6學(xué)期先修課程：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、計算機語言適用專業(yè)：材料物理專業(yè)教 材：D.羅伯編著，計算材料學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。開課單位：物理與光電工程學(xué)院材料物理系二、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)和任務(wù) 計算材料學(xué)是一門伴隨科學(xué)前沿發(fā)展而誕生的新興課程。隨著對材料的要求不斷提高，僅僅依靠實驗來進(jìn)行研究已難以滿足現(xiàn)代新材料設(shè)計和發(fā)展的要求。計算機模擬技術(shù)可

2、以根據(jù)有關(guān)的基本理論，通過模擬計算對材料開展跨尺度多結(jié)構(gòu)層次的研究。因此計算材料學(xué)已得到廣泛關(guān)注與認(rèn)可，正快速發(fā)展成為材料學(xué)中的一門主流專業(yè)課程。本課程涵蓋從電子、原子層面到應(yīng)用環(huán)境下材料的微觀、宏觀性能的計算模擬方法和各方法的相關(guān)理論基礎(chǔ)與應(yīng)用。本課程的目的是，使學(xué)生了解當(dāng)前計算材料學(xué)的主要方法及其應(yīng)用，掌握基本的計算模擬理念和方法；加深學(xué)生對材料“組織結(jié)構(gòu)性能”本構(gòu)關(guān)系的理解；激發(fā)并拓寬學(xué)生新的材料研究理念與思維模式；開闊思路，培養(yǎng)用物理、數(shù)學(xué)模型考慮研究對象的能力和習(xí)慣；使其充分了解材料計算和模擬既是理論和實驗方法的融合，又是對兩者的重要補充，是現(xiàn)代材料學(xué)不可或缺的新的研究方法。三、教學(xué)

3、內(nèi)容和要求第1章緒論（2學(xué)時）（1）了解計算材料學(xué)的發(fā)展概況（2）理解計算材料學(xué)的范圍與層次重點：計算材料學(xué)的發(fā)展概況、計算材料學(xué)的范圍與層次第2章分子動力學(xué)（6學(xué)時）2.1 分子動力學(xué)基礎(chǔ)（3學(xué)時）（1）了解分子動力學(xué)基本思想和原理（2）理解原子間相互作用勢模型（3）掌握原子系統(tǒng)的運動方程、邊界條件及其數(shù)值解法重點：原子間相互作用勢模型、原子系統(tǒng)的運動方程、運動方程的積分、邊界條件難點：運動方程的積分、邊界條件2.2 分子動力學(xué)軟件及應(yīng)用 （3學(xué)時）（1）了解LAMMPS軟件包及計算流程（2）理解基本統(tǒng)計力學(xué)原理及物理量的計算（3）掌握分子動力學(xué)方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用重點：分子動力學(xué)方法在材

4、料科學(xué)中的應(yīng)用。難點：統(tǒng)計力學(xué)原理及物理量的計算第3章 蒙特卡洛積分與模擬（6學(xué)時）3.1 蒙特卡洛基礎(chǔ)（4學(xué)時）（1）了解蒙特卡洛方法歷史 （2）理解蒙特卡洛方法的基本思想和自旋蒙特卡洛模型（3）掌握隨機數(shù)，抽樣方法以及蒙特卡洛方法的誤差重點：隨機數(shù)；蒙特卡洛積分；在材料科學(xué)中的應(yīng)用。難點：Metropolis蒙特卡洛方法；蒙特卡洛方法的誤差3.2 蒙特卡洛方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用（2學(xué)時）（1）了解蒙特卡洛方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用條件，適用范圍等（2）掌握基本蒙特卡洛方法的實現(xiàn)過程重點：蒙特卡洛法的應(yīng)用難點：蒙特卡洛方法的實現(xiàn)過程第4章 介觀尺度的模擬方法簡介（8學(xué)時）4.1相場法與相場晶體法

5、（4學(xué)時）（1）了解相場法與相場晶體法的歷史（2）理解平均場理論（3）掌握相場法與相場晶體法的應(yīng)用重點：相場法與相場晶體法模型難點：平均場理論4.2離散位錯法（2學(xué)時）（1）了解離散位錯法的歷史（2）理解離散位錯法思想及原理（3）掌握離散位錯法的應(yīng)用重點：離散位錯法原理，應(yīng)用難點：離散位錯法原理4.3元胞自動機法，波茨模型，拓?fù)渚W(wǎng)格和頂點模型（2學(xué)時）（1）了解各個方法的歷史及適用情況（2）理解各方法的原理重點：元胞自動機方法第5章 計算相圖 （4學(xué)時）5.1 計算相圖基礎(chǔ)（2學(xué)時）（1）了解計算相圖的概念（2）理解相圖計算的原理重點：相圖計算的原理與方法難點：相圖計算的原理與方法5.2 計算

6、相圖方法應(yīng)用（2學(xué)時）（1）了解計算相圖軟件（2）掌握相圖計算的方法重點：計算相圖方法難點：計算相圖方法第6章有限元方法 （4學(xué)時）6.1 有限元方法基礎(chǔ)（2學(xué)時）（1）了解有限元方法的歷史 （2）理解與掌握有限元方法的基本概念與理論基礎(chǔ)重點：有限元方法的基本概念與理論基礎(chǔ)難點：有限元方法的理論基礎(chǔ)6.2彈性力學(xué)平面問題的有限元法（2學(xué)時）（1）了解平面力學(xué)問題（2）掌握平面問題的有限元解法重點：彈性力學(xué)平面問題的有限元法難點：彈性力學(xué)平面問題的有限元法第7章 第一性原理計算 （2學(xué)時）（1）了解第一性原理計算的概念和方法（2）理解密度泛函理論和能帶與晶體性質(zhì)的計算重點：能帶與晶體性質(zhì)計算難點：密度泛函理論課程考核（1.）作業(yè)：4次（2.）考核方式：閉卷考試（3.）總評成績計算方式：采用百分制閉卷考試，占理論總成績的70%，教師根據(jù)學(xué)生理論教學(xué)的出勤情況