材料(計算)設(shè)計與方法

6.1材料計算設(shè)計概述主要內(nèi)容6.2材料設(shè)計的主要途徑與方法6.3數(shù)學(xué)方法在材料（計算）設(shè)計中的應(yīng)用第一頁，共58頁。數(shù)量冶金學(xué)計算金屬學(xué)合金設(shè)計計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬與模型化早期的名詞計算材料學(xué)材料設(shè)計學(xué)對于金屬來說，更多地采用“合金設(shè)計”第二頁，共58頁。材料設(shè)計定義材料設(shè)計是依據(jù)積累的經(jīng)驗，歸納的實驗規(guī)律和總結(jié)的科學(xué)原理制備預(yù)先確定目標(biāo)性能材料的科學(xué)。材料設(shè)計：按照科學(xué)原理制備預(yù)先確定目標(biāo)性能目標(biāo)的材料。該定義比較苛刻第三頁，共58頁。6.1材料計算設(shè)計概述材料設(shè)計的發(fā)展歷史任何一門科學(xué)的發(fā)展，在不同的歷史時期的內(nèi)涵是不同的，它決定于該時期社會的生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的水平，材料科學(xué)的發(fā)展也并不例外簡單復(fù)雜宏觀微觀表面本質(zhì)盲目理性偶然必然經(jīng)驗理論第四頁，共58頁。材料設(shè)計的發(fā)展階段經(jīng)驗設(shè)計階段科學(xué)組織設(shè)計階段相結(jié)構(gòu)設(shè)計階段原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計階段材料科學(xué)的發(fā)展依賴于實驗技術(shù)的發(fā)展和學(xué)科理論水平的提高材料科學(xué)理論和材料實驗是材料設(shè)計的基礎(chǔ)第五頁，共58頁。材料計算設(shè)計的主要標(biāo)志材料計算設(shè)計始于20世紀(jì)50年代末60年代初60年代初前蘇聯(lián)開展了關(guān)于合金設(shè)計及無機(jī)化合物的計算機(jī)計算預(yù)報；

70年代美國首次用計算設(shè)計方法開發(fā)了鎳基超合金；

80年代材料設(shè)計在理論和應(yīng)用上都取得了重大的進(jìn)展；

1985年東京大學(xué)三島良績《新材料開發(fā)和材料設(shè)計》出版；

1990年召開了以計算機(jī)輔助設(shè)計新材料開發(fā)為主題的會議；同時，ModellingandSimulationinMaterialsSci.&Eng.英

ComputationalMaterialsSci.荷出版；日本的大學(xué)材料院系開設(shè)了材料設(shè)計的有關(guān)課程ORNL，NIST，MIT，CMU在新材料設(shè)計方面作出重要貢獻(xiàn)第六頁，共58頁。第七頁，共58頁。第八頁，共58頁。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院第九頁，共58頁?？突仿〈髮W(xué)第十頁，共58頁。目前材料設(shè)計的特點（1）經(jīng)驗設(shè)計和科學(xué)設(shè)計并存與兼容（2）材料設(shè)計將逐漸綜合化（3）材料設(shè)計將逐步計算機(jī)化第十一頁，共58頁。材料設(shè)計范圍與層次材料涉及范圍包括材料的制備，材料的組織與性能，材料的使用原料材料試樣組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)特性可否評價否改變結(jié)構(gòu)制備觀測測試試用材料設(shè)計的范圍第十二頁，共58頁。材料設(shè)計主要工作相關(guān)圖材料設(shè)計實驗驗證數(shù)理模型實驗數(shù)據(jù)分析修正智能計算理論基礎(chǔ)第十三頁，共58頁。材料設(shè)計微觀層次設(shè)計宏觀層次設(shè)計介觀層次設(shè)計空間尺度約1nm數(shù)量級，是電子，原子，分子層次的設(shè)計典型尺度約1μm數(shù)量級，是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計尺度對應(yīng)于宏觀材料，是工程應(yīng)用層次的設(shè)計第十四頁，共58頁。各層次的研究關(guān)鍵發(fā)展出符合實際的解析與數(shù)理模型解決不同層次間計算方法的選擇與整合第十五頁，共58頁。材料設(shè)計的任務(wù)材料設(shè)計為國民經(jīng)濟(jì)和尖端技術(shù)服務(wù)從分層次到多層次進(jìn)行材料計算設(shè)計多學(xué)科的交叉，融合是必然趨勢數(shù)理模型的建立和實用化是關(guān)鍵材料計算設(shè)計科學(xué)的基礎(chǔ)研究必須加強第十六頁，共58頁。材料計算設(shè)計研究的意義促使材料科學(xué)與工程從定性描述走向定量預(yù)測為高技術(shù)新材料的研制提供理論基礎(chǔ)及優(yōu)選方案加速建立“計算材料科學(xué)”這門嶄新的交叉學(xué)科第十七頁，共58頁。材料設(shè)計的主要途徑與方法6.2從相圖角度進(jìn)行設(shè)計相圖研究歷史悠久100多年歷史，編輯出版的合金相圖集很多：實測相圖和計算相圖70年代末成立國際合金相圖委員會，出版了大約20多部合金相圖專注開發(fā)相平衡計算程序系統(tǒng)曾是國際上的熱點，如美國的NBS/ASM,Manlabs數(shù)據(jù)庫，瑞典的THERMO-CALC相平衡計算與數(shù)據(jù)庫等程序系統(tǒng)。相圖的數(shù)量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，特別是三元系以上的相圖更少第十八頁，共58頁。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。第十九頁，共58頁。從數(shù)量冶金學(xué)角度進(jìn)行設(shè)計數(shù)量冶金學(xué)基本模型+計算機(jī)技術(shù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)，現(xiàn)代科學(xué)方法論==交叉學(xué)科領(lǐng)域——進(jìn)行各環(huán)節(jié)的定量化工作常用的數(shù)學(xué)方法經(jīng)驗或理論分析+正交設(shè)計，回歸正交試驗等==數(shù)學(xué)模型通過實驗實測數(shù)據(jù)+統(tǒng)計處理==數(shù)學(xué)模型第二十頁，共58頁。例：新型飛機(jī)鋁合金——綜合設(shè)計優(yōu)化美國最近研制了一種新型鋁合金通過冶金平衡法來調(diào)整材料強度和韌性，且減輕零部件重量。這種鋁合金含有少量的鋰用于改進(jìn)型第二十一頁，共58頁。6.2.3基于量子理論的設(shè)計第一性原理計算（從頭計算）基本方法有固體量子理論和量子化學(xué)理論。特別適用于原子級，納米級工程的材料，電子器件材料等方面的計算設(shè)計。成功實例局域密度近似（LDA）；GW準(zhǔn)粒子近似；分子動力學(xué)方法；新贗勢法，緊束縛（TB）總能量法等高溫超導(dǎo)材料、超硬材料、納米材料等，及人工薄膜生長過程主要方法第二十二頁，共58頁。有序排列納米多孔材料的組裝合成和功能化由復(fù)旦大學(xué)趙東元等完成重要發(fā)現(xiàn)點1）發(fā)展了電荷“匹配”理論,合成了24種以上2）首次提出了“酸堿對”匹配理論3）發(fā)展了層疊層、電泳沉積、微納米澆注和再生長等多種納米沸石組裝技術(shù)4）發(fā)明了適合微介孔材料的造孔工程方法5）提出了低維納米材料有序排列和組裝概念第二十三頁，共58頁。該項目在催化劑和蛋白分離顯示了優(yōu)異的應(yīng)用前景，對推動化學(xué)學(xué)科及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。第二十四頁，共58頁。基于物理、數(shù)值模擬的設(shè)計晶格畸變、晶體生長、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、蠕變行為、高溫變形行為、擴(kuò)散、沉積、燒結(jié)等，都取得了較滿意的結(jié)果物理模擬數(shù)值模擬成功實例1）材料淬火過程計算機(jī)模擬并建立了Metadex數(shù)據(jù)庫。在材料加工的各個過程都取得了比較大的成功。2）分子動力學(xué)計算機(jī)模擬已經(jīng)成功地被用來模擬納米純金屬（如Cu、Ni、Fe）非金屬（如Si）陶瓷等第二十五頁，共58頁。具有局部共振聲學(xué)材料——全新復(fù)合材料首先從理論和思想方法上進(jìn)行突破。劉正猷博士帶領(lǐng)課題組聯(lián)想到金屬能完全反射電磁波，類比金屬完全反射電磁波的機(jī)制（PLASMON共振），在復(fù)合介質(zhì)中引入彈性波和聲波的微共振單元，經(jīng)過精確的理論設(shè)計和計算，發(fā)現(xiàn)此想法切實可行后，立即在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行實驗，結(jié)果實驗一舉成功。研究過程應(yīng)用前景發(fā)明者劉正猷博士機(jī)場、公路及高速公路、娛樂場所等第二十六頁，共58頁。多尺度材料模型與計算設(shè)計多尺度材料模型一般是由連續(xù)介質(zhì)和介觀層次、微觀層次及原子層次材料模型組成多尺度現(xiàn)象典型：材料形變與斷裂貫通了宏觀、介觀、微觀多個尺度第二十七頁，共58頁。非均質(zhì)材料顯微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)：理論及實踐由清華大學(xué)南策文完成主要研究成果1）構(gòu)建了非均質(zhì)材料顯微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)的理論模型。2）定量預(yù)示了非均質(zhì)材料中界面效應(yīng)和顆粒尺寸效應(yīng)。3）建立了非均質(zhì)鐵性材料多場耦合效應(yīng)的嚴(yán)格理論方法。4）實驗發(fā)現(xiàn)了巨磁電復(fù)合材料，新型高介電材料和聚合物基復(fù)合電解質(zhì)材料。第二十八頁，共58頁。第二十九頁，共58頁。高性能炭/炭航空制動材料的制備技術(shù)由中南大學(xué)黃伯云等完成項目價值1）打破了國外高技術(shù)封鎖，確保實現(xiàn)我國數(shù)百架進(jìn)口大型干線飛機(jī)炭/炭剎車材料國產(chǎn)化和國家航空戰(zhàn)略安全2）不僅開辟了我國高性能航空炭剎車制造新產(chǎn)業(yè)，而且對航天、化學(xué)化工、交通運輸?shù)刃袠I(yè)的技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重大推動作用第三十頁，共58頁。第三十一頁，共58頁。1）首創(chuàng)了"逆定向流－徑向熱梯度CVI"核心技術(shù)和工業(yè)裝置2）提出并采用了全炭纖維準(zhǔn)三維針刺整體氈預(yù)制體，創(chuàng)新設(shè)計、采用了熱解炭和浸漬炭復(fù)合增密技術(shù)3）自主發(fā)明并設(shè)計制造了六大類30臺套關(guān)鍵工藝設(shè)備4）首家獲得了民航總局頒發(fā)的我國大型飛機(jī)用炭剎車副零部件制造人批準(zhǔn)書主要成果第三十二頁，共58頁。第三十三頁，共58頁。一，材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術(shù)材料（計算）設(shè)計的主要技術(shù)包括材料的性能及一些重要的參量的數(shù)據(jù)，材料成分、處理、試驗條件以及材料的應(yīng)用與評價材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果數(shù)據(jù)庫知識庫第三十四頁，共58頁。日本在建立數(shù)據(jù)庫方面很突出三島良績巖田修一計算機(jī)輔助合金設(shè)計（CAAD）第三十五頁，共58頁。二，材料設(shè)計專家系統(tǒng)具有相當(dāng)數(shù)量與材料有關(guān)的各種背景知識，并能應(yīng)用這些知識解決材料設(shè)計中有關(guān)問題的計算機(jī)程序系統(tǒng)1）以知識檢索、簡單計算和推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)；2）以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)；3）以計算機(jī)模擬和應(yīng)用為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)；3）以材料智能加工為目標(biāo)的專家系統(tǒng)

第三十六頁，共58頁。最新研究表明姜黃能殺死癌細(xì)胞第三十七頁，共58頁。三，材料計算設(shè)計中的計算機(jī)模擬模擬對象遍及材料研制到使用的全過程；與材料理論和實驗研究具有同等地重要性關(guān)鍵之處材料的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型描述或預(yù)測可觀察的材料性能第三十八頁，共58頁。模擬尺度分類原子尺度模擬計算宏觀尺度模擬計算介觀尺度模擬計算第三十九頁，共58頁。四，基于數(shù)據(jù)采掘的半經(jīng)驗材料設(shè)計結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系工藝過程控制材料研究共同問題相似理論量綱分析無量綱參數(shù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果已有豐富積累如何從數(shù)據(jù)的“寶藏”中“采掘”有用的信息科學(xué)基礎(chǔ)試驗基礎(chǔ)第四十頁，共58頁。上海大學(xué)陳念貽多種模式識別新算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性回歸方程線性回歸方程遺傳算法綜合性材料設(shè)計軟件MaterialsResearchAdvisor&ComplexDateAnalyser第四十一頁，共58頁。數(shù)學(xué)方法在材料（計算）設(shè)計中的應(yīng)用6.3數(shù)學(xué)直接為材料科學(xué)中非線性現(xiàn)象的定性和定量分析提供了精確的語言，有利于從理論的高度研究材料的內(nèi)在規(guī)律數(shù)學(xué)方法材料科學(xué)第四十二頁，共58頁。6.3.1有限元法基本思想

將結(jié)構(gòu)物質(zhì)看成是由有限個劃分的單元組成的整體，以單元節(jié)點的位移或結(jié)點作為基本未知量求解應(yīng)用范圍1）特別適用于內(nèi)應(yīng)力、熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力等分析。研究梯度功能材料（FGM）中的熱應(yīng)力。2）在材料加工過程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)網(wǎng)格高度畸變時，有限元方法有著一定的局限性。第四十三頁，共58頁。無網(wǎng)格方法常用理論核估計移動最小二成近似重構(gòu)核近似單位分解關(guān)鍵技術(shù)1）無網(wǎng)格方法的離散方案2）本質(zhì)邊界條件的處理3）材料不連續(xù)性的處理——相類似與有限元方法第四十四頁，共58頁。6.3.2遺傳算法基本思想遺傳算法是借鑒生物界自然選擇和群體進(jìn)化機(jī)制形成的一種全局性參數(shù)優(yōu)化方法基本方法1）最常用的編碼方式是二進(jìn)制編碼，以個體適應(yīng)值大小確定被遺傳到下一代中的概率2）一般要求將最優(yōu)問題表示最大化問題，在實際應(yīng)用中需要對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。第四十五頁，共58頁。遺傳算法與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相比優(yōu)點從多個點構(gòu)成的群體開始搜索，具有本質(zhì)的并行計算特點只需要由目標(biāo)函數(shù)值轉(zhuǎn)換來的適應(yīng)值信息，而不需要導(dǎo)數(shù)等其他輔助信息第四十六頁，共58頁。各種方法的應(yīng)用復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用——遺傳算法功能梯度材料設(shè)計中的應(yīng)用——有限元分析法合金設(shè)計中的應(yīng)用——分子動力學(xué)模型與遺傳算法工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第四十七頁，共58頁。6.3.3分形理論70年代三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：分形幾何理論、耗散結(jié)構(gòu)理論、混沌理論研究對象

自然界和社會活動中廣泛存在的無序而又自相似性的系統(tǒng)、它既可以同時具備形態(tài)、功能、信息三方面的自相似性，也可以是某種某一方面的的自相似性第四十八頁，共58頁。分形既可以是幾何圖形，也可以是由“功能”或“信息”等構(gòu)成的物理模型，并且他們都具有自相似性和標(biāo)度不變性分形數(shù)學(xué)理論第四十九頁，共58頁?？坪涨€第五十頁，共58頁。中國科技館主展館展品：分形金字塔第五十一頁，共58頁。分形萬花筒第五十二頁，共58頁。第五十三頁，共5