材料加工中的數(shù)值模擬方法-微觀組織數(shù)值模擬

《材料加工過程的數(shù)值模擬(mónǐ)》——微觀組織數(shù)值模擬(I):Office：公字樓216Tel：(O)Email：第一頁，共四十三頁。《材料加工過程的數(shù)值模擬》宏觀(hóngguān)模擬(Macro-)微觀(wēiguān)模擬(Micro-)加工過程(Processing)組織(zǔzhī)演化(Microstructure)溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)流場(chǎng)濃度場(chǎng)形態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變方程動(dòng)量方程連續(xù)性方程擴(kuò)散方程？？？熱傳導(dǎo)方程???？第二頁，共四十三頁。Grain/crystalInter-grainslipGrainboundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介觀）Micro（微觀(wēiguān)）Nano（納觀）Macro(宏觀(hóngguān))DifferentScales第三頁，共四十三頁。第四頁，共四十三頁。Macroscopic-scale(mm~cm,m)SolidificationGrainstructuresCETPorosity,MacrosegregationShrinkageCavity…Mesoscopic-scale(

m~cm)Grainstructures,CETDendritemorphology,SDASEutectic,PeritecticMicrosegregation,Microporosity…Microscopic-scale(nm~m)DendriticgrowthmorphologyTransition/plane-cellular-dendriticEutectic,Peritectic…Nanoscopic-scale(~nm)Nucleation(Clustering)S/LinterfacemorphologyAtomicattachmentDislocationmovement宏觀(hóngguān)介觀微觀(wēiguān)納觀CAModels

MonteCarloLevelset

MethodStandardTransportMolecularDynamicsAtomisticSimulationFirst

PrinciplePhaseFieldModels第五頁，共四十三頁。

基礎(chǔ)知識(shí)（2）計(jì)算材料學(xué)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)微觀組織數(shù)值模擬簡(jiǎn)介相變理論基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)課程(kèchéng)安排時(shí)間：15~19周，周六上午(shàngwǔ)3～4節(jié)，周日上午3~4節(jié)

相場(chǎng)法（4）

相場(chǎng)法基本原理及其應(yīng)用沉淀相析出再結(jié)晶過程凝固過程

元胞自動(dòng)機(jī)（2）

基本原理模型應(yīng)用

水平集法

基本原理模型應(yīng)用第六頁，共四十三頁。主要(zhǔyào)參考書DierkRaabe，ComputationalMaterialsScienceNikolasProvatasandKenElder,

Phase-FieldMethods

inMaterialScience

andEngineering相關(guān)(xiāngguān)最新參考文獻(xiàn)第七頁，共四十三頁。

Whatismicrostructure?Microstructureisbeautiful.Microstructureisamazing.Microstructureisimportant.Whymodelingandsimulation?Outlines第八頁，共四十三頁。Microstructureisdefinedasthe

structureofapreparedsurfaceorthinfoilofmaterialasrevealedbyamicroscopeabove25Xmagnification.

---FromWikipediaAmicrographofbronzerevealingacastdendriticstructureWhatismicrostructure?第九頁，共四十三頁。ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera..MicrostructureisBeautiful.Zincoxidesinglecrystals第十頁，共四十三頁。GranulatedSugar白砂糖一種(yīzhǒnɡ)酪酸鹽日本(rìběn)-秋山実（MinoruAkiyama）攝影家MicrostructureisBeautiful.第十一頁，共四十三頁。酒石酸結(jié)晶(jiéjīng)隕石(yǔnshí)（Fe-Ni合金）MicrostructureisBeautiful.第十二頁，共四十三頁。Thymol一種(yīzhǒnɡ)酚碳化硅MicrostructureisBeautiful.第十三頁，共四十三頁。硅鐵結(jié)晶硅MicrostructureisBeautiful.第十四頁，共四十三頁。鑄鐵(zhùtiě)Gallium鎵MicrostructureisBeautiful.第十五頁，共四十三頁。液晶(yèjīng)材料金剛石MicrostructureisBeautiful.第十六頁，共四十三頁。NonlineardynamicsofsandrippleformationMicrostructureisAmazing.Eutecticstructures沙丘(shāqiū)vs.共晶第十七頁，共四十三頁。雪花(xuěhuā)vs.枝晶MicrostructureisAmazing.第十八頁，共四十三頁。STM

5-foldsurfaceofi-Al-Pd-MnMicrostructureisAmazing.云南元陽(yuányánɡ)梯田梯田(tītián)vs.臺(tái)階組織第十九頁，共四十三頁。MicrostructureisAmazing.斑紋(bānwén)vs.條帶、點(diǎn)狀組織第二十頁，共四十三頁。螺形位錯(cuò)引力和轉(zhuǎn)動(dòng)的共同影響下形成星系(xīngxì)的螺旋結(jié)構(gòu)MicrostructureisAmazing.星云(xīngyún)vs.位錯(cuò)第二十一頁，共四十三頁。MicrostructureisAmazing.MorphologicalSimilarity

Connections？？各種(ɡèzhǒnɡ)形態(tài)的枝晶組織第二十二頁，共四十三頁。成分(chéngfèn)-工藝-組織-性能性能(xìngnéng)是目的，成分是基礎(chǔ)，組織是形態(tài)，工藝是手段TheMaterialsTetrahedronMCFlemings&PraveenChaudhari1989Microstructureisimportant.第二十三頁，共四十三頁。典型(diǎnxíng)微觀組織DendritesEutectic微觀(wēiguān)組織的形成和演化是材料科學(xué)的核心內(nèi)容之一，而相變過程控制已經(jīng)成為提高傳統(tǒng)材料性能和開發(fā)新型材料的重要途徑。CellularPeritecticMicrostructureisimportant.第二十四頁，共四十三頁。Modeling是溝通理論與實(shí)驗(yàn)、微觀(wēiguān)與宏觀的橋梁WhyModelingandSimulation?Characterization第二十五頁，共四十三頁。Al-Cu枝晶二維形貌(xínɡm(xù)ào)（橫/縱截面）Al-Cu合金(héjīn)等溫粗化????第二十六頁，共四十三頁。ScienceUnderstandingPracticeApplicationsMicrostructureModelingofferinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution;improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessingalloydesign;improvementsincurrenttechnologies;development

ofnewprocesses.第二十七頁，共四十三頁。實(shí)驗(yàn)分析模型數(shù)值模擬微觀(wēiguān)組織材料(cáiliào)性能

具體信息可視化低成本

成分(chéngfèn)工藝第二十八頁，共四十三頁。計(jì)算材料(cáiliào)學(xué)概述計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展計(jì)算材料(cáiliào)學(xué)簡(jiǎn)介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第二十九頁，共四十三頁。

計(jì)算(jìsuàn)科學(xué)

應(yīng)用科學(xué)(yìngyòngkēxué)

計(jì)算機(jī)硬/軟件(ruǎnjiàn)

數(shù)學(xué)什么是計(jì)算科學(xué)？第三十頁，共四十三頁。Moore定律(dìnglǜ)（1965）：計(jì)算機(jī)的CPU速度每1.5年增加一倍“科學(xué)(kēxué)計(jì)算已經(jīng)是繼理論科學(xué)(kēxué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)(kēxué)之后，人類認(rèn)識(shí)與征服自然的第三種科學(xué)(kēxué)方法”。計(jì)算機(jī)軟硬件條件(tiáojiàn)的飛速發(fā)展為科學(xué)計(jì)算的廣泛應(yīng)用提供了有力保證。第三十一頁，共四十三頁。第三十二頁，共四十三頁。2048顆我國(guó)自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器14336顆IntelXeonX56702.93GHz六核心處理器7168塊NVIDIATeslaM2050高性能計(jì)算卡“天河一號(hào)A”峰值運(yùn)算(yùnsuàn)速度為每秒４７００萬億次。實(shí)測(cè)運(yùn)算(yùnsuàn)速度每秒2570萬億次。6144個(gè)通用處理器（3072x2IntelQuadCoreXeonE55402.53GHz/E55403.0GHz）；5120個(gè)加速(jiāsù)處理器（2560ATIRadeon4870x2575MHz）內(nèi)存總?cè)萘?8TB；點(diǎn)點(diǎn)通信帶寬40Gbps；共享磁盤總?cè)萘繛?PB第三十三頁，共四十三頁。計(jì)算(jìsuàn)材料學(xué)概述計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展計(jì)算材料(cáiliào)學(xué)簡(jiǎn)介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第三十四頁，共四十三頁。

計(jì)算(jìsuàn)—第三種科學(xué)手段計(jì)算填補(bǔ)理論分析與實(shí)驗(yàn)之間的空白計(jì)算使得人們能夠深入研究一大批從科學(xué)理論分析角度看過于復(fù)雜、過于困難，而從科學(xué)實(shí)驗(yàn)角度看又過于昂貴、過于危險(xiǎn)，甚至是無法進(jìn)行的探索問題計(jì)算已成為理論與實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充的第三種手段,已成為人們認(rèn)識(shí)世界的第三只眼睛計(jì)算科學(xué)至今(zhìjīn)尚未具備象理論、實(shí)驗(yàn)與工程設(shè)計(jì)那些傳統(tǒng)方式可預(yù)測(cè)的可靠性任何計(jì)算模型只是客觀真實(shí)事物的一個(gè)近似AdvantageDisadvantage第三十五頁，共四十三頁。Ithasalwaysbeenadreamofmaterialsresearcherstodesignanewmaterialcompletelyonpaper,optimizingthecompositionandprocessingstepsinordertoachievethepropertiesrequiredforagivenapplication.GerbrandCeder,“COMPUTATIONALMATERIALSSCIENCE:PredictingPropertiesfromScratch”,Science,Vol280,Issue5366,1099-1100,15May1998經(jīng)驗(yàn)型（炒菜式）智能型（材料(cáiliào)設(shè)計(jì)）

第三十六頁，共四十三頁。計(jì)算材料科學(xué)（ComputationalMaterialsScience)（歐洲）計(jì)算機(jī)分析與模擬（Computer-basedAnalysisandModeling)（美國(guó)）材料(cáiliào)設(shè)計(jì)（MaterialsDesign）（日本）ComputationalMaterialsScience（ElsevierScience公司(ɡōnɡsī)）1994年創(chuàng)刊ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineering（英國(guó)皇家學(xué)會(huì)）,1992年創(chuàng)刊JournalofComputer-AidedMaterialsDesign(Kluwer公司）1997年創(chuàng)刊

第三十七頁，共四十三頁。計(jì)算材料學(xué)是近年里飛速發(fā)展的一門新興交叉學(xué)科。它綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學(xué)、理論化學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)算法等多個(gè)相關(guān)學(xué)科。本學(xué)科的目的是利用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入(shēnrù)理解材料從微觀到宏觀多個(gè)尺度的各類現(xiàn)象與特征，并對(duì)于材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)言，從而達(dá)到設(shè)計(jì)新材料的目的。第三十八頁，共四十三頁。計(jì)算材料(cáiliào)學(xué)概述計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展計(jì)算(jìsuàn)材料學(xué)簡(jiǎn)介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第三十九頁，共四十三頁。MultiscaleModelling&Simulations10-910-610-3100LengthScale,m10-1510-1210-910-610-3100103Time,sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-InterfaceFEACellularAutomataPhaseFieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-Initio(Chemistry-Processing-Structure-Property…Performance)PhysicalChemicalBiologicalMechanical第四十頁，共四十三頁。SimulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuelsPhaseFieldsimulat