计算机材料应用

计算机材料应用（通用12篇）

计算机材料应用 篇1

1 计算机在材料工程中的应用领域

1.1 计算机在新材料设计中的应用

理论与计算机预报新材料的结构、性能相结合, 订制有特性的新材料, 就是材料设计。材料设计包括电子层次、原子或者分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的设计[1], 主要是以计算机模拟技术以及计算机强大的知识数据库, 将化学和物理的理论知识和杂乱的实验报告联系在一起, 总结出最为合理的结合方式。

1.2 计算机模拟在材料科学研究中的应用

计算机模拟技术可以模拟真实的实验过程及结果, 对新材料的设计提供更多的方式选择。计算机模拟技术可以运用到材料研制以及使用的整个体系中, 在计算机上进行模拟实验, 将模拟出的结果与实际的实验结果相对比, 能够检测模型的精准性, 为无法在现实中实验的探索性实验提供模拟实验的详细方法及数据参考。

1.3 计算机在材料与工艺过程优化中的应用

计算机控制系统有效的帮助材料加工技术更快的发展, 其中, 微机以及可编程控制器 (PLC) 技术在材料加工过程中起到了重要的作用。计算机技术减轻了材料加工过程中的人工劳动强度, 使产品的质量得到了更有效的保障。微电子技术与自动化技术相互结合, 使材料制造和材料检测更加具有精准度, 生产效率得到明显提高[2]。控制技术使用数学模型在线进行控制和计算, 由计算机进行综合的管理和操纵, 使管制水平以及操纵的可靠性得到更好的保障。

1.4 计算机数据和图像处理中的应用

计算机图像处理和分析的功能可以研究显微镜下材料的结构, 对这些实验的数据进行整理, 快速提取出需要的结构数据, 例如晶体的分布情况、大小特征等, 并能将这些数据和材料整理在一起, 减少实验后期的一些麻烦, 方便后续的研究和实验。

2 计算机在材料工程中的具体应用

1) 对材料的凝固进程数据进行模拟计算, 能够确定铸件在每一个断面上的等温线散布状况、凝固前过程以及等时线的分布, 准确的对凝固的部位发生的缩孔等弊端进行分析, 确定位置及尺寸。

2) 计算机模拟技术在金属液态充型过程中一般应用SO-LA-VOF法作为根本, 并且使用体积函数进行计算自由表面, 同时对传热和流量修改方面进行研究并改良。

3 计算机在材料工程中的其它应用

1) 一直以来, 新材料新台金的设计一般采用的配方方法是从实际已知的大量的数据和经验入手, 利用各种结构不同的数学模型。通过计算机技术, 可以更准确的利用计算机中的程序进行对比, 更有效地对新材料进行设计。

2) 计算机可以更准确的计算材料研究科学中的数据, 使材料的数据处理的精准度得到明显提高, 并且节省运算时间。

3) 计算机的模拟技术, 可以根据材料的属性和客观环境条件进行推理和绘图整理, 依据实践情况预测可能出现的状况。

4) 在材料的检测方面, 计算机技术集中在材料的结构成分、物理性能的检测以及机械零部件的无损检测等方面。借助探测器, 将探测到的数据转成数字信号传送到计算机中, 再使用计算机内特殊编制的特定检测程序对这些得到的数据进行检测, 分析, 最后得到精确的结果。

4 结束语

科学技术不断发展, 计算机技术在材料科学以及工程方面会有更多的应用空间。材料科学以及工程是多种学科交织和产生的, 目前还处于探索研究的阶段, 对于它的研究大部分来自于实践以及理论经验的积累, 要使它成为一门稳定的学科还需要一段过程。计算机作为一个现代知识传播的媒介, 早已渗透到各个领域, 成为社会生产模式现代化的标志。如今材料工程已离不开计算机技术, 计算机技术的应用可以加快材料工程的进步与发展。

摘要：在材料成型加工环节, 计算机技术中的模拟技术为材料成型及加工新工艺提供了更为准确的定量预测和理论基础, 以计算试验代替传统的经验试错法, 提高未来制造模具的质量, 降低生产成本, 具有交货期短以及整体生产柔性等优势。

关键词：计算机,材料工程,材料成型

参考文献

[1]黄万.计算机在材料科学中的应用[J].包钢科技, 2005, 31 (S1) :6-8+17.

[2]曾令可.计算机在材料科学与工程中的应用[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2004.

计算机材料应用 篇2

及规划设想

随着住宅小区物业管理规模的不断发展扩大，旧有的管理方式和手段已经不能适应住宅小区管理量大、复杂、多样、细化、长期等特点，随着住房制度改革和住房商品化进程的不断深入这一矛盾显得更为突出，如果我们的管理水平跟不上，不能实现管理现代化，就不可能把小区管理好，当今，先进的科学技术已经为我们提供了一个发展的新契机，这就是引进计算机这种先进工具对小区进行全面的管理。结合住宅小区的管理现状，我们认为采用计算机管理是必要的，也是必然的。应用计算机技术主要是建立一个住宅小区管理系统，具体步骤是：系统分析－系统设计－系统运作－系统评价－系统使用。采用计算机管理要求管理业务人员必须掌握计算机技术。

1、掌握一种汉字输入技术（如拼音、双拼、五笔等）；

2、能较熟练地操作应用软件，才能在系统开发中起到建设性的作用。

住宅小区现代化管理规划可以具体分为三个步骤：首先，我们要引进计算机，并对小区业务管理人员进行计算机应用知识培训，使其熟练掌握计算机操作基础知识。其次，建立一套完整的人／机系统，把房屋档案管理的手工操作变为计算机操作管理，从而大大减少手工作业量，减轻管理人员负担。最后，全面实现管理现代化，完全用计算机系统完成住宅小区的全部管理工作。

计算机材料应用 篇3

关键词： 计算材料学 材料工作室软件 本科教学 第一性原理 分子动力学

计算材料学是一门正在快速发展的新型学科，属于材料科学与计算机科学的交叉学科，是利用计算模拟手段对材料的组成、结构、性质及服役性能之间关系进行研究的学科。材料的成分、结构与性质之间的关系是材料学专业永恒的主题。传统材料研究以实验室观察为主，是一门实验科学。随着材料学研究对象的空间尺度不断变小，研究对象越来越精细，原子已成为材料研究的内容，对功能材料甚至需要研究到电子结构的层次，传统的研究方法已经不能揭示材料性能的本质。随着科技的发展，现在已经能够从量子力学基本原理出发计算材料体系的各种性质，包括原子结构、电子结构、热动力学特性，甚至超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，从而实现材料性能的改善和新材料的设计。随着计算水平的迅猛发展，计算机模拟研究已经与实验研究、理论研究并列，成为三种基本的材料科学研究手段之一。

计算材料科学主要包括两方面内容：一方面是验证实验与解释实验，即从实验数据出发，建立模型，模拟实验过程，从原子和电子角度揭示内在机理，加深对材料本质的认识。另一方面是预测新材料的新性能，即直接通过理论模型的计算，预测新材料的结构与性能，使材料研究更具有方向性和前瞻性，有助于原始创新，可以大大提高研究效率。

材料工作室软件，即Materials Studio软件，是美国Accelrys公司出品的多尺度计算机模拟平台，可实现从量子、分子、纳米到介关的多尺度计算机模拟，可从空间角度和时间角度对材料性质进行研究。它拥有众多模块，可根据具体需求选择。目前材料工作室软件已成功应用于制药、化工、能源、电子、新材料等领域。材料工作室软件具有良好的、可视的工作界面，这是它的一大特色。

计算材料学的基础理论晦涩难懂，没有量子力学基础的学生很难理解。学生往往听得昏昏欲睡，课堂上死气沉沉。《计算材料学基础》教学集中在物理概念上，不用过分关注细节。材料工作室软件具有良好的可视界面，可以给学生直观的认识，从而激发他们学习的热情，从教师的角度讲有利于教学。第一性原理和分子动力学是计算材料学中非常重要的两个方面，下面对这两个方面进行具体描述。

一、第一性原理

第一性原理的基本思想是将多原子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子体系，并根据量子力学的基本原理最大限度地对问题进行“非经验性”处理。材料工作室软件拥有CASTEP和DMol3两个非常重要的第一性原理模块。CASTEP模块是由剑桥大学凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用平面波函数描述价电子，利用赝势替代芯电子。DMol3是由Bernard Delley教授开发的，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，也被称为原子轨道线性组合方法。DMol3有别于其他方法的最重要特点是采用数值函数描述原子轨道，这样可以兼顾计算精度和效率。这两个模块均可用于金属材料、无机非金属材料和高分子材料的计算。既可以用于研究体相材料，如材料的晶体结构、弹性模量、电子结构，等等，又可以用于研究材料的表界面性质，如材料表面的分子吸附、化学反应，等等。

由于材料工作室软件优良的可视界面，因此可以在窗口清晰地展示材料的晶体结构。材料工作室软件可以在工作窗口对材料的原子构型进行各种操作，包括旋转、平移等，能够让学生清楚直观地认识，带领学生认识材料学的奥妙，激发学生学习兴趣。在材料电子结构方面，相较于其他计算材料软件，材料工作室软件可以直观显示出布里渊区路径，从而解决学生对这个困难知识点的认识，有利于教学。在多相催化反应方面，材料工作室软件能够清楚地计算出从反应物分子到产物分子的反应过程，同时给出反应能和反应能垒，从而给出催化剂催化活性的定量判据。

二、分子动力学

分子动力学模拟方法是按照体系内部的内禀动力学规律确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根据统计物理规律，给出微观量与宏观可观测量的关系。分子动力学是将电子的运动与原子核的运动分开处理，电子的运动用量子力学的方法处理，而原子核的运动用经典动力学方法处理。材料工作室软件包含Discover、Forcite、GULP等多个分子动力学模块，可用于研究材料的融化、凝固、分子吸附等。能够从原子角度直接显示材料融化、凝固及分子吸附的过程，给学生直观认识。其中，Discover以多个经过仔细推导和验证的力场为基础，可以准确计算出最低能量构象，并可给出不同系统下体系结构的动力学轨迹，周期性边界条件的引入使得它可以对固体体系进行研究，如晶体、非晶和溶剂化体系。Forcite是先进的经典分子力学工具，可以对分子或周期性体系进行快速的能量计算及可靠的几何优化及动力学模拟，可以实现模拟淬火、退火等功能。

三、结语

通过将材料工作室软件引入《计算材料学基础》课程教学，可以将知识点形象化、可视化，能够激发学生学习兴趣，点燃学生进行材料科学研究的激情。不仅适合于材料专业的学生，而且适用于物理和化学专业学生。

参考文献：

[1]张跃，谷景华，尚家香，马岳.计算材料科学基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]徐慧，等.凝聚态物理专题[M].长沙：中南大学出版社，2009.

计算机在材料科学中的应用 篇4

计算机作为一种现代工具, 在当今世界的各个领域日益发挥着巨大的作用。在材料领域, 计算机也正在逐渐成为极其重要的工具。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用使材料成形工艺从定性描述走向定量预测, 指导实验并验证某些理论假设, 从而促进理论和实验的发展。计算机模拟是未来材料成型制备工艺的必由之路。

1 计算机在材料科学中的应用领域

1.1 计算机模拟技术用于材料行为工艺研究

材料行为工艺的计算机模拟是利用计算机对真是的系统进行模拟实验, 提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。采用计算机模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程, 了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为, 并且在没有实际制备加工出这些新材料之前就能预测它们的性能, 为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导, 同时可避免大量的实验工作, 提高材料研究者的工作效率, 降低工作强度, 节省研究经费。

计算机模拟技术是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验, 通过将模拟结果和实际体系的实验数据进行比较, 可以检验模型的准确性, 也可以检验由计算模型得到的解析理论所在的简化近似是否成功。

1.2 计算机技术用于材料设计

通过理论分析与计算预报新材料的组分、结构及性能, 进而通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。长期以来, 材料设计主要采用大量的实验, 进行大面积筛选的方法, 这势必消耗大量的人力、物力和时间。因此理论辅助和实验验证相结合的材料设计方法便成为人们探讨的重点。

材料设计一般可分为三个层级:微观设计层次, 尺度约为1nm数量级, 是电子、原子、分子层次的设计:介观设计层次, 尺度约为1um数量级:宏观设计层级, 尺度对应与宏观材料。

1.3 计算机技术用于材料加工控制

对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段。材料加工主要包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶金等, 所有这些材料加工过程均可采用计算机对其进行自动控制。材料加工不仅重视产品的外形尺寸, 而且重视产品的内在质量。采用计算机技术控制材料的加工过程可以大幅度提高产品的加工精度和加工质量, 同时也可以提高加工效率, 改善工作条件。

1.4 计算机技术用于材料性能表征与检测

计算机在材料的性能测试、组织结构观测与分析等重的应用, 是材料科学中计算机使用的一个重要方面。它包括材料的物相及成分检测、组织结构检测、力学性能检测和物理性能测量等。

1.5 计算机技术用于材料数据和图像处理

材料科学中的实验为材料科学研究提供了大量的含有材料基本行为特征信息的实验数据, 如何快速准确地处理这些复杂的数据, 发现其中的规律, 从而得到真是客观的材料行为信息, 对材料科学研究而言非常重要。目前, 可用于材料数据处理的软件很多, 如最小二乘法数据处理软件、X衍射数据处理软件、DPS数据处理软件、Excel软件、Origin软件等

2 计算机的具体应用

材料科学研究中的数学模型及分析方法, 作为21实际的重要基础学科之一的材料科学离不开数学。通过建立适当的数学模型对实际问题进行研究。它将现实问题简化, 抽象为一个数学问题或数学模型。再采用适当的数学方法求解, 进而对现实问题进行定量的分析和研究, 最终达到解决实际问题的目的。

2.1.1有限差分法

有限差分法通过泰勒级数展开等方法, 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离散, 从而将连续函数离散化, 以有限的, 离散的数值代替连续的函数分布。

2.1.2有限元法

它是将连续的介质划分为许多微小的单元, 在确定其边界条件后对其进行单元求解, 从而获得整体介质的相关性能。与有限差分法相比, 有限元法的准确形与稳定性都比较好。

有限元软件有ANSYS。此软件是美国机械工程师协会 (ASME) 、美国核安全局 (NQA) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。ABAQUS, 这是一套功能强大的工程模拟有限元软件, 其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。SAP, 美国加J.H大学伯克利分校的线性静、动力学结构分析程序。

2.2 材料科学研究中主要物理场的数值模拟

材料科学与工程技术涉及加热、冷却等传热过程, 应力应变过程等。可采用模拟场包括材料的传热 (温度场) 、应力场 (力学问题) 和浓度场 (内部原子的迁移流动) 等的计算以上问题均可采用前述用的有限元分析法进行模拟“传热传质过程”。

2.3 材料数据库和知识库

由于工程材料的种类繁多, 而每一种材料都有其特定的成分、结构及性能, 因此所有工程材料的成分、结构及性能就构成了一个庞大的信息系统, 为了便于材料工作者查询和研究, 有必要建立各种类型的材料数据可。数据库中存储的是具体的数据值, 它智能进行查询, 不能推理, 就像仓库一样。而知识库存储的是规则、规律, 通过数理模型的推理、运算, 以一定的可信度给出所需性能等数据。利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测功能和设计功能, 达到设计的双向性。

3 结束语

材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。这些给计算机在材料科学中的应用带来了复杂性与特殊性, 给我们带来了一些挑战。作为材料工作者, 应充分利用这一现代化工具来推动材料科学的发展。

参考文献

[1]张志涌.精通Matlab6.5版[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003

[2]卢百平, 钟仁显.分子动力学在材料科学中的应用[J].铸造技术, 2007, 28 (1) :146-148.

计算机材料应用 篇5

计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。随着计算机的性能的完善以及各种科学研究软件的丰富，计算机在材料科学中的作用变得越来越显著了，如新材料的设计，计算机模拟，工艺过程的优化及自动控制，数据和图像处理，信息检索等等，这些都体现了计算机在材料科学中的广泛应用，其发展前景极为可观。

下面我就几种计算机在材料科学中的应用来说明计算机与材料科学研究的关系。

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。

材料科学与行为工艺的计算机模拟，材料行为工艺是通过调整材料在加工过程中的组织性能来改善其使用性能，利用计算机模拟材料可以部分代替传统的真实试验，提高了效率、节省费用。

相图是描述相平衡系统的重要几何图形，通过相图可以获得某些热力学资料；反之通过热力学数据可以建立一定的模型，从而计算和绘制相图。相图计算CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)更是在前人收集、总结热力学数据的基础上发展形成的一门新的介于热力学、相平衡和计算机科学之间的交叉学科。

材料的组成和结构与计算机模拟，材料的组成和结构采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、分析电镜、扫描探针显微镜，各种谱仪和各种衍射仪，这些均是在计算机控制下完成各自的分析工作，而且设备随之提供了各种功能强大的分析模拟软件及其数据库，从而更加有效地提高了分析时的数据处理能力。

金属材料加工与计算机模拟，用计算机模拟实现试生产、减少实验次数、动态显示材料加工和制备工艺的各个物理量的演变历程和空间分布、预测缺陷和优化工艺流程，极大地缩短了试制周期、减少劳动力成本、提高生产率。

塑料加工中的计算机模拟，利用各种加工技术和计算机辅助工程CAE，实现对塑料制品造型、大量数据调用、人机对话，屏幕显示模拟实际的成型过程、预测塑料制件设计、模具设计和成型条件对产品质量的影响，从而能够方便、快捷地修改，寻求最佳的成型过程，使新的成型制品在较短的周期内顺利投产。

材料数据库将数据的进行集合及其管理、利用，从而对工程数据建立数据库系统，用于存储、管理和使用面向工程设计所需要的工程数据和数据模型，这是将工程方法与数据库技术结合起来，并将人工智能及专家系统与数据库相结合，建成智能化的CAD/CAM集成系统。数据库管理系统极大地方便了用户对数据的使用与管理，减轻用户的工作量和复杂性，提高了数据库的安全性，数据库系统可以提供数据共享即多用户同时使用全部或部分数据，数据库的具有数据的独立性即每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构，数据库的使用减少数据冗余，使数据的结构化，使数据的相互关联和记录类型的相互关联，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

数据库经历了第一代的层次数据库系统和网状数据库系统，第二代的关系型数据库系统，直到现在的第三代的面向对象数据库系统，从而满足了现在要在数据库中存放和管理的诸如多媒体数据、空间数据、实时数据、复杂对象、图像对象、知识和超文本等工程数据的需求，也就有了面向对象的工程数据库系统。

工程数据库系统可以适合于CAD、CAM、CIM等工程应用领域。要建立工程数据库系统首先需要选择合适的DBMS作为其开发平台，再将工程数据映射成DBMS支持的数据模型，利用DBMS提供的数据定义语言和数据操纵语言，设计数据库的结构，提供操纵数据库数据的用户界面。

对于材料数据而言，其数据量十分庞大，目前世界上已有的工程材料数据库有数十万种，各种化合物大几百万种。材料的成分、结构、性能及使用等构成了庞大的信息体系，它们依然在不断更新和扩大。

材料中成分的组合若进行实验的话，将耗时、耗力，如果利用材料数据库和其他信息处理技术则可以极大地减少研制工作量、缩短研究周期、降低成本和提高效率。

计算机材料性能数据库储存信息量大且存取速度快，查询方便，由材料查性能，也可以由性能查材料，通过比较不同材料的性能数据，进行选材或材料代用。，使用灵活，即使对材料的数据进行补充、更新和修改，功能强大，实现单位的自动转换、图形化表示数据、进行数据的派生。其应用广泛，配合CAD、CAM实现计算机辅助选材，还可以设计材料性能预测或材料设计的专家系统。

现有的材料数据库主要是欧美等发达国家开发研制的，而国内的相关单位也进行了不断的探索，取得了一定成绩，如清华大学材料研究所等单位于1990年联合建成的新材料数据库，它采用Oracle数据库，含有新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料五个子库，今后的材料数据库是向网络版方向发展。

专家系统(Expert System)源于人类专家的知识，应用人工智能技术，工具一个或多个人类专家提供的特殊领域的只是、经验进行推理和判断，模拟人类专家作出决断的过程，解决那些原来只有工业专家自己才能解决的各种各样的复杂问题，专家系统实际上是一种计算机程序，在某一特定领域内，能够利用知识和推理来解决人类专家才能解决的问题。

完整的专家系统由六个部分组成：

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.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

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。

下边是几种专家系统还有它们各自的应用

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

材料加工过程的计算机控制，微机和可编程控制器在材料加工过程中的应用可以减轻劳动强度，显著改善产品质量和精度，从而提高产量。计算机在材料加工中的应用有物化性能测试数据的采集和处理，加工过程自动控制（主要探讨的内容），计算机辅助模具设计和制造，材料加工过程的全面质量管理

在材料加工控制领域中，运用较多的是微机和可编程控制器（Programmable Controller，简称PC），材料加工过程中的基本单元控制一般由可编程控制器或微机控制系统完成，而复杂的生产线可由可编程控制器和微机控制系统共同完成。

计算机工业控制系统基本功能：模拟量参数的采集、转换及屏幕显示，模拟量参数的越线报警（声、光的形式），被控参数的闭环自动控制，各种流量的累计计算，用于统计计算，各种开关量输入信号的检测与各种开关量输出信号的控制，用于设备的启停与各种连锁保护，生产工艺流程图及各种被控参数的动态趋势曲线的屏幕显示、便于操作人员及时掌握设备运行状态，实现对生产过程的操纵和控制，工艺参数的记录及打印，以便保存生产技术资料做经济指标考核，完成与上位机的通信，将下位机的各检测参数和各流量累计值通过数据线传输到上位机，从而接收到上位机的监督控制

计算机在材料检测中也有非常广泛的应用，材料的性能主要决定于它的化学成分和组织结构，化学成分不同的材料具有不同的性能，而相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的组织结构时，也将具有不同的性能。所以通过对材料的化学成分、组织结构、力学性能及物理性的检测，能更加清晰地揭示材料的深奥秘密。如材料成分的检测即通过改变材料的成分可以调整材料的性能，这是利用材料的合成和制备完成的，所以对材料的成分进行细致的检测是必要的。

目前有许多大型分析设备（扫描探针显微镜（SPM），扫描电镜（SEM），透射电镜（TEM），X射线衍射仪，电子衍射仪，红外光谱仪，原子吸收谱仪，激光光谱仪）用于材料成分的检测

材料组织结构的检测直接影响材料性能的材料组织，评价材料缺陷，进行计算机仿真。材料缺陷的计算机评定，材料缺陷检测、分级评定和材料缺陷对性能的影响研究也是材料组织检测的一项，它们也是保证产品质量的主要环节之一。

选择可以利用计算机图像处理与模式识别技术来进行材料缺陷特征参数的研究，可以实现材料缺陷图像获取、材料缺陷检出、材料缺陷识别、材料缺陷尺寸测量和分级评定等功能，基本上是自动化的。

对材料研究中的数据作进一步处理，如计算、绘图、拟合分析等，这些功能现在均可利用软件来完成。

计算机科学与材料科学研究相结合，改进了研究工具和研究方法，促进了学科的发展。过去，人们主要通过实验和理论两种途径进行科学技术研究。现在，计算和模拟已成为研究工作的第三条途径。计算机与有关的实验观测仪器相结合，可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表，显著地提高实验工作的质量和效率。计算机辅助设计已成为工程设计优质化、自动化的重要手段。在理论研究方面，计算机是人类大脑的延伸，可代替人脑的若干功能并加以强化。古老的数学靠纸和笔运算，现在计算机成了新的工具，数学定理证明之类的繁重脑力劳动，已可能由计算机来完成或部分完成。计算和模拟更是一种新的研究手段。计算机在材料科学中的广泛应用，常常产生显著的经济效益和社会效益，从而引起产业结构、产品结构等方面的重大变革。

伫立在计算材料科学的前沿 篇6

吕劲，1992年毕业于北京大学信息管理系，获学士学位，1997年毕业于北京大学物理系，获博士学位，现为北京大学物理学院凝聚态与材料物理研究所和人工微结构与介观物理实验室副教授、博士生导师。长期从事低维碳基功能纳米材料及其类似物的第一性原理计算研究。在纳米碳管的选择性吸附理论和石墨烯能隙的无损打开等领域做出了突出的贡献。2008年入选教育部新世纪人才，2009年获得北京大学钟盛标教育基金科研奖。发表SCI论文120多篇，在顶级刊物上有21篇，其中NPGAsia Materials 1篇，Scientific Peports 5篇，Nano Letters 2篇，Advanced Materials 2篇，Journal of the American Chemical Society 6篇，ACS Nano 1篇，Angewandte Chemie 1篇，Small 2篇，Physical Review letters 2篇，Chemistry of Materials 1篇。研究工作被《自然·亚洲材料》加以专题介绍。

人类的科学起源于计算，最早的计算就是算数，它是“人类把自己从对大自然的恐惧中解救出来的第一个方法”。计算科学的严格定义是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域，计算材料学作为计算科学的一大分支，颇为古怪，它是一个高度交叉的学科——数学、物理、化学、生物、计算机……此领域的研究者需游走于各领域，汲取相关知识并融汇到一起，集各学科的知识于一身。北京大学的吕劲就是这一领域具代表性的人物之一。

1992年，吕劲考入北京大学物理系，师从著名物理学家章立源教授，开始了计算材料学的生涯。章立源教授以严格要求学生出名，培养了包括中科院院士、北京大学校长王恩哥在内的一批优秀的物理学家。在5年的研究生学习中，打下了坚实的基础。2001年，吕劲获得日本学术振兴会的资助，来到位于日本中部冈崎市的日本分子科学所，跟随享誉国际理论化学家界的永濑茂教授进行了两年博士后的研究，开始进入了计算材料学的前沿，实现了学术水平的第一次腾飞。2006年，吕劲应梅维宁教授邀请，在美国内布拉斯加大学做了一年的访问，对西方的科学研究精神有了进一步的了解，实现了学术水平的第二次腾飞。

计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。纳米材料领域，具有优异的物理性能的碳基纳米材料以及它们的类似物一直扮演着举足轻重的角色，它们是构造纳米电子器件，光电子器件和自旋电子器件的重要材料。从1985年零维的C₆₀，到1991年一维的纳米碳管，再到2004年二维的石墨烯，每一次碳材料“家族”新成员的发现都会给材料研究带来巨大的冲击。石墨烯的发现还是第一次把二维材料展现在世人面前，由此开辟了一个全新的研究维度。

石墨烯虽然有极高的载流子迁移率，有可能在未来的电子器件中取代现在的硅。但遗憾的是，石墨烯本身没有能隙，不是理想的半导体材料，不能做高开关比的晶体管。因此打开石墨烯的能隙又不损失高的载流子迁移率成为石墨烯研究的最主要的课题之一。面对这一挑战，吕劲教授的课题组进行了创新性探索，其卓尔不群的研究成果受到了同行专家的广泛关注。

利用三明治结构打开石墨烯能隙

石墨烯是个复式晶格，由两个完全等价的子格子构成。打开石墨烯能隙的关键是要破坏石墨烯AB子格子的对称性。六角氮化硼片晶格尺寸与石墨烯基本匹配，但氮与硼的化学势不同，当这两种材料复合在一起，石墨烯的AB格子对称性将受到破坏。吕劲教授提出把单层石墨烯置于两个氮化硼片之间，由于增强了子格子的不等价性，可以打开石墨烯0.16eV的能隙。如果在BN/石墨烯/BN复合结构加上垂直电场，能隙可以进一步提高到0.34eV。由于BN是平坦的结构（常用的不规则的SiO₂衬底会带来额外的散射，降低石墨烯的载流子迁移率），且与石墨烯是弱的范德瓦耳斯作用，石墨烯的狄拉克锥基本不受破坏，石墨烯的高迁移率在能隙打开后仍然可以维持。仅仅做能带计算是不够的。吕劲的课题组又进行了第一性原理的器件模拟。模拟显示基于此三明治结构的双门场效应管电流开关比相比纯单层石墨烯场效应管大8倍。相关工作2012年发表在Nature子刊《NPG Asia Materials4，e6；doi：10.1038/Am.2012.10》上。文章第一作者屈贺如歌是吕劲教授指导的博士生，已经收到麻省理工学院、牛津大学、剑桥大学、瑞士联邦理工等世界顶级名校合作培养博士的邀请。

硅烯存在可调能隙

硅烯是石墨烯的硅类似物，最近在实验上已经有了很大进展。比起石墨烯，硅烯与现在的半导体工艺可能更加容易切合。但硅烯走向电子器件应用面临与石墨烯同样的问题，即没有能隙。虽然平坦结构单层石墨烯在垂直电场作用下不能打开能隙，吕劲教授发现具有起皱结构的硅烯可以被垂直平面的电场打开能隙并且打开的能隙随电场强度线性增加，同时狄拉克锥结构基本不受破坏，高的载流子迁移率也能够保持。利用非平衡格林函数方法证明了硅烯制成的双门场效应管电流开关比是无电场时的8到50倍。该工作是国际第一次提出硅烯存在电场可调控的能隙，发表在材料领域的顶级杂志《Nano Letters 12，113（2012）》上。该文章发表后在国际上产生了强烈的反响，一年多来，已经被各种杂志引用了30次。

电场调节硅烯能隙的主要问题是在实验可达到的电场强度，打开的能隙太小（不超过0.1 eV）。考虑单面吸附也可破坏硅烯的子格子的对称性，吕劲教授紧接着又提出一种新的打开硅烯能隙的方案，即利用吸附无损打开硅烯的能隙。计算表明在硅烯上单面吸附碱金属原子能够打开能隙。能隙的大小可以通过改变吸附浓度加以调节，最高可以达到0.5eV，同时可以保有硅烯高迁移率。通过对钠原子吸附的硅烯场效应管模型的量子输运模拟显示该器件的开关比可高达10⁸，满足高表现逻辑器件的需要。相关工作最近发表在自然出版集团的新刊《scientific Reports 2，853；DOI：10.1038/srep00853（2012）》上。开发量子输运程序ATK的Quantum Wise公司在其网站上，给出了介绍石墨烯和硅烯能隙打开工作的手册，其中所引用的文献很大一部分出自吕劲课题组。

石墨烯射频器件的表演极限探索

较小的开关比阻碍了纯石墨烯场效应晶体管做逻辑器件，但不妨碍利用它的高载流子迁移率做射频器件（因为射频器件不需要大的开关比）。要取得高的射频器件截止频率，一般要把沟道做短，目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已做到40nm得到的射频器件的最大截止频率（射频器件性能表现的重要参数之一）为1太赫兹。但在极端的亚10纳米尺寸上截止频率是否会随沟道减小继续提高并不明确（例如GaAs在沟道短于20纳米时候，截止频率会变小）。吕劲教授课题组第一次进行了亚10纳米石墨烯晶体管的第一性原理模拟。发现它们的截止频率依然随沟道长度减小反比增大（即不受短沟道效应的影响），可高达几十太赫兹。如果此时利用六角硼氮片夹单层石墨烯或对双层石墨烯场施加电场打开石墨烯能隙，输出特性曲线会出现非常明显的电流饱和性质，这将大大提高石墨烯射频场效应管的电压赢得和最大震荡频率，同时太赫兹以上的截止频率依然能得到保持。相关工作发表在《scientificReports 3，1314（2013）；doi：10.1038/srep01314》上。

比起三维的块材，一维的纳米管和纳米线，以及零维的团簇体系，二维原子晶体，是研究的最少的一个维度。以石墨烯为代表的二维原子晶体正成为计算材料研究的一个主要对象，国际竞争十分激烈，几乎到了白热化的地步。在石墨烯的研究上，中国科学家总体上落后了一步，但在硅烯的研究上，中国与国际先进水平大体同步。另外一个典型的二维原子晶体石墨炔还是中国科学家中科院化学所李玉良研究员最先合成的，而吕劲教授的课题组最先计算了石墨炔的精确的准粒子能带，得到了精确的能隙为1.1eV，而先前的密度泛函理论算出的能隙只有0.5eV左右。然后他们又用多体理论计算了石墨炔的电子吸收谱，发现电子吸收主要是由激子决定的，理论结果得到了李玉良研究员实验上的支持，文章发表在《PhysicalReview B 84，075439（2011）》上，已经被各种杂志引用了30次。

计算机材料应用 篇7

中国是最大的发展中国家, 经济的持续快速增长带动了建筑业的迅猛发展。目前, 计算机技术已经渗透到各个领域, 建筑业作为我国的支柱产业之一, 其迅猛发展也得益于计算机技术的迅速发展。本文仅就计算机技术在新型材料设计和建材质量检测中的应用情况进行探讨。

1 利用计算机技术进行新型材料设计是发展新型建筑材料的重要手段

建筑材料在长期使用中经受风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等作用, 其性能会逐渐变化, 合理选用建筑材料至关重要。由于建筑材料的用量很大, 其费用通常占到工程总造价的50 %以上, 直接影响到工程成本, 因此, 在选用建筑材料时, 既要考虑安全、经久耐用等技术性能, 同时又必须兼顾经济性。开发经济实用、性能高的新型建筑材料, 具有十分重要的现实意义。

新型建筑材料是区别于传统的砖瓦、灰砂石等的建筑材料新品种, 具有轻质、高强、保温、节能、节土、装饰等优良特性。采用新型建材不但可以使房屋的功能大为改善, 还可以使建筑物内外更具现代气息, 满足人们的审美要求;有的新型建材可以显著减轻建筑物的自重, 为推广轻型建筑结构创造了条件, 推动了建筑施工技术的现代化, 大大加快了施工速度。

材料设计通常分为3个层次。一是微观层次, 即运用统计力学与量子力学的原理来研究原子与分子的集体行为;二是显微层次, 其大小在微米以上, 研究的对象是许多原子或分子在一定范围内的平均性质如形变、磁性等, 一般用连续统计方程来描述;三是宏观层次, 如宏观性能、生产流程与使用性能之间的关系、材料的断裂以及微观结构的形成等。

计算机技术可以将3个层次的因素都考虑在内, 通过建立模型和计算机模拟, 得出符合预期性能的新材料的最佳成分、最佳结构和最合理的工艺流程。将计算机的高速计算能力、巨大的存储能力和逻辑判断能力与人的创造能力相结合, 可以对材料设计提出创造性的构思方案;可从存储的大量资料中进行检索和方案比较;可在总体设计和局部设计中进行大量的、非常复杂的数学和力学计算;可对设计方案进行综合分析和优化设计, 确定设计图样, 提供组织生产的管理信息等。这种设计方案大大提高了设计质量, 缩短了设计周期, 为开发新型建筑材料和发展新工艺创造了条件。

2 计算机技术在建材质量检测中的应用对建筑工程质量的提高起到了显著作用

早在20世纪50年代, 我国建材行业就开始了自动化的研究、开发与应用, 当时主要是建材参数检测和单回路调节, 从20世纪70年代开始进行模拟和数字计算机的应用研究。20世纪80年代以来, 随着计算机技术的应用, 建材工业自动化的发展速度较快, 分析检测仪器和装备也得到了较大的发展, 检测机构的业务量不断增加, 竞争也日趋激烈。伴随着计算机网络和软件的普及, 多数检测机构已经着手信息化建设, 在不同程度上组建了局域网, 并开发或购买了检测信息管理软件系统, 改变了建材行业信息化管理落后的局面。

在工程项目的质量监督与控制中, 应用计算机技术是促进建筑业技术进步的重要手段。在建筑材料质量检测中推广应用计算机技术, 对提高建筑产品的质量、经济效益和环境效益起到了重要作用。目前, 混凝土材料质量检测中的计算机应用技术已经有了比较大的发展, 出现了一批用于试验管理和报表打印的计算机软件。这些系统包括了建筑企业一级试验室所应承担的所有检测项目, 具有材料质量检测、配合比设计数据的录入、检验结论和试验报告的生成、查询、统计和用户权限管理等功能, 并可以在网络上实现信息资源共享。

计算机管理为建筑材料检测试验信息的利用提供了方便快捷的统计查询手段, 不仅可以协助试验室管理人员安排试验计划, 提供试验量统计, 而且能为工程管理者提供必要的质量控制统计信息, 对通用水泥等建筑材料的质量进行分析评定, 为建筑主管部门进行工程质量监督与控制提供参考。

采用计算机进行混凝土配合比辅助设计, 以设计出强度合格又比较经济的混凝土配合比是试验室的重要任务, 也是近年来施工领域研究的重要课题。试验室根据采集仪所采集的建筑材料的原始试验数据, 自动计算生成试验报告。目前已开发的计算机系统包括业务委托书管理、试验数据接收、试验报告生成、报告数据管理、系统维护、系统查询、试验项目标准的初始设置、设计工具等模块, 实现了混凝土试块、砂浆试块、小砌块 (体) 、烧结普通砖、水泥土、烧结多孔砖、水泥安定性、水泥强度、钢筋原材、焊接钢材、钢筋复试、混凝土芯样、混凝土抗渗、混凝土抗折、混凝土回弹、混凝土配合比、砂浆配合比、防水材料、油漆、涂料、铝合金门窗、PVC 管材 (件) 、开关、插座、电线 (缆) 、粉煤灰、砂检测、石检测、砂浆灌入法测强、植筋拉拔、绝缘阻燃电工套管、原位轴压法测定砖砌体强度、室内环境检测、脚手架用钢管壁厚检测、脚手架用扣件力学性能检测、脚手架用钢管力学性能检测、沥青、承载比 (CBR) 试验、路基土压实度 (环刀法、灌砂法) 、沥青路面渗水、沥青路面抗滑性能、沥青混凝土路面钻芯密度测定、沥青混合料中最佳沥青用量试验、沥青软化点试验、烧失量试验、粗集料筛分试验、细集料筛分试验、砂筛分试验、集料压碎值试验、集料含泥量试验、粗集料磨耗试验、细集料当量试验等100多种常用建材性能检测项目数据的网上委托、网上银行支付费用、试验数据自动采集、数据处理、报告复核、报告审核、报告打印、报告汇总、不合格月报及混凝土、砂浆试块强度等级的评定等全过程的自动化控制管理, 试验中不需要人工干预, 提高了工作效率和管理水平。

3 结语

计算机材料应用 篇8

当前, 我国的电缆制造企业的商品化的电缆设计和计算软件还没有完善起来, 仍然需要人工运算的地方还很多, 比如关于电缆结构的设计和材料消耗的计算。在结构设计计算中的电缆规格有很多种, 并且它们的结构变化形式也多种多样, 如果工作人员的专业知识不扎实, 发生计算错误的可能性就会比较大, 甚至出现安全问题。与此同时, 由于电缆材料的市场价格浮动很大, 电缆市场的变化速度往往大于人工进行的成本计算。另外, 虽然国家已经根据相关标准把诸如基准流量的常用电气参数的计算方法确定了下来, 但是出于来自各个方面的因素, 尽管电缆产品规格相同, 也不能保证生产企业的计算结果是相同的。

因此, 开发一种电缆结构设计和材料消耗计算软件是非常有必要的。它应具备的功能是经过系统的自动化处理把各种常用电缆的结构和材料消耗参数计算出来, 比如电阻、电感、电容等。这一软件具有很高的可靠性, 十分有利于工作开展。

一、软件的设计原理

工作流程如图1:

二、软件的特点

在软件系统的开发过程中, 为了克服结构化分析设计技术中存在的问题, 产生了OOP技术。这种技术可以模拟人类的普遍思维, 在软件开时, 符合人类认识世界、改造世界的方式。通过OOP的编程可以产生一种程序, 这种程序比较容易维护。如果用户在这个程序中建立对象, 这一对象可以得到用户或其他程序员的运用, 而不必要对代码进行重新编制。对象的重复性使用能够使时间得到高效利用, 提高程序性能和工作人员工作效率。

这一软件的开发采用了Borland公司的Delphi6.0的一种新的设计技术, 即OOP, 是一种对话框式的应用程序。Delphi是一种先进的开发环境, 具有以下特点:

1、简单和使用的人机交互界面

软件采用了对话框式的交流方式, 由三部分组成, 即主工作界面、欢迎界面和大量对话框。主工作界面是提供操作的平台, 操作起来十分简单, 如图2。每一个对话框的默认值明确, 输入可以用特别少的操作完成。除此之外, 还具备数据自动检查功能, 简便易用。

2、便于操作

根据使用环境的不同, 软件操作分为快速模式和设计模式两种。在快速模式的使用过程中, 用户仅仅依靠鼠标就能够很好地进行所有设计和计算。而设计模式能够调整电缆的详细结构, 使其得到适当改变, 满足一些特定情况下的要求。图3为快速模式的输入对话框。

3、较强的适用性

由于市场环境的变化持续不断, 再加上每一个企业的实际状况是不同的, 软件中可以设置一些可以随时进行修改的参数, 比如电缆各生产工序的消耗系数等, 算出参数的经验值, 保证结果的准确性, 符合市场发展的要求。图4为系统参数修改对话框。

4、扩展较容易

在软件设计的过程中, 可以采用一些面向对象的设计技术以维护系统稳定性和可重用性。其中, 计算参数的设置还可以按照用户的不同需求来进行, 切实满足客户的需求。不仅如此, 还能够增加一些新的功能。

三、软件所具备的主要功能

(1) 设计电缆结构

结构设计包括从额定电压0.6/1 kV到127/220kV的低压、中压和高压电力电缆, 1 kV和10 kV架空导线以及450/750 V布电线。在结构上, 不仅包括国家标准下的所以类型, 而且当前我国使用较频繁的一些类型也包括在内, 随后也可能会涉及其它电缆类型。

(2) 计算材料消耗

通过材料消耗的计算可以把常用电缆类型的每种材料的重量和成本快速准确地计算出来, 比如电力电缆的导体金属材料、各种绝缘材料、内外护套等。在软件内部存在着接近一百中的电缆常用材料的特性, 向密度和单价等, 因它们的存在使得电脑的使用方便了很多。图5为材料的特性参数, 为了满足市场变化的需求, 用户也可以改掉材料特性参数。

(3) 计算常用电气参数

为了使用户能够很好地使用, 除结构设计和材料消耗之外, 还要根据当前市场常用型号的电缆状况来进行一些电气参数的软件设置。可以计算的参数有直流、交流电阻, 电容, 电感以及基准载流量等。

(4) 输出结果

软件的输出结果有很多种方式。输出结果不仅可以在界面上有所显示, 而且可以保存下来或打印出来。图6为结果输出选择界面。如果电缆的规格不同, 为方便用户的选择, 在输出的参数之间可以进行一个很好的对比。除此之外, 在设计模式下, 可以对计算结果进行一个简单的调整。

四、应用状况

电缆公司对电缆结构设计和材料消耗计算软件的试用情况反应良好。为符合生产的实际情况, 需要事先对计算参数进行调整。在进行其它规格电缆的计算过程中, 该软件不仅计算准确, 而且效率很高, 受到用户的广泛好评。

五、结束语

计算机材料应用 篇9

1 CT成像技术的发展

X射线由德国物理学家伦琴第一个发现, 最先应用于医学诊断。 但后来发现在不同角度对试样进行投影时, 影像会发生重叠, 影响图像的识别。 1917 年, Randon[4]提出了断层扫描的基本思想, 将得到的多个投影图像进行Randon计算变换后再重构即可避免图像的重叠。 1963 年, Cormack[5]发现X射线穿透物体后, 由于物体内部组分的不同, 会产生不同的吸收率, 其提出了用计算X射线吸收分布的方法来判断物相组成。 1972 年, Hounsfield[6]独立研制了第一台医用CT, 分辨率约为26mm。 目前, 随着CT实验技术的发展, 其最高分辨率已经可以达到纳米级, 为水泥基材料不同尺度的微观结构表征提供了技术上的可行性。

2 CT成像原理

当强度为I0的单色X射线穿透衰减系数为 μ 的均质物体时, 物体会吸收部分能量, 吸收强度与物体厚度D和衰减系数相关, 衰减后的射线强度I[7]为:

式中:

I———单色X射线穿透物体衰减后的射线强度, J/ (cm2·s) ;

I0———单色X射线的入射强度, J/ (cm2·s) ;

μ———衰减系数, cm-1;

D———物体厚度, cm。

若为非均质材料, 衰减后的强度I[7]为:

X射线通过水泥基材料后的衰减与材料原子密度直接相关[8]。 CT成像利用这一原理, 将原子密度的衬度信息用探测器记录下来。 样品每旋转一定角度, 便记录该方向上的衬度信息。 当样品旋转180°后, 将获得样品在各个方向的二维投影, 再通过计算机处理技术, 将二维投影重构成三维图像, 从而可以得到样品不同原子密度组分的空间分布信息。 投影的数量越多, 重构体积的分辨率就越高[9]。

3 CT成像的技术优势

相对于其他测试方法, SXCT无需对待测样品进行预处理, 对微观结构不会产生破坏, 还可以对样品进行原位连续观察。 SXCT能表征样品的三维空间微观结构, 更符合实际的微观结构。 尽管SXCT在研究孔隙结构时, 受图像分辨率的限制, 能表征的孔径为大于图像分辨率的孔, 低于图像分辨率的孔则无法识别, 但对于孔径主要为微米级的样品或需要研究孔径的动态变化过程时, SXCT具有压汞法和氮气吸附法等其他方法不具备的优势。 如在研究碳化硅发泡剂对孔隙结构影响过程时, 由于加入发泡剂后孔径尺寸明显增大, 多为微米级孔, 超出压汞法的主要测量范围, 且用SXCT还可以研究发泡剂引起孔隙结构变化的连续过程, 因而在研究碳化硅发泡剂对孔隙结构的影响时CT比压汞法更合适[10]。

4 SXCT在水泥基材料微观结构中的应用

4.1 SXCT观测水泥浆体微观结构

SXCT根据不同原子序数的元素对X射线的吸收不同而产生不同的灰度区分各种物相, 如孔隙吸收的X射线很少, 因此在所得图像中最暗;未水化的水泥熟料会吸收大部分X射线, 在图像中最亮。 但是对于C-S-H凝胶、氢氧化钙 (CH) 、AFt和AFm等水化产物, 其吸收系数相近, 灰度难以区分, 需借助其他分析手段进行识别。 通过与背散射电子图像法结合确定物相种类, 与压汞法结合得出各孔径范围的孔隙率, 最终得出试样从纳米到微米各级别的孔径分布, 连通孔和封闭孔的孔隙率、曲折度等, 从而可以对试样的宏观渗透性进行预测[11]。 现在, 高分辨纳米SXCT可以清晰看到粉煤灰颗粒中的灰度分布差异及金属粒子在颗粒中的分布情况, 粉煤灰外层钙离子富集的区域最先参与溶解反应, 为研究粉煤灰的反应活性提供了证据[12]。

SXCT还可以直接测得未水化水泥熟料的三维体积分布, 计算得到未水化水泥熟料的含量, 结合水灰比, 可以计算出水泥熟料水化程度随时间的变化[13]。

He Yongjia[14]用SXCT原位观察硅酸盐水泥不同水化时间的水化过程, 发现水化产物首先在熟料颗粒附近出现, 然后向毛细孔区域扩散, 最终通过SXCT图像计算获得不同龄期下水泥熟料的水化程度。Diamond等[15]运用SXCT研究砂浆结构时发现, 在骨料表面存在一个水化不充分的过渡区, 另一边是水化充分的高密度区域, 证明了砂浆中界面过渡区的存在。 对于水泥水化初期水化硅酸钙凝胶的分布一直存在争论, 尽管有人质疑[16]诱导期水泥颗粒表面反应减慢的原因是因为水化产物覆盖了颗粒表面, 但沈业青等[17]根据SXCT获得的超低水灰比早龄期水泥水化产物分层结构发现, 内层水化产物呈高密度堆积, 外层水化产物呈低密度堆积, 且随着龄期增加, 内外层产物堆积密度增加速度均变缓, 解释了诱导期水化速度降低的原因。

4.2 SXCT观测孔隙结构

SXCT对孔隙率的识别主要通过双重图像扫描法和阈值分割法[18]。 双重图像扫描法是指对试样的同一位置进行两次X射线扫描, 用两次得到的数据差值进行孔隙率计算; 图像阈值法是通过设定固定阈值, 将阈值范围内的物相都视为孔隙, 计算其所占体积百分含量。 水泥基材料中通常采用的是阈值分割法。 当选用灰度阈值识别孔隙结构时, 孔隙率的计算结果与所选像素的尺度有关。 若降低图像分辨率, 所得的孔隙连通性也会下降[19]。 D.P.Bentz等[20]通过SXCT对水泥样品的三维微观结构进行分析, 采用阈值分割法获取到孔隙的三维结构特征。 图1[13]为通过阈值分割获得的孔隙三维结构, 从图放大部分可以清楚地看到完整的孔隙网络结构, 既有连通孔, 也有孤立孔。 表明运用SXCT定性研究孔隙的三维结构, 特别是连通性信息是可行的。 但对于水化龄期较长的样品, 孔径尺寸逐渐减小, 当孔径尺寸低于仪器分辨率后便无法观测, 这就限制了CT技术的应用范围。 Sumanta Das[11]采用图像扫描法, 计算孔隙在三维方向上的运动轨迹, 也可以判断孔隙连通与否。 Promentilla[21]也有类似研究获得了孔隙的连通性信息, 并对其他测试方法所获得的材料渗透性能进行了验证。

SXCT技术不仅可以用于表征孔隙三维方向的结构特征, 还可以用于水泥浆体孔结构连续变化过程的原位观察。 B.K.Bay等的研究发现, 随水化时间增长, 水化产物 (如C-S-H凝胶和CH) 逐渐填充孔隙, 使孔隙结构随龄期发生连续变化[8]。 Nicoals Burlion等[22]用SXCT观察到浸润过程中孔隙灰度的连续变化, 结合数值模拟, 建立了孔结构的空间演变过程模型, 从而可以研究混凝土的耐久性。 Noach等[23]将SXCT和曲折度计算方法相结合, 将连通孔、表面孔、孤立孔等不同孔隙区分开, 对孔隙结构的研究更加细化。 通过分析受力后孔隙率的变化, 还可以研究材料在受力条件下的损伤破坏过程及不同应力下试样的孔隙变化[24]。

除孔隙率和连通性外, 影响水泥基材料渗透性的参数, 还包括平均孔径、临界孔径等[25], 更完整地分析孔隙结构, 更好地预测材料的宏观性能, 可以将不同测试方法结合使用, 如压汞法、背散射电子图像分析法和CT结合使用。

4.3 SXCT观测裂缝的发展

S.P.Shah等[26]用SXCT观察了裂缝在水泥浆体中逐渐扩展的过程。 陈厚群等[27]根据差值CT图像是否出现线状或环状影像来判断裂缝是否存在, 并通过变换CT图像中像素阈值范围找出裂纹分布的特点, 确定等效裂纹区域。 田威等[24]分析了在加载过程中混凝土试件的CT图像, 发现试件的裂缝一般围绕骨料, 向水泥基体中扩展, 最容易发生开裂的区域是水泥基体与骨料的黏结区域, 验证了宏观实验的结果。

5 CT技术的误差来源

5.1 伪像

伪像是指被测样品受到干扰的情况下, 在图像中显示出原本不存在的影像, 包括条纹、阴影、圆环等。设备硬件缺陷和X射线强度不合适等都是产生干扰的原因。 而闪烁器、探测器等设备硬件产生的伪像远超过由于X射线强度不合适产生的伪像。伪像会降低图像分辨率和质量, 从而影响物相识别。 水泥基材料CT图像中最常出现的是环形伪像, 这是信号误差在样品的旋转过程中形成的。 通过使用单色同步辐射光源, 或使用衰减过滤器、减小样品尺寸等可以避免此类误差[28], 也可以在后续图像重建过程中, 采用相位恢复进行修正。

5.2 分辨率

分辨率是图像上能分辨出的两点之间的最小距离。 SXCT分辨率由射线源能量和仪器参数共同决定的[1]。 射线源能量越大, 其有足够的能力穿透物体, 分辨率就越高, 但当射线源能量过大时, 透过不同组成的物相后所产生的衰减度的对比则会变小, 不同物相间的灰度对比差异减小, 影响物相识别。 探测器类型属于仪器参数的一种, 包括CCD、IP板和电子变焦管等, 其中电子变焦管较其他探测器有很高的灵敏度, 可探测极弱的信号[29]。

从20 世纪80 年代CT应用于水泥基材料的研究开始到现在, 其分辨率已经有了很大的提高, 能观察到更为细致的微观结构。 Morgan等[30]第一次用CT来观察混凝土柱时, 其分辨率只有1mm/像素, 而且图像噪声很大, 如图2。 2002 年, Bentz等[31]利用欧洲同步辐射线站进行硬化水泥浆体的测试, 此时图像的分辨率已达到1μm/像素。 现在, SXCT测试水泥浆体试样的图像分辨率已经达到了0.5μm/像素[32], 而高能量的SXCT图像的分辨率已经可以达到约15nm[12]。

随着对水泥基材料微观结构更深入了解的需要, 人们对CT分辨率的要求越来越高。 但若单纯地追求高分辨率, 而不能控制图像噪声, 也是没有意义的, 因为当噪声过高导致各不同组分的边界混淆, 灰度对比降低, 也会影响图像分析结果的准确性。

6SXCT应用中的局限性

1) SXCT应用中最大的局限性就是空间分辨率对实验结果的影响很大, 该方法难以表征尺寸低于分辨率的微观结构特征, 如水泥基材料中大于100nm的孔即为有害孔[33], 若CT的空间分辨率达不到100nm/像素, 通过CT测试就不能表征这部分孔的信息。

2) SXCT图像中各物相的灰度值与物相对X射线的吸收系数相关。 有着相似吸收系数的物相, 在CT图像中难以通过灰度值的差异进行区分。

3) 尺寸较小的试样对X射线的吸收较少, 若X射线光源能量较弱, 则需要测试更长的时间来确保获得数据的准确性。 而当试样尺寸过大时, X射线通过试样的时间延长, 试样将吸收更多低能量光子, 在组成均匀的样品边缘产生明显衰减, 形成误差。 因此试样的尺寸须控制在几个厘米内, 这就限制了SXCT的样品尺寸, 甚至产生尺寸效应。 另外, 将水泥浆体注入到直径为几厘米的毛细管中时, 管壁效应也将会对试样的微观结构产生影响, 对水泥基材料的微观结构表征带来误差。

4) 同步辐射实验装置的运行需要大量的场地和经费, 数量上也远没有其他实验室仪器那么多, 这些都限制了SXCT的广泛应用。

7结论

计算机材料应用 篇10

1 课程特点

材料成型计算机控制是冶金轧钢专业的一门主干必修技术课, 该课程阐述了过程控制计算机的基本知识以及过程的输入及输出技术、总线技术、物料的跟踪、轧机预设定、自动位置控制、自动厚度控制、自动宽度控制及自动板型控制技术, 是轧制过程自动化的主要内容。本课程需要较强的计算机应用能力, 特别强调基础知识与专业知识之间的衔接, 注重理论与实践的结合, 强调如何应用计算机控制解决工程问题。通过本课程的学习, 应使学生获得较宽广和巩固的过程控制的基础知识, 具备分析轧钢厂过程控制调度中的基本能力, 掌握生产工艺、机械设备、电气自动化三者间相互联系, 并学习某些典型的板带轧制过程的计算机自动控制方法, 结合过程控制问题编制计算机应用软件, 通过学习提高计算机的实际应用能力, 从而为今后技术管理、问题分析做好知识的储备。

2 精心组织课堂教学

在本课程授课过程中, 根据教学大纲的要求, 为了培养学生对工业自动化过程的硬件和软件知识框架系统掌握, 以及解决问题和分析问题能力, 我们采用了灵活多样的教学方法, 充分调动了学生的积极性, 发挥他们的主动性和创造性, 取得了良好的教学效果。具体为。

2.1 采用启发式教学, 提高课堂效果

课程组根据专业和课程的特点, 在教学方法上, 改革了传统的以课堂教学和教师为中心, 重教有余、重学不足的教学方法, 将生硬刻板的传统教学模式变更为教学互动的现代授课方式。注重因材施教, 积极实行启发式、讨论式、教学做相结合以及现场教学等多种教学方式。鼓励学生独立思考, 激发学生学习兴趣。把原来“满堂灌”的过程改为在教师引导下师生共同探索的过程, 真正做到了教学相辅相长。使学生在掌握知识的同时获得学习知识的思维和方法, 培养了学生的科学精神和创新意识。比如对课程中有些内容进行专门讨论, 老师只是指明大概的方向, 具体的内容由学生查相关的文献资料, 选择一个可行的方案后, 上讲台介绍给其他同学, 每介绍一个方法后集中同学进行讨论。讨论各种方案的可行性, 经济性等, 判断那种方法将来会杯广泛推广。这样在大量查阅文献资料的基础上, 学生既能够了解目前轧制工艺制度, 又锻炼了学生的口头表达能力, 并使学生体会到教师讲课之不易, 更加珍惜现有的学习机会, 激发其学习积极性。主动性, 寓素质教育于专业教育中[2]。

2.2 工程案例、实践归纳教学法

教学过程中将教师的科研工作结合到教学中是理论联系实际最好的方法, 也是该课程教学的特色之一, 这种结合有利于学生理解和知道如何将学到的知识应用到具体的生产实践中。由于任课教师从事该领域的科研工作多年, 有丰富的实践经验, 为这种教学的方式奠定基础。利用课题组开发的冷轧计算机指导操作系统, 在课堂教学过程中, 展示有关实物模型 (如PCL812、PCL731、PCL836等接口模板) , 并结合实物模型讲解其接口功能、编程方法及操作说明。

2.3 多媒体教学和网络教学

在传统的课堂教学中, 一般采用的是“教师—黑板—学生”的教学模式, 比较单调和枯燥, “教”与“学”很难在课堂中得到良好的协调, 因而也就难以对教学内容进行及时而有效的消化, 影响了教学效果[3]。目前实际教学中使用的是传统教学方式与多媒体教学方法相结合, 以多媒体教学为主的教学方式。为便于学生学习该课程, 课题组按照新课程体系的内容, 运用Powerpoint和三维动画技术将讲课内容制作成幻灯片, 开发出多媒体课件。如:把轧制过程的设定方法用于解决轧制生产中的实际问题的例子用多媒体课件形象地表现出来, 这样不仅可使学生加深理解且可大大提高学生的学习兴趣和学习掌握知识要点的自觉性。此外, 课题组利用网络和多媒体技术, 努力建设精品课程网站, 为教师开展教学以及学生课后自学、复习提供有益的帮助。

2.4 定期开展教学研讨活动

教学小组定期开展教学研讨活动, 密切注视国内外在该领域科技与教育方面的进展, 讨论教学方法, 回馈授课信息, 并交流教学经验, 注重教学与科研的有机结合, 保持教学内容的系统性、先进性和新颖性。

3 重视实践教学

该课程覆盖的知识面广, 理论较为深奥和抽象, 要使学生能够巩固、掌握和应用计算机知识, 达到专业级的水平, 必须加强实践性环节的教学, 理论与实践相结合, 通过实践教学来帮助学生验证和巩固所学的理论知识, 并培养学生养成严谨的科学态度, 提高学生实际动手能力、分析问题和解决问题能力。为此, 我们在课程结构体系设计中加强了实践教学的比重, 对实践教学时间、内容做了合理安排, 使学生的实践性教学环节收到了较好的效果[4]。主要途径包括。

3.1 建立“材料成型计算机控制系统”教学实验室

近几年, 本课程教学队伍得到了较好的完善和提高, 授课教师包括教授2名, 副教授1名, 高工1名, 讲师2名。建立“材料成型计算机控制系统”教学实验室, 对相关实验教学设备进行更新和改造, 使实验手段和条件得到了较大程度的改善。比如, 针对实验室原先的可逆二辊轧机进行过程检测自动化改造, 对输入输出、轧机设定进行手动操作, 方便学生在实验时自己动手操作;并在实验室针对新安装的16辊冷轧机控制系统进行现场调试, 对轧制过程中轧件的跟踪、数据的传输、数学模型的选择及PLC编程进行现场讲解。另外, 结合教材的内容, 有针对性地安排了:计算机及工业控制机硬件;输入输出接口软件编程;轧机设定;PLC等实验。学生在学习了理论课程内容后, 通过在实验室自己动手做课程教学实验, 加深了对相关内容的理解和掌握。此外, 我们还配备了开放实验和设计型实验, 针对性地安排实验内容, 实验教学不但能培养学生的动手能力, 提高学生观察和发现问题、分析和解决问题的能力, 还能使学生加深理解和记忆书本上的知识。保证学生能扎实掌握专业技术和应用能力, 使学生获得实践的机会, 并可根据自身的爱好和兴趣或用人单位的需求, 自行设计、选择相关实践项目, 掌握真才实学。以“计算机控制”作为设计要点, 将“系统”最优运行作为实验目的, 建立综合性和创新性实验平台。

3.2 建立校外实习基地

认识实习和生产实习是本课程加强实践性教学环节的重要途径, 目前, 我系有多个校外实习基地, 包括武钢大型、轧板厂和冷轧厂等, 学生在参加企业的实习过程中, 除了了解生产工艺流程、原料及产品、生产设备及主要技术经济指标, 获得材料成型工艺和设备基本知识外, 也针对性让学生对主控室、调度室和主操室里的操作过程有一个粗步的感知认识, 对工艺参数的设定、修改、数据的传输和备份以及对控制过程有一个大致的了解。

3.3 上机实验

本课程安排8个学时上机实验, 要求学生利用面向对象开发平台独立编写热连轧带钢预设定程序, 通过课堂教学和上机相结合, 使学生的计算机应用能力进一步提高。

4 结语

通过增设实践环节、采用先进的多媒体教学和网络教学, 改变了该门课传统的“一张嘴、一支粉笔、一块黑板”的落后教学模式。学生普遍反映该模式可以激发他们的学习兴趣, 培养了积极提出问题和解决问题的习惯;同时, 也提高了学生实际动手能力、分析问题和解决问题能力, 为学生从事毕业设计以及毕业后步入工作岗位打下了坚实的基础。

参考文献

[1]赵刚, 杨永立.轧制过程的计算机控制系统[M].北京:冶金工业出版社, 2002.

[2]张云祥, 赵刚, 徐光, 等.“控制轧制及控制冷却”课程教学实践与心得[J].科技创新导报, 2008, 8:39.

[3]陈桂, 汪木兰.《电力拖动控制系统》教改探索和实践[J].中国现代教育装备, 2005, 7:23～26.

浅谈综合材料绘画中的材料应用 篇11

关键词：综合材料；绘画；材料应用

作者简介：汤宽亮，汉族，籍贯：四川成都，成都大学硕士研究生，研究方向：油画。

[中图分类号]：J2 [文献标识码]：A [文章编号]：1002-2139（2016）-14--01

综合材料绘画把材料作为主体，就需要了解每一种材料的属性和社会属性。为了使艺术家所创作出的作品与时俱进，代表当下的社会现象就需要不断改进与了解材料，同时社会经济的发展，生活水平的高低也会影响艺术家作品创作的灵感，怎样更好的合理应用材料就十分重要。

一、绘画材料的发展

古代胶彩画是欧洲最早出现的绘画形式，一种应用胶为媒介，把天然的矿物粉末与水调和，用笔在纸或木板上作画。

然后是丹培拉绘画是在木板上用蛋黄和水调和颜料粉的绘画，采用多层叠色法使作品的颜色不断叠加，达到饱和的效果。圣像画是这一时期的主要内容。最后是油性丹培拉绘画，油性丹培拉就是以油作为媒介，油的优势就是使画面更加真实。凡爱克兄弟是丹培拉混合技法的代表，他们解决了油画快干的速度，并且这种作画方式更能保存绘画作品。

总之，从古代胶彩画到丹培拉绘画，油性丹培拉绘画这基本都属于“间接绘画”系统，直到印象主义绘画的成熟，“直接画法”成为艺术家普遍使用的方法。美术材料的发展，艺术家在市场中买的管装颜料代替了手工研磨的矿物粉，管装颜料颜色多达几十种，节约了研磨的时间，艺术家能利用更多的时间在艺术作品创作之中。油画布以白色底为主，采用快速挥发的油做媒介，艺术家可以在调色盘上调和复合色，直接画在画布上，这样更能在画面中看见笔触的个性化、自由随性的表现。

纵观绘画材料的发展，材料的影响使“直接画法”代替了“间接画法”的绘画形式。传统艺术发展到现当代艺术，材料作为绘画的载体，演变成了材料作为绘画的主体，材料完美的改变了艺术身份[1]。现当代艺术把综合材料作为主体是跟时代的气息和审美风格息息相关，人们不再是追求真实物体的再现而是内部意蕴通过综合材料来表达艺术源于生活又高于生活，使精神、情感、内涵高度统一。

二、国内画家对材料的应用及观念的表达

当下我们最耳熟能详的当然就是蔡国强的火药，火药是作为蔡国强最重要的创作材料。在采访中，蔡国强曾这样提到过他的艺术深受道家思想、东方神秘主义、风水学说、传统中国宇宙论的影响。蔡国强把艺术方向转向了大自然，他的转向是把这些材料作为绘画形象。

1985年，蔡国强创作的《自画像》（如图一）该画高167厘米，宽118厘米，画面中的人物的大小跟真人差不多表现的像是艺术家本人一样，整个画面给人一种模糊的感觉没有对画面进行细致的刻画[2]。人物消瘦赤裸裸的伫立着，剪影般的人物框架凸显在画面的背景之中，画面中黄色的油画颜料更加突出人物的一种孤寂，包括在人物的四周用导火索烧出的清晰又模糊的痕迹更能加强画面的丰富层次。从这样一幅作品中让人联想到中时期那些受难的圣徒，他们的生活过的是多么的凄惨，画面中使用火药爆炸的那一瞬间也象征了人们追求解脱个人自由的强烈愿望。

三、综合材料绘画中材料应用的感受

综上所述，艺术家作品中材料的分析和材料应用观念的表达，说明了对任何一位艺术家的作品分析不能片面，要从绘画中反映艺术家的思维，把这种思索通过具体的材料形象加以阐述，揭示艺术家进行创作时的技术、感性的模式，促进个人创作思维的训练。材料艺术的创新，表现力的丰富，有助于艺术家对观念的阐述，思想内涵内外在的表达。

材料作为新的绘画语言是当今有价值的研究，在材料中材质也是一个核心问题，材质决定物质自身的价值特性和材料的精神。每一种材料都有其自身的特性和值得大家关注的价值。在创作过程中，有时材料决定整幅作品的创作表达视觉方向，当主观决定时，材料根据人的意志同时也随自身特性变化，材料的真实感取代了绘画中虚幻的错觉。在创作过程中我们也应该保持理性的态度进行创作，在完成作品后反复总结经验和探索创新才能达到感性与理性的完美结合。

材料在大自然中随处可见，作为一名艺术工作者，你采用怎样的材料与你的艺术风格是密不可分的，我们需要去发现大自然中不同材质的艺术特征，热爱大自然，在自然中去寻找属于你自己个性的东西，勇敢尝试不同的材料进行试验，最终一定会找到适合自己的特种材料，并以材料进行创作。艺术需要不断去探索与实践，材料的合理利用是个性风格特征很重要的一方面，如何将材料的自然属性与画家的心理属性所表达的图示语言有一种非常自然的结合，这是我需要不断去思考和总结的经验。从而更好地运用到我的作品创作之中，才能使绘画语言更加丰富、突出、生动。

参考文献：

[1]张元，油画教学的·材料艺术工作室[J].2007.

计算机材料应用 篇12

材料是人类科技进步与文明发展的基石.在许多工业领域, 传统的金属、陶瓷等各向同性结构材料已达到或接近它们的应用极限.纤维增强复合材料由于其高比刚度、高比强度以及材料性能的可设计特性, 已成为航空航天领域的首选甚至唯一侯选材料.现代大型风机叶片长度已接近80 m, 只有采用纤维增强复合材料制造, 才有可能将叶片重量降到最低, 而若采用金属如铝合金等各向同性材料加工, 要使叶片在其两个主惯性轴平面内的刚度与该平面内的最大外载之比达到相同几乎不可能.在地面交通领域, 复合材料的应用不仅能显著减轻车身自重、减少推动自身的能源消耗, 而且重心下移也增加了行车安全性.

对任何结构材料而言, 强度无疑是最重要的一项性能指标, 因为强度与灾难性破坏直接相关.只有掌握了复合材料极限承载能力的准确计算方法, 才可设计出既能满足结构承载要求, 又能将材料消耗降到最低的复合材料结构, 将其重量轻的优势最大化.反之, 若缺少有效的理论支撑, 人们只能通过加大安全系数来确保结构设计的可靠性, 这必然会导致余赘材料增多, 结构重量增大, 甚至在所设计的结构中体现不出复合材料减重的明显优势;或者须依赖于反复、多次、重复实验, 不仅耗费大量金钱, 而且导致新产品问世周期漫长.

纤维增强复合材料一般指由连续纤维与基体两种组份材料复合制成的一种新材料, 其强度不仅与组份材料的性能有关, 而且还取决于纤维含量及排列方式.复合材料的强度分析与计算分宏观力学方法与细观力学方法两大类.宏观力学强度理论依据复合材料本身通常是单层板的实验结果预测层合板破坏与强度, 细观力学强度理论则仅仅根据纤维和基体性能参数和纤维几何数据计算复合材料的破坏应力与极限强度.显而易见, 唯有细观力学强度理论才可实现由组份到结构的最优设计.

关于复合材料强度预报的难度及近期状况, 世界知名复合材料力学专家Hashin 20世纪末曾断言:“我确信即便最完整的单层板数据都不足以预测由这些单层板构成的层合板的破坏.尽管在该领域已经获得长足进展, 但我们依然还没有达到预测层合板破坏这一实际目标.我本人不知道如何预测层合板的破坏, 鉴于此, 我也不相信任何其他人能够做到.”[1]

可喜的是, 经过10多年的不懈努力, 我们不仅可以足够合理地预报复合材料层合板受任意载荷作用的极限承载能力, 更重要的是, 这种预报仅仅只需知道组份材料的原始性能数据.实现这一目标的基础是作者[2,3,4]创建的桥联理论 (bridging model) .本文简要介绍如何基于桥联理论, 计算复合材料层合板受任意载荷作用的强度.

根据《材料力学》的知识不难理解, 欲达到上述目标, 必须解决好3个极具挑战性的问题: (1) 必须能准确计算复合材料在任意载荷作用下纤维和基体中的内应力; (2) 必须要基于纤维和基体内应力, 建立起针对单层板及层合板的有效破坏判据, 即细观力学强度理论; (3) 必须能根据独立测试的组份材料性能数据准确定义纤维和基体的现场性能输入参数.以下的介绍将依照这3个方面顺次展开.

1 应力计算

实际中普遍使用的层合板一般由单向复合材料 (单层板) 按不同铺设角层叠制得, 参见图1.由于厚度远小于面内尺寸, 通常采用Kirchhoff经典薄板理论分析层合板 (称为经典层合板理论) .为方便描述, 统一采用增量求解格式.单下标如σi表示应力矢量的第i个分量, 双下标如σij表示应力张量 (矩阵) 的第i行、第j列元素.整型数英文下标 (i, j, k, l, m, n) 表示哑元 (可用其他哑元符号替换) , 实型数英文下标 (26个英文字母中除i, j, k, l, m, n之外的其他字母) 或阿拉伯数如1, 2表示实元 (不可替换) .在总体坐标系下, 层合板中任意一点的物理方程 (应力-应变关系) 为

其中, θ为铺层角, 上标“G”表示“总体”, CGij表示总体坐标系下层板的刚度, {dσi}G={dσxx, dσyy, dσxy}T, “T”表示转置, “k”表示某个单层, 上标“-1”表示求逆

dε0xx, dε0yy, dε0xy和dκ0xx, dκ0yy, dκ0xy分别是层合板中面内的应变和曲率增量, {αi}是单层板的热膨胀系数矢量 (见式 (6) ) , d T=T1-T0, T1是工作温度 (如室温) , T0为参考温度 (如固化温度) , [Sij]是单层板的瞬态 (当前) 柔度矩阵, 由桥联理论确定[2,4]

式中, Vf和Vm分别是纤维和基体的体积含量 (Vf+Vm=1) , 可由实验测定, [Iij]是单位矩阵, [Aij]是瞬态桥联矩阵, [Sfij]和[Smij]分别是纤维和基体的瞬态柔度矩阵.假定纤维直到破坏保持线弹性, [Sfij]就由Hooke定律确定.基体一般是弹-塑性材料, [Smij]由Prandtl--Reuss理论确定.[Aij]和[Smij]的显式公式见附录A, 详见文献[4].

层合板中面的应变与曲率增量不仅与施加在层合板上的机械外载有关, 而且还与温度变化引起的等效热载有关.将式 (1) 代入平衡条件, 得到经典层合板理论的基本方程为[4,5]

式 (4) ∼ (5) 中, zk和zk-1分别为第k层板的下底面和上底面的z坐标, d Nxx, d Nyy, d Nxy和d Mxx, d Myy, d Mxy分别是层合板单位长度 (宽度) 上因机械外载引起的内力和内力矩增量 (图2) , {αjf}和{αjm}分别是纤维和基体的热膨胀系数矢量, {bif}是纤维的热应力集中因子, 由下式计算[5]

任意第k个单层板总体坐标下分担的均值化外载可由式 (1) 计算, 但需在等式右边代入均值化的应变增量

经坐标变换, 得到该单层板在局部坐标下分担的载荷增量为

进一步, 该单层板中纤维和基体所承担的应力增量由桥联理论确定为[2,3,4,5]

总应力则由以下公式更新得到 (l表示迭代步数)

迭代将一直进行下去, 直到层合板产生一个极限破坏而终止.若需计算热残余应力, 只要在式 (3) 中令所有与机械外载对应的内力合力为0即可.

注1桥联理论的核心是桥联矩阵, 其元素分为自变量与因变量, 其中, 因变量由单向复合材料柔度矩阵 (见式 (2) ) 的对称性确定, 自变量最初由半经验公式确定[2,5].后来发现, 当纤维和基体均在弹性范围内, 桥联矩阵自变量可由Mori--Tanaka模型[6]中的对应参数忽略高阶小量后得到[4,7], 但独立评估表明精度更高[8].当组份尤其基体材料进入塑性变形后, 桥联模型给出的桥联矩阵显式表达式 (见附录A) 是独一无二的.

注2由于各单层板本质上是由纯基体材料“粘接”成一个层合板整体, 因此, 两相邻单层板之间存在一个厚度很薄的纯基体界面层.界面层的性能取为纯基体性能, 界面层厚度取为单层板厚度的5%[9].假定层合板厚度及纤维含量不变, 引入界面层后, 表面单层板厚度和纤维含量分别从h0变为0.975h0及Vf0变为0.975Vf0, 中间单层板厚度和纤维含量则分别从h0变到0.95h0及Vf0变到0.95Vf0.引入界面层后, 在层合板求解如式 (4) , (5) , (7) 中涉及的层数为n=2N-1, 其中N为原始层合板中的单层数.

2 破坏判据

式 (8) 和式 (9) 为层合板受任意载荷作用时纤维和基体中的内应力计算式, 需要评判这些应力是否导致单层板及层合板的破坏, 也就是要建立基于组份材料的细观力学强度理论.

2.1 单层板破坏判据

一旦纤维或基体发生破坏, 就认为所在单层板达到了破坏.只需考察组份材料何时破坏即可.

2.1.1 纤维破坏判据

纤维直径细小, 如同梁结构, 主要承担轴向载荷作用, 采用广义的最大正应力破坏判据[2,3,4] (第一强度理论) 较合适, 即纤维中的应力一旦满足下述条件, 就认为产生了拉伸破坏

其中, σ1f, σ2f和σ3f为纤维的主应力 (σ1fσ2fσ3f) , σfu, t为纤维沿轴向的拉伸强度, 幂指数q用于表征多轴拉伸对纤维强度的负面影响, 一般取3.纤维受压缩作用时应考虑多轴压缩对材料强度的正面影响, 其破坏条件是

式中, σfu, c为纤维的轴向压缩强度.

2.1.2 基体破坏判据

虽然最大正应力破坏判据只含两个材料参数 (拉伸及压缩强度) , 可能是最简单的判据, 但用于基体却并不合适, 尽管以往曾大量采用[2,3,4,5].原因是基体为连续相, 其受力与破坏形式远比纤维复杂.将最大正应力破坏判据用于控制基体破坏, 首先面临如何定义基体强度参数的难题, 因为实验测定的基体拉伸与剪切强度不等, 而基体受拉与受纯剪的第一主应力计算方式相同, 皆等于外加应力.这表明, 采用第一强度理论控制基体破坏必然导致某些加载情况下的强度计算失真.必须要考虑基体材料受不同载荷作用的强度差异, Tsai--Wu判据中包含了材料沿不同方向的强度参数.于是, 一旦下述条件满足, 就认为基体达到了破坏

式中, F1~F6为系数;X, X, Y, Y, S分别表示基体材料的轴向 (与纤维方向一致) 拉伸、轴向压缩、横向 (与纤维方向垂直) 拉伸、横向压缩及面内剪切强度, 如何确定见后文.

为表征基体的破坏模式, 可根据基体破坏时的3个主应力之和, 定义基体究竟受等效拉伸还是受等效压缩作用[2,3]

2.2 层合板极限破坏判据

必须指出, 桥联理论的早期应用中, 将最后一层破坏定义为层合板的极限破坏[2,3,5]并不很合适.研究发现[9], 在组份材料的4种破坏模式 (纤维拉伸、纤维压缩、基体等效拉伸、基体等效压缩) 中, 只有基体的等效拉伸是非致命破坏, 其他3种皆为致命破坏.就是说, 一旦出现致命破坏, 无论该致命破坏发生在哪一层, 层合板都达到了极限破坏, 相应的外载定义为层合板的极限强度, 迭代计算终止.另一方面, 非致命破坏只可能引起层合板的刚度退化, 不会导致层合板完全丧失承载能力, 哪怕所有层都出现了非致命破坏.这就有可能出现另一种极端情况, 即层合板刚度不断衰减, 变形无限扩大.为杜绝此类事发生, 人为将某一数值作为临界应变, 强加于层合板.一旦任何一个应变的绝对值达到或超过该临界应变, 同样认为层合板达到了极限破坏.对一般树脂基复合材料, 将12%取为临界应变是合适的[9].因此, 层合板的极限破坏条件有4个, 列于表1.

必须注意, 致命破坏只对原始单层板有效, 对人工引入的界面层, 即便出现基体压缩破坏也须实施刚度衰减, 只有当临界应变条件满足时才视为层合板达到了极限破坏.还须注意, 12%的极限应变只适合于一般树脂基复合材料.对其他如金属基或橡胶基复合材料, 该极限应变可能需要取不同参数.

2.3 刚度衰减

如上所述, 一旦非致命破坏出现就须对所在层的刚度予以衰减.显然, 早期桥联理论应用中曾采用过的完全刚度衰减 (将破坏层的刚度完全放弃) 格式[2,3,5]不够合理, 必须采用部分刚度衰减, 否则, 最后一层破坏将自动对应极限破坏.

研究发现[9], 非致命破坏出现时只需将基体的弹性模量予以折减, 即破坏层中基体的弹性模量按如下公式定义

其中E0m是该层基体破坏发生前的弹性模量.这种刚度衰减的物理意义是:在基体应力-应变曲线最后 (最高) 点前后的切线斜率远远小于初始弹性段的斜率.

3 输入数据

实际应用最关心如何定义组份材料的输入数据.大量实验表明[10], 单向复合材料的横向拉伸强度远低于纯基体的拉伸强度.这表明, 基体的现场强度与其原始强度存在差异.如果将纯基体的原始拉伸强度作为输入数据代入前述公式, 计算的复合材料强度必然与实验不符.但问题是, 只有基体材料的原始强度才可通过实验确定, 基体的现场强度是无法测量的.究竟什么原因导致基体现场强度与其原始强度存在差异?

众所周知, 开有圆孔的平板受面内拉伸在孔边产生应力集中, 应力集中系数最大值为3[11].换言之, 孔边材料的现场强度只有原始强度的1/3.如果在孔内充填性能与平板不同的纤维材料, 同样会产生应力集中.这是导致基体材料现场强度异于原始强度的根本原因.

应力集中对材料弹性性能的影响可以忽略.因此, 纤维和基体的 (现场) 弹性性能与其原始性能完全相同.基体的塑性性能也可通过本体材料试样的单向拉伸和单向压缩直到破坏的应力-应变曲线定义.由弹性应力场分析得知[12,13], 纤维中的内应力均匀, 因而, 纤维强度不受应力集中影响, 可取自材料手册或供应商提供的数据, 但必须说明的是, 由于直径细小, 纤维拉伸尤其压缩强度一般不会直接由试验得到, 最有可能根据近似的混合率强度公式反演确定, 鉴于此, 纤维的强度一般需应用桥联理论由单向复合材料的轴向拉压强度反演调整, 以保障更好计算精度.对于相同的纤维材料例如T300碳纤维, 一经桥联理论反演调整后将保持不变.将纤维和基体初应力为0时的温度T0取为参考 (固化开始) 温度, 由此可见, 只有基体的现场强度与其原始强度不同.当添加纤维引起的基体应力集中系数确定之后, 基体的现场强度就等于其原始强度除以应力集中系数.

根据无限域基体夹单圆柱纤维受远场横向力作用的弹性应力场[13], 导出基体横向应力集中系数K为[14]

将纯基体的单向拉、压强度分别除以应力集中系数K, 定义为式 (10) 中的横向拉、压强度, 基体的轴向与面内剪切强度受应力集中影响不大, 取为原始值

其中, σmu, t, σmu, c, Sm分别是纯基体材料在单向拉伸、单向压缩和纯剪切下的测试强度.

必须注意, 基体塑性性能计算中也必须考虑横向应力集中系数的影响, 即von Mises等效应力及偏应力公式 (见附录A) 必须由以下公式替代

应力集中系数的作用相当于:桥联理论计算出的纤维和基体中应力为平均应力, 纤维内应力场均匀, 平均应力与真实应力一致, 而基体的横向应力须乘以应力集中系数K之后, 才是其真实应力, 这时基体的塑性和强度参数均取为原始试验值.

4 算例

为评判世界上现有复合材料强度理论的优劣, Hinton等人在英国两皇家协会支持下, 组织了业内称为“Failure Olympics”的评估[15], 分5个层面共125个考题.若计算与试验对比误差在±10%内, 得分A;误差在±10%与±50%之间得分B;误差在±50%以上得分C.结果表明, 在全部19个最具代表性的参评理论中, Zinoviev小组的综合精度最高[16].桥联理论虽诞生不久也受邀参加了评估并在参评的细观力学理论中精度最好, 而且是唯一能计算纤维和基体中热残余应力的参评理论[16], 但因破坏判据、刚度衰减等考虑欠佳, 总体精度在19种参评理论中排名第8.引入新的极限破坏判据与刚度衰减后, 计算精度大幅提高, 超过了Zinoviev的精度, 但基体现场强度依然通过反演确定且基体的破坏依然采用了最大正压力破坏判据控制[9].依据本文描述的理论, 基体的拉、压、剪切强度完全采用组织者预先提供的性能数据, 其他组份材料的性能参数则与参考文献[3]盲评时所用数据相同, 重新应用于“Failure Olympics”考题计算, 综合得分精度超过Zinoviev的近10%, 得分A甚至高过了15%, 见表2.

上述结果表明: (1) 桥联理论基于原始组份材料性能数据并将Tsai--Wu判据用于控制基体的破坏所得到精度最高; (2) 考虑基体非线性与不考虑相比, 精度提高10%以上; (3) 考虑热残余应力与不考虑热残余应力相比, 可以将24%考题的精度由得分B提高到得分A.在最简单情况下, 即纤维和基体皆按线弹性处理、所有组份材料性能参数都取自原始数据、不计热残余应力的影响, 采用本文方法的计算精度也与表现最好的宏观力学Zinoviev的计算精度相当.桥联理论的优越性由此可见一斑.

5 结束语

基于桥联理论, 只需知道纤维和基体的原始性能, 就可足够合理计算出复合材料受任意载荷作用下的强度.这在理论和应用上都具有重要价值.所有的桥联理论公式都是显式、封闭的, 设计人员使用非常方便.无论行业、部门还是大型企业, 一旦建立起组份材料性能数据库, 那么, 任意一个复合材料结构的设计和开发都将可能不再依赖于甚至无需任何实验.这不仅会节省大笔试验费用, 而且会大大缩短新产品问世周期.试设想, 若能因此而使新型战机提前面世, 其社会与经济价值将难以估量.本文同时也说明, 为准确评估复合材料结构的极限承载能力, 除了要知道基体材料的拉伸与压缩应力-应变曲线外, 还必须知道复合材料固化开始时的温度.换言之, 必须提供组份尤其基体材料的非线性性能和热残余应力有关的数据, 而后两项恰恰在业界被忽视了.自先进复合材料进入工业应用60余年来, 国内外已积累有大量复合材料性能数据, 遗憾的是, 很难在这些数据库中找到所用组份材料尤其基体的塑性性能与强度参数, 极少会提供有复合材料的固化温度与成型工艺过程信息.相对耗资巨大、时间漫长的大量复合材料性能试验, 附加的基体浇铸体拉伸、压缩及剪切性能测试几乎微不足道, 但对复合材料极限承载能力的分析计算却至关重要, 而固化温度与成型工艺过程仅仅只需顺便记录一下即可.这些都说明, 复合材料的破坏分析与强度预报依然还任重道远.

有两项工作值得今后特别关注.第一项针对层合板的分层萌生问题.文献[17]曾检测到某型飞机复合材料结构有101处损伤, 其中98处为分层损伤, 可见, 分层是层合板结构中极为常见的损伤形式.几乎所有的层合板都可能发生分层, 但实际应用中特别关心的问题无疑是:在既定工况下, 层合板分层萌生对应的外载为多大?由于层合板本质上由基体将各个单层粘接在一起, 因此, 分层必然因基体应力达到临界值而萌生.第1步, 计算基体中的应力包括应力集中可由桥联理论实现, 第2步, 需要建立分层萌生判据和临界值 (现场值) 测定方法.显然, 桥联理论是研究并有可能最终解决分层萌生的最有效工具之一[18].另一项有价值的工作是, 在本文介绍的理论基础上, 发展复合材料弹-塑性性能计算、破坏与强度判定的用户子程序, 再与多功能有限元软件平台如ABAQUS, ANASYS, NASTRAN等结合, 实现对复合材料结构的极限分析与设计.

附录A 瞬态桥联矩阵[Aij]和瞬态柔度矩阵[Smij]