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第1章 绪论 1

1.1 计算机的发展和应用 1

1.1.1 计算机的发展历程 1

1.1.2 微型计算机的发展 4

1.2 材料科学与工程的概念和内容 5

1.2.1 涵盖的基本内容 5

1.2.2 材料的分类 5

1.2.3 材料的性能 5

1.2.4 基本要素 5

1.3 计算机在材料科学与工程中的应用简介 6

1.3.1 计算机技术用于数值计算与模拟 7

1.3.2 计算机技术用于材料数据和图像处理 7

1.3.3 计算机技术用于材料数据库和知识库 7

1.3.4 计算机技术用于材料设计 8

1.3.5 计算机技术用于材料性能表征与检测 8

1.3.6 计算机网络技术用于材料科学研究 9

第2章 数学模型及数值求解方法 10

2.1 数学模型的介绍 10

2.1.1 数学模型的含义 10

2.1.2 数学模型的分类 11

2.1.3 建立数学模型的一般步骤和原则 12

2.2 常用的数学建模方法 13

2.2.1 机理分析法 13

2.2.2 模拟方法 14

2.2.3 类比分析法 16

2.2.4 数据分析法 17

2.3 数学模型的求解方法 19

2.3.1 有限差分法 19

2.3.2 有限元法 25

思考题与上机操作题 37

第3章 材料科学研究中主要物理场的数值分析的模拟 38

3.1 应力场模型与计算 38

3.1.1 弹性力学基础 38

3.1.2 应力场的有限元计算 41

3.1.3 工字悬臂梁挠曲变形的模型建立与计算 46

3.1.4 开孔矩形板受荷载作用变形的模型建立与计算 50

3.2 温度场模型与计算 55

3.2.1 热传递的基本方式与导热微分方程 55

3.2.2 初始条件与边界条件 58

3.2.3 二维稳态导热问题的有限差分求解 59

3.2.4 非稳态导热问题的有限差分求解 61

3.2.5 有限元法求解 64

3.2.6 发电厂烟囱温度分布模型的建立与计算 69

3.2.7 短圆柱体热传导过程的模型建立与计算 73

3.3 浓度场模型与计算 80

3.3.1 扩散控制模型 81

3.3.2 有限元求解 82

3.3.3 半无限长钢板碳扩散情况的模型建立与计算 85

3.3.4 Hydrus介绍与实例 91

思考题与上机操作题 96

第4章 材料数据库和人工神经网络 99

4.1 材料数据库 99

4.1.1 数据库的组成与结构 99

4.1.2 材料科学与工程数据库 100

4.2 专家系统 101

4.2.1 专家系统基本知识 101

4.2.2 材料科学与工程中专家系统举例 103

4.3 人工神经网络技术及其应用 108

4.3.1 人工神经网络 108

4.3.2 神经网络的学习方法与规则 110

4.3.3 神经网络在材料科学与工程中的应用 111

思考题与上机操作题 114

第5章 材料科学与工程中的数据处理与分析 115

5.1 数据处理的基本理论 115

5.1.1 曲线拟合和最小二乘法 115

5.1.2 线性插值法 120

5.2 Origin软件在数据处理中的应用 123

5.2.1 Origin软件介绍 123

5.2.2 Origin软件的基本功能和使用方法 124

5.2.3 Origin在数据处理中的应用实例 129

思考题与上机操作题 140

第6章 材料科学与工程中的图像处理 142

6.1 图像与图像处理 142

6.2 数字图像的获得途径 143

6.3 Photoshop软件进行图像处理与分析举例 143

6.3.1 Photoshop六大基本功能 144

6.3.2 Photoshop图例 144

6.4 MatLab软件进行图像处理与分析举例 151

6.4.1 MatLab的主要功能 151

6.4.2 基本操作 151

6.4.3 MatLab语言基础 153

6.4.4 MatLab程序设计初步 154

6.5 Image J软件进行图像处理与分析举例 156

6.5.1 Image J的界面 156

6.5.2 图片编辑与分析 159

6.5.3 测量和计数 160

思考题与上机操作题 163

第7章 正交试验方法在材料科学与工程中的应用 165

7.1 正交试验设计的基本原理 165

7.1.1 正交表介绍 166

7.1.2 正交性原理 167

7.2 正交试验设计的基本方法 168

7.3 正交试验设计在材料科学与工程中的应用 172

7.4 正交试验的方差分析方法 174

思考题与上机操作题 178

第8章 分子动力学在材料科学与工程中的应用 179

8.1 分子动力学介绍 179

8.1.1 力场 180

8.1.2 分子动力学基本原理 183

8.1.3 分子动力学计算流程 185

8.1.4 分子动力学的一些基本算法 186

8.1.5 系综的分类 187

8.1.6 周期性边界条件 188

8.1.7 输出轨迹分析 188

8.2 常用的分子动力学软件 191

8.2.1 Lammps 191

8.2.2 Materials Studio 192

8.2.3 Materials Studio在材料科学中常用的模块介绍 192

8.3 分子动力学在材料科学与工程中的应用举例 193

8.3.1 Materials Studio算例 193

8.3.2 Lammps算例 197

思考题与上机操作题 203

第9章 Rietveld/XRD精修在材料科学与工程中的应用 206

9.1 Rietveld/XRD方法介绍与基本理论 206

9.1.1 XRD衍射峰的理论计算 206

9.1.2 Rietveld定量精修 210

9.1.3 Rietveld结构精修 213

9.1.4 Rietveld全谱拟合正确性数值判断 214

9.2 Rietveld精修软件——GSAS-EXPGUI介绍 215

9.2.1 软件菜单栏界面介绍 215

9.2.2 软件选项栏界面介绍 219

9.3 Rietveld定量精修在材料科学与工程中的应用 223

9.3.1 基于标样SiO2-ZnO二元体系的精修策略和准确性验证 223

9.3.2 水泥基材料的Rietveld精修定量策略 226

参考文献 232