材料加工中的数值模拟方法-微观组织数值模拟(1)

材料加工过程的数值模拟 微观组织数值模拟 I 任课教师 王锦程 Office 公字楼216Tel 029 88460650 O Email jchwang 宏观模拟 Macro 微观模拟 Micro 加工过程 Processing 组织演化 Microstructure 温度场 应力场 流场 浓度场 形态 应力 应变方程 动量方程连续性方程 扩散方程 Grain crystal Inter grainslip Grainboundary Twins precipitates Atoms Meso 介观 Micro 微观 Nano 纳观 Macro 宏观 DifferentScales 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 宏观 介观 微观 纳观 CAModels MonteCarlo LevelsetMethod StandardTransport MolecularDynamicsAtomisticSimulation FirstPrinciple PhaseFieldModels 基础知识 2 计算材料学简介微观组织数值模拟简介相变理论基础热力学基础 课程安排 时间 15 19周 周六上午3 4节 周日上午3 4节 相场法 4 相场法基本原理及其应用沉淀相析出再结晶过程凝固过程 元胞自动机 2 基本原理模型应用 水平集法基本原理模型应用 主要参考书 DierkRaabe ComputationalMaterialsScienceNikolasProvatasandKenElder Phase FieldMethodsinMaterialScienceandEngineering相关最新参考文献 Whatismicrostructure Microstructureisbeautiful Microstructureisamazing Microstructureisimportant Whymodelingandsimulation Outlines Microstructureisdefinedasthestructureofapreparedsurfaceorthinfoilofmaterialasrevealedbyamicroscopeabove25Xmagnification FromWikipedia Whatismicrostructure ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera MicrostructureisBeautiful Zincoxidesinglecrystals GranulatedSugar白砂糖 一种酪酸盐 日本 秋山実 MinoruAkiyama 摄影家 MicrostructureisBeautiful 酒石酸结晶 陨石 Fe Ni合金 MicrostructureisBeautiful Thymol一种酚 碳化硅 MicrostructureisBeautiful 硅铁 结晶硅 MicrostructureisBeautiful 铸铁 Gallium镓 MicrostructureisBeautiful 液晶材料 金刚石 MicrostructureisBeautiful Nonlineardynamicsofsandrippleformation MicrostructureisAmazing Eutecticstructures 沙丘vs 共晶 雪花vs 枝晶 MicrostructureisAmazing STM5 foldsurfaceofi Al Pd Mn MicrostructureisAmazing 云南元阳梯田 梯田vs 台阶组织 MicrostructureisAmazing 斑纹vs 条带 点状组织 螺形位错 引力和转动的共同影响下形成星系的螺旋结构 MicrostructureisAmazing 星云vs 位错 MicrostructureisAmazing MorphologicalSimilarity Connections 各种形态的枝晶组织 成分 工艺 组织 性能 性能是目的 成分是基础 组织是形态 工艺是手段 TheMaterialsTetrahedronMCFlemings PraveenChaudhari1989 Microstructureisimportant 典型微观组织 Dendrites Eutectic 微观组织的形成和演化是材料科学的核心内容之一 而相变过程控制已经成为提高传统材料性能和开发新型材料的重要途径 Cellular Peritectic Microstructureisimportant Modeling是沟通理论与实验 微观与宏观的桥梁 WhyModelingandSimulation Characterization Al Cu枝晶二维形貌 横 纵截面 Al Cu合金等温粗化 ScienceUnderstanding PracticeApplications MicrostructureModeling offerinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessing alloydesign improvementsincurrenttechnologies developmentofnewprocesses 微观组织 材料性能 成分工艺 计算材料学概述 计算机技术的快速发展计算材料学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法 计算科学 应用科学 计算机硬 软件 数学 什么是计算科学 Moore定律 1965 计算机的CPU速度每1 5年增加一倍 科学计算已经是继理论科学 实验科学之后 人类认识与征服自然的第三种科学方法 计算机软硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证 2048颗我国自主研发的飞腾FT 1000八核心处理器14336颗IntelXeonX56702 93GHz六核心处理器7168块NVIDIATeslaM2050高性能计算卡 天河一号A 峰值运算速度为每秒 万亿次 实测运算速度每秒2570万亿次 6144个通用处理器 3072x2IntelQuadCoreXeonE55402 53GHz E55403 0GHz 5120个加速处理器 2560ATIRadeon4870 x2575MHz 内存总容量98TB 点点通信带宽40Gbps 共享磁盘总容量为1PB 计算材料学概述 计算机技术的快速发展计算材料学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法 计算 第三种科学手段 计算填补理论分析与实验之间的空白计算使得人们能够深入研究一大批从科学理论分析角度看过于复杂 过于困难 而从科学实验角度看又过于昂贵 过于危险 甚至是无法进行的探索问题计算已成为理论与实验相互补充的第三种手段 已成为人们认识世界的第三只眼睛计算科学至今尚未具备象理论 实验与工程设计那些传统方式可预测的可靠性任何计算模型只是客观真实事物的一个近似 Advantage Disadvantage Ithasalwaysbeenadreamofmaterialsresearcherstodesignanewmaterialcompletelyonpaper optimizingthecompositionandprocessingstepsinordertoachievethepropertiesrequiredforagivenapplication GerbrandCeder COMPUTATIONALMATERIALSSCIENCE PredictingPropertiesfromScratch Science Vol280 Issue5366 1099 1100 15May1998 经验型 炒菜式 智能型 材料设计 计算材料科学 ComputationalMaterialsScience 欧洲 计算机分析与模拟 Computer basedAnalysisandModeling 美国 材料设计 MaterialsDesign 日本 ComputationalMaterialsScience ElsevierScience公司 1994年创刊ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineering 英国皇家学会 1992年创刊JournalofComputer AidedMaterialsDesign Kluwer公司 1997年创刊 计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科 它综合了凝聚态物理 材料物理学 理论化学 材料力学 工程力学 应用数学 计算机算法等多个相关学科 本学科的目的是利用现代高速计算机 模拟材料的各种物理化学性质 深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征 并对于材料的结构和物性进行理论预言 从而达到设计新材料的目的 计算材料学概述 计算机技术的快速发展计算材料学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法 MultiscaleModelling Simulations CellularAutomataPhaseField Chemistry Processing Structure Property Performance Simulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuels PhaseFieldsimulationsofvoidformationandevolution Thermo chemicalmodelsofoxygendiffusivity Moleculardynamicscalculationsofpointdefectenergy Nucleationsites ElectronicStructureCalculatio