计算机在高材中的应用讲义ppt课件.ppt

计算机在材料科学中的应用讲义 材料科学 或材料科学与工程 研究内容 研究材料组成 结构 性能 制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学 绪论 材料的性质 是材料对电 磁 光 热 机械载荷的反应 这些性质主要取决于材料的组成与结构 高分子的特殊性光学性能 透光 旋光 红外吸收等电学性质 绝缘 导电 压电等机械性能 使用性能 是材料在使用状态下表现出来的行为 它与设计和工程环境密切相关 有些材料在实验室环境下表现出很好的件能 但在特定的使用条件下 如氧化 疲劳及其他复杂载荷条件下 就不能满足使用要求 此外 使用性能还包括可靠性 耐用性 寿命预测和延寿措施 材料的合成与制备 包括传统的冶炼 制粉 压力加工和焊接等 也包括各种新发展的真空溅射 气相沉积等新工艺 材料科学与工程领域存在 四个要素 性质与现象 使用性能 结构与成分 合成与加工两个关键 仪器设备和分析建模 计算机 计算机包括 计算机软件互联网 一 计算机用于新材料的设计 材料设计 的设想始于20世纪50年代 是指通过理论与计算预报新材料的组分 结构与性能 或者是通过理论设计来 订做 具有特定性能的新材料 按生产要求 设计 最佳的制备和加工方法 二 材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实的系统进行模拟 实验 提供实验结果 指导新材料价研究 是材料设计的有效方法之一 材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程 包括合成 结构 性能 制备和使用等 用计算机模拟比进行真实的实验要快 要省 计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模型实验 通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较 可以检验模型的准确性 也可以检验由模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功 在模型体系上获得的微观信息常常比在实际体系上所做的实验更为详细 在某些情况下 计算机模拟可以部分地代替实验 三 材料工艺过程的优化及自动控制材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展 微机和可编程控制器在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势 在材料加工过程中用计算机不仅能减轻劳动强度 而且能改善产品质量和精度度 提高产量 四 计算机用于数据和图像处理材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据 借助计算机的存储设备 可以保村大量的数据 同时又特别方便后续用计算机对数据进行处理 计算 绘图 拟合分析等 和快速查找 五 计算机网络在材料研究中的应用材料科学是一门综合世的学科 它所涉及的领域几乎涵盖整个科学研究的所有基础领域 借助网络 从事研究材料的科学工作者可以相互交流 及时了解材料科学的发展动向 阅读各种相关杂志的电子版 查找已发表的论文 建立web页面介绍自己的研究成果等 这种新的研究手段可以极大简化文献检索 更快 更准确地获得需要的材料科学研究信息 模型是为了一定目的 对客观事物的一部分进行简缩 抽象 提炼出来的原型的替代物 1 1从现实对象到数学模型 第1章材料科学研究中的数学模型 数学模型 MathematicalModel 和数学建模 MathematicalModeling 对于一个现实对象 为了一个特定目的 根据其内在规律 作出必要的简化假设 运用适当的数学工具 得到的一个数学结构 建立数学模型的全过程 包括表述 求解 解释 检验等 数学模型 数学建模 1 2数学建模的重要意义 电子计算机的出现及飞速发展 数学以空前的广度和深度向一切领域渗透 数学建模作为用数学方法解决实际问题的第一步 越来越受到人们的重视 在一般工程技术领域数学建模仍然大有用武之地 在高新技术领域数学建模几乎是必不可少的工具 背景 世界人口增长概况 中国人口增长概况 研究人口变化规律 控制人口过快增长 1 3 1如何预报人口的增长 1 3数学建模示例 指数增长模型 马尔萨斯提出 1798 常用的计算公式 x t 时刻t的人口 基本假设 人口 相对 增长率r是常数 今年人口x0 年增长率r k年后人口 随着时间增加 人口按指数规律无限增长 第二节建立数学模型的一般步骤和原则 数学模型的建立 简称数学建模 是构造刻画客观事物原型的数学模型 并用以分析 研究和解决实际问题的一种科学方法 一 一般采用的建模基本步骤 2 建模假设根据建模的目的对原型进行适当的抽象 简化 把那些反映问题本质属性的形态 量及其关系抽象出来 简化掉那些非本质的因素 使之摆脱原来的具体复杂形态 形成对建模有用的信息资源和前提条件 这是建模最关键的一步 1 建模准备建模准备是确立建模课题的过程 就是了解问题的实际背景 明确建模的目的 3 构造模型在建模假设的基础上 进一步分析建模假设的内容 首先区分哪些是常量 哪些是变量 哪些是已知的量 哪些是未知的量 然后查明各种量所处的地位 作用和它们之间的关系 选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征 构造出刻画实际问题的数学模型 4 模型求解构造数学模型之后 根据已知条件和数据 分析模型的特征和模型的结构特点 设计或选择求解模型的数学方法和算法 然后编写计算机程序或运用与算法相适应的软件包 并借助计算机完成模型的求解 5 模型分析根据建模的要求 对模型求解的数字结果 或进行稳定性分析 指分析结果重复获得的可能件 或进行系统参数的灵敏度分析 或进行误差分忻等 6 模型检验模型分析符合要求之后 还必须回到客观实际中去对模型进行检验 看是否符合客观实际 7 模型应用用于分析 研究和解决实际问题 BACK 第三节常用的数学建模方法 一 理论分析法二 模拟法三 类比分析法四 数据分析法 一 理论分析法是指应用自然科学中的定理和定律 对被研究系统的有关因素进行分析 演绎 归纳 从而建立系统的数学模型 例 在渗碳工艺过程中通过平衡理论找出控制参量与炉气碳势之间的理论关系式 二 模拟方法模型的结构及性质已经厂解 但其数量描述及求解相当麻烦 如果有另一种系统 结构和性质与其相同 而且构造出的模型也类似 就可以把后一种模型看成是原来模型的模拟 而对后一个模型去分析或实验并求得其结果 三 类比分析法如果两个不同的系统 可以用同一形式的数学供型来描述 则此两个系统就可以互相类比 类比分析法是根据两个 或两类 系统某些属性或关系的相似 去猜想两者的其他属性或关系也可能相似的一种方法 四 数据分析法当系统的结构件质不大清楚 无法从理论分析中得到系统的规律 也不便于类比分析 但有若干能表征系统规律 描述系统状态的数据可利用时 就可以通过描述系统功能的数据分析来连接系统的结构模型 回归分析是处理这类问题的有利工具 第一节有限差分法 一 有限差分法简介有限差分法是计算机数值模拟最早采用的方法 该方法是将求解域划分为差分网格 用有限个网络节点代替连续的求解域 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络节点上的函数值的差商代替进行离散 从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组 该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法 第2章材料科学研究中常用的数值分析方法 有限差分法在材料成型领域的应用较为普遍 是材料成型计算机模拟技术领域最主要的数值分析方法之一 目前材料加工中的热分析 铸造过程中的传热凝固 塑性成型过程中的传热 焊接过程中传热等 流动分析 铸件充型过程 焊接熔池的产生等 都可用有限差分法进行模拟 有限差分法的数学基础 用差分代替微分 用差商代替微商 用差商代替微商的几何意义 用函数在某区域的平均变化率来代替函数的真实变化率 三 有限差分法的解题步骤 1 建立微分方程根据问题的性质选择计算区域 建立微分方程 写出初始条件和边界条件 2 构建差分格式首先对求解区域进行离散化 确定计算节点 选择网格布局 差分形式和步长 然后以有限差分代替无限微分 以差商代替微商 以差分方程代替微分方程及边界条件 3 求解差分方程差分方程通常是一组线性方程组 求解方法有 矩阵法 高斯消元法和迭代法等 4 精度分析及检验对所得到的数值解进行精度分析和检验 第二节有限元法 一 概述 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法 它是50年代首先在连续体力学领域 飞机结构静 动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法 随后很快广泛的应用于求解热传导 电磁场 流体力学等连续性问题 二 有限元法分析计算的基本思想 1 物体离散化 2 单元特性分析选择位移模式计算等效节点力 3 单元组集 4 求解未知节点位移 第一节温度场的计算 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极为重要 第3章材料科学研究中的主要物理场的数值模拟 一 导热方程固体在稳态条件下的Fourier导热方程 qx是x方向的热流密度 W m2 是材料的热导率 W m K 偏导数为x方向上的温度梯度 负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反 在一般三维问题中 瞬态温度场的场变量T x y z t 在直角坐标系中应满足方程 式中 为材料的密度 kg m3 c为材料的比热容 J kg K c为时间 s x y和 z分别是材料沿x z y方向的热导率 w m K Q Q x y z 是物体内部的热源密度 W kg 1 微分方程式 1 是热量平衡方程 式中第一项是体元升温需要的热量 第二 三和四项是由x y和z方向流入体元的热量 最后一项是体元内热源产生的热量 微分方程表示的物理意义是 体元升温所需的热量应等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和 当在某个方向上 如z方向上的温度变化为零时 方程式 1 就退化为二维热传导微分方程 如果边界条件和内部的热源密度Q不随时间变化 则经过一定时间的传热后 物体内部各点的温度将达到平衡 即各点的温度不再随时间变化 这时瞬态热传导方程就退化为稳态热传导方程 相应的二维稳态热传导方程为 上述方程 必须附加初始条件和边界条件才能得到唯一解 初始条件和边界条件又统称为定解条件 因此对于具体的传热问题 必须知道初始条件和边界条件才能求出温度场分布 第二节应力场计算 一 弹性力学基础知识 1 应力与应变弹性体受到外力作用之后 其内部就会产生相应的应力 为了描述弹性体内任一点P处的应力状态 可用一些假想截面在P点处截出一个边长为dx dy dz的无限小的平行六面体 通常称为微单元体 它的6个面分别垂直于3个坐标轴 每个面上的应力可分解为一个正应力分量和两个切应力分量 其中 正应力分量用 表示 下标x y z分别表示其作用方向平行于哪个坐标轴 切应力分量用 表示 前一个下标表示作用面垂直于哪个坐标轴 后一个表示其作用方向平行于哪个坐标轴 应力 由于作用在两个互相垂直的平面上且垂直于该两面交线的切应力分量大小相等 因此 微单元体各面上的6个切应力分量有如下关系 弹性体内任意一点的应变 可以由6个应变分量来表示 即 x y z xy yz zx 其中 x y z为正应变 xy yz zx为切应变 应变的正负号规定与应力相对应 即正应变以伸长时为正 缩短时为负 切应变以两个沿坐标轴正方向的线段组成的直角变小正 变大时为负 将应变写成矩阵的形式为 x y z xy yz zx T 应变 2 平衡方程对于三维问题 弹件体内任一点沿坐标轴x y z方向的平衡方程为 式中 fx fy fz为单位体积的体积力在x y z方向的分量 二 应力场计算 通常采用有限元法 有限差分法 求解 第三节浓度场计算在固体中 扩散是物质传输的唯一方式 通常是指材料内部原子迁移的微观过程 以及由于大量原子迁移而引起物质的宏观流动 扩散与材料在生产和使用过程中的许多重要的物理化学过程密切相关 因此对扩散的浓度场的计算具有重要的意义 一 扩散控制方程在金属中的扩散主要用Fick扩散定律来描述 1 Fick第一定律扩散是物质从高浓度区域迁移到低浓度区域的过程 Fick在1855年指出 在稳态扩散 dC dt 0 的条件下 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通量J 单位是g cm 2 s 1 与浓度梯度成正比 式中的负号表示扩散方向与x方向相反 c是溶质的浓度 单位为g cm 3 D是扩散系数 单位为cm 2 s 1 2 Fick第二定律Fick第一定律规定dC dc 0 即在扩散过程中扩散物质的浓度不随时间变化 实际上 在多数情况下 扩散物质的浓度是与时间相关的 即dc dt 0 因此就必须采用Fick第二定律来描述非稳态扩散现象 如D为常数 则有 如在三维空间中扩散 且在x y z三个方向上的扩散系数分别为Dx Dy Dz 则有 若Dx Dy Dz D 即在三维空间中的扩散具有各向同性 则有 二 浓度场的数值解法 扩散微分方程在形态上与热传导微分方程非常接近 因此也可以来用与温度场求解相同的数值方法来求解 通常采用有限差分法和有限元法求解 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 可提高效率 节省费用 计算机模拟材料的意义 第4章材料科学与行为工艺的计算机模拟 第一节组织转变的计算机模拟 一 TTT和CCT曲线钢的性能主要取决于其内部的组织结构 钢的常温组织是在加热之后的冷却过程中形成和完成的 为了使钢获得某种预期的组织结构 准确地测量钢在热处理或热加工中的冷却过程非常重要 1930年 Dain和Davenport首先在等温条件下研究钢的组织转变 发表了几篇碳钢和合金钢奥氏体等温转变研究论文 提出了时间 温度 转变曲线 也称TTT曲线 TTT曲线给出的是钢在快速冷至不同温度下等温停留过程中的组织转变情况 可以清楚地显示不同温度下的转变特征 但由于实际的冷却过程多为连续冷却 TTT曲线无法直接应用 20世纪40年代初 人们开始在连续冷却条件下研究钢的组织转变过程 提出了连续冷却转变曲线 也称CCT曲线 CCT曲线给出的是钢在不同冷却速度下的连续冷却过程的组织转变情况 近年来 冷却转变曲线在非晶态材料中也得到了应用 长期以来 人们对不同钢材的TTT曲线和CCT曲线进行了大量的测定和研究 积累了大量的数据 20世纪70午代初 计算机模拟技术的开展使材科的组织转变数值模拟提到日程上来 TTT曲线和CCT曲线为组织转变提供了两种不同的模拟途径 CCT曲线首先被选作模拟组织转变的依据20世纪70年代末Hildenwall等人运用Scheil叠加法则成功地解决了以TTT曲线为依据的模拟 此后TTT曲线在材料组织模拟中迅速得到推广 国内外基本都使用TTT曲线模拟 第二节计算机相平衡计算方法 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 由热力学数据建立一定的模型也可以计算和绘制相图 人类测定构图的历史已有百年 经测定并巳经审定所汇编的二元系相图有4000余幅 这些相图有相当一部分未完全测定或不够精确 还需要进一步校核 三元系构图的测定则更少 此外 在实际物质转变过程中 有些相是以亚稳定态存的 测定这类相图更加困难 而通过计算可以确定亚稳定状态 第三节相图计算发展历程和计算软件介绍相图计算CALPHAD CalculationofPhaseDiagram 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 第四节计算机模拟在材料科学中的应用一 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 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 二 金属材料加工与计算机模拟金属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 其计算机模拟技术经过近30年的发展 已取得了很大的进展 通过数值模拟和物理模拟相结合的方法 可实现电脑试生产 动态显示材料加工和制备工艺的历程 预测缺陷和优化工艺 三 塑料加工中的计算机模拟塑料制品一般采用模塑成型 而塑料模具设计制造是当代计算机技术应用的一个重要领域 计算机辅助设计 CAD 和计算机辅助制造 CAM 的应用显著地提高了塑料模具的设计和制造的效率及质量 有效地缩短了模具设计制造周期 继CAD和CAM技术之后 计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 近来得到快速发展 CAE主要针对各种塑料成型过程进行模拟 包含数值计算技术 计算机图形学 工程分析与仿真 数据库等的综合性软件系统 可实现塑料制品设计 塑料成型加工 塑料成型模具设计 塑料材料性能和成型设备参量数据库等工程问题的模型化和数值分析 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 现已有多种塑料加工CAE软件 数据是人类社会发展的一种极为重要的资源 如何妥善保存和应用这些数据是很重要的课题 用户按照自己的需求对数据进行分类存储并加以运用 导致了数据库管理技术的产生 第5章材料数据库和新材料 新合金的设计 第一节数据库系统的组成与结构一 数据库系统概述数据是信息的一种表现形式 载体 它不仅是数字 还包括文字 图像 声音等 能够在计算机中存贮的用于描述事物的记录符号 数据库 DB 数据库是长期存储在计算机内 有组织的 统一管理的相关数据的集合 二 数据库系统 DBS 指采用数据库技术的计算机系统 一般由计算机硬件 数据库 数据库管理系统及其开发工具 应用软件 数据库管理员和用户等构成 第二节材料科学与工程数据库 一 材料数据库简介对于材料数据而言 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序具有以下的优点 1 存储信息量大 存取速度快 2 查询方便 3 通过对不同材料的性能数据的比较 可以实现选材或材料代用 4 使用灵活 可以随时输人新材料的最新数据 也可对原有材料的数据及时修改和补充 5 应用广泛 可以与CAD CAM配套使用 实现计算机辅助选材 也可以与知识库及人工智能技术相结合构成材料性能预测成材料设计专家系统 第三节专家系统一 人工智能人工智能 ArtificialIntelligence 研究用机器来模拟人类的诸如理解语言 学习 推理和解决问题等智能活动 模拟和探索人的感觉和思维过程的规律而设计出类似人的某些智能的自动机的科学 最终目标是为程序和计算机最大限度地解放人类真实智能 将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来 目前通常所说的人工智能是指借助技术和理论手段 应用数学方法和 或 数字逻辑研究智能的各个方面的问题 简言之 就是研究如何用人工的方法与技术 即利用计算机等工具 模拟 延伸和扩展人的智能 实现某些机器思维或脑力劳动的自动化 二 专家系统专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题 简而言之 专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统 1 专家系统特点启发性 专家系统能运用专家的知识与经验进行推理 判断和决策 透明性 专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题 以便让用户能够了解推理过程 提高对专家系统的信赖感 灵活性 专家系统能不断地增长知识 修改原有知识 不断更新 2 专家系统的优点具体地说 包括下列八个方面 1 专家系统能够高效率 准确 周到 迅速和不知疲倦地进行工作 2 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响 也不可能遗漏忘记 3 可以使专家的专长不受时间和空间的限制 以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验 4 专家系统能促进各领域的发展 5 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力 6 军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一 7 专家系统的研制和应用 具有巨大的经济效益和社会效益 8 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展 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下列几个方面 物化性能测试数据的采集和处理加工过程自动控制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 第6章材料加工过程的计算机控制 第一节计算机控制技术基础 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 ProgrammableController 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 一 计算机控制系统的概念1 生产过程控制系统的发展生产过程进行的好坏可以从一个或若干个工艺参数上反映出来 如温度 压力 流量 转速 成分等 而自动控制的任务就是在满足生产工艺要求的前提下 使这些变量稳定在一定的范围内 或者按照预定的规律变化 以实现优质 高产 低消耗的目的 1 原始的生产过程控制系统 主要通过人对被控对象的工艺参数进行检测 然后经过人的大脑对偏离程度作出判断 并根据经验作出决策 再由人去执行 调节 人起着检测元件 检测器 调节器 控制器 和执行器三大作用 2 模拟控制器为解决人工控制出现的问题 在生产过程中最初采用了模拟控制器 它可以代替人的分析 判断 决策功能 使控制有合理的一致性 3 计算机控制系统 3 计算机控制系统计算机具有精度高 速度快 存储量大以及具有逻辑判断功能等特点 可以代替人的分析 判断 决策和常规二次仪表的功能 它既能像常规仪表控制系统那样实现对被控参数的自动控制 又能象人那样进行集中控制和集中管理 A D 参数检测 D A 执行机构 被控过程 调节器 被控参数 计算机 设定值 2 计算机控制系统的基本原理及一般概念 计算机控制的基本原理 1 计算机控制系统的基本原理 计算机控制的基本原理计算机系统通过测量元件对生产过程的某一参量 如温度 流量 压力 速度等 进行测量 给出一定形式的电信号 然后由A D转换器将电信号转换为数字信号 反馈给计算机 计算机将反馈来的信号与设定值比较 如果二者存在差异 调节器就输出一个数字控制信号 由D A转换器转换为电信号后驱动执行机构 使被控参量的值与设定值一致 2 计算机控制的一般概念计算机控制就是对被控制对象的有关参数 如温度 流量 压力 速度等 进行采样并转化成统一的标准信号 通过输入通道把各种参数信息反馈给计算机 计算机根据这些信息 按照预先设定的控制规律进行运算和处理 并通过输出通道输出信息控制被控对象 使被控参数达到预期目标 应用于工业生产过程控制的计算机系统通常是一个实时控制系统 实时是指三个方面的含义 实时检测 检测被控对象的被控参数并通过A D转换制送入计算机中 实时决策 计算机将检测值与设定值进行及时处理 分析 比较 运算 将结果迅速返回 输出 实时控制 计算机依运算 决策的结果 发出控制指令 经D A转换给工业自动化仪表 执行机构 完成对生产过程的实时控制 3 计算机控制系统的组成 计算机控制系统 硬件 软件 计算机 信号传感器 仪表及被控对象 系统软件 应用软件 1 硬件主机 微处理器是控制系统的核心 和内存储器一起通常又称为主机 外部设备 键盘 打印机 显示器等人机通信设备 被控对象 与控制系统有关的的工艺生产设备 工业自动化仪表 检测仪表 显示仪表 调节仪表以及执行机构 2 软件系统软件 语言程序 如汇编语言 管理系统及操作系统 服务程序 如诊断程序 等 应用软件 这种为控制目的而编制的程序 4 计算机控制系统的分类分类是依据控制目的和控制方式进行 有如下四类 开环控制系统 只是进行对被控参数进行检测和不正常情况的报警 并对测量的各生产参数处理 比较预先设定值 输出结果 闭环控制系统 计算机对被控的工况参数进行检测 分析 处理并且在可以打印和显示 同时将处理结果 控制信号 通过执行机构反馈给被控对象 实施对生产过程的控制 从而使被控对象 检测元件 计算机 执行机构等构成一个闭合环路 分布式控制系统 多台微处理器或微机分别担任部分控制任务 它将控制功能进行分散 用多台计算机分别执行不同的控制功能 集散控制系统 DistributionControlSystem DCS 以微处理器为基础的集中分散控制系统 它集微机 工控机 数据通信系统 显示操作系统 过程通道 模拟仪表等为一体 构成了一个全新的控制系统 二 计算机工业控制系统的主要特点和基本要求高可靠性可维护性环境适应性控制的实时性和中断系统完善的外围设备和指令系统有正确反映生产过程规律的数学模型和完善的软件系统 第二节计算机控制系统的输入输出一 检测技术从多个不能直接输入计算机处理的被检测的物理量中提取所需要的信息 但这些物理量通常是非电信号如温度 压力 位移 流量 重量等 还需要将它们转换为电压或电流等信号 而转换后的电信号也应该能正确地反映相应物理量的实际变化情况 传感器 借助于敏感元件 接受物理量形式的信息 并按一定规律将其转换成同种或另一种物理量信息的变化 材料工程中常用到的有用于测温度的传感器如热电偶 热电阻 非接触式的测温仪表如辐射式温度计 亮度温度计等 用于碳势或氮势检测的红外仪 氧探头 氮分解仪等 变送器 与传感器类似 但转换后的信号是标准的 0 5V或0 10mA等 二 控制仪表与装置1 调节器 在接受偏差信号后按各自的规律运算 输出信号来调节 2 执行器 调节器调节信号后送入执行器 执行器有三大类 即气动 电动和智能执行器 三 输入输出过程通道过程通道包含了对数字量和模拟量的D A A D转换及数字量 开关量 的I O等 所以就有模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道和数字量输出通道 第三节材料加工的计算机控制 一 高分子材料加工的计算机控制 一 注塑机的计算机控制注塑机微机控制系统主要实现 顺序控制 过程控制 速度 压力 转速 温度 注塑制品的质过控制 集中管理和集中监视控制 1 注塑机的顺序控制顺序控制是指对注塑机的各种动作 位置控制 一个注射循环过程是由许多部件的动作性一定的逻祖和时间序列顺序完成的 注塑机的机械运动可分为两种主要的运动 一是模腔装置的周期运动 包括模扳开始闭合 正式闭模 模板开始开启 正式开模等四个阶段 二是注射装置的周期运动 包括注射 保压 冷却等三个阶段 注射成型要求注塑机按照一定的动作顺序工作 闭模 注射座前进 注射 保压 注射座后退 开模顶出 传统的方法是依靠按钮 各种开关和继电器组成一定的电路控制电磁阀来实现 现在可由可编程序控制器通过软件非常容易地实现 2 注塑机的过程控制为了保证注塑产品的质量 注射过程中的许多变量 如料筒温度 注射速度 保压压力及锁模力等都需要控制 过程变量一般采用闭环控制 1 温度控制 温度控制是注塑机最重要的控制变量 常用热电偶作为温度传感器 热电偶体积小 反应灵敏 动态范围宽 安装方便 但它的输出信号仅为毫伏级 需放大 1 料筒及喷嘴温度 注塑加工过程需要控制的是塑料的温度 但实际上只能测量和控制料筒温度 热电偶安装在料筒的测量孔中 测量孔越深 测出的温度越接近熔融温度 但孔离加热器较远 当设定温度改变后 达到稳定较为困难 尤其是开机时的初始加温会有较严重的超温 原因 热惯性 2 模具温度 模具的表面温度对成品的质量有着重要的影响 尤其是表面的质量 模具温度不但影响塑料制品的表面光泽度 还直接影响注射成型后制品的内应力 模温控制一般由计算机控制系统控制加热和冷却装置来满足其要求 通常只用一个模具温度来代表模具的三维表面温度分布 2 注射速度的控制注射速度的控制与料筒温度和喷嘴温度的控制同样重要 聚丙烯酸酯光学透镜的注射成型 该零件具有不同的凸表面 要求保证严格的表面曲率和焦点误差 通过改善模具的精确度 也能生产符合要求的零件 但是很不稳定 如果能用计算机控制系统减小注射速度的波动 并保持最佳的慢速 稳定的注射速度 就可将成品率提高到99 以上 否则即使以0 137mm s这样很小的注射速度变化就可使焦距偏离规格 如没有注射速度的闭环控制 要取得这样的稳定性几乎是不可能的 二 塑料挤出过程的计算机控制计算机在塑料挤出机上的应用之一是在成型机头上的应用 在实际成型中 能使熔体沿着机头的整个宽度均匀地分配 在电线 电缆的多层共挤出成型过程中 应用计算机控制系统能完成高精度的成型机头控制 如材料选择 流道设计 流道温度操作条件的最优化等 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 第7章计算机在材料检测中的应用 第一节材料成分的检测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用于材料成分的检测 1 电子显微镜类 扫描探针显微镜 SPM 扫描电镜 SEM 透射电镜 TEM 2 衍射仪类X射线衍射仪电子衍射仪 3 谱仪类红外光谱仪原子吸收谱仪激光光谱仪 一 分析电子显微方法从微观尺度认识和研究材料的非常重要的手段 X射线能谱法 EDS 利用电子扫描观察装置 使电子束在待测试样上作二维扫描 测量其特征X射线的强度 从而得到特征X射线强度的二维分布图像 这种观察称为元素的面分布分析方法 所以对测量元素的二维分布极为有效 例如某电厂汽轮机叶片产生裂纹和变形 微区成分分析发现叶片上沿着加工痕迹上的应力集中使水蒸气中的有害物质 如K Ca S 积聚 成为腐蚀源 随着高频颤振产生微小的腐蚀疲劳裂纹 上述分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统的控制下进行工作 而计算机控制系统都配备了不同的设备控制 数据处理分析软件 且功能强大 对检测结果的分析精度和详尽程度是人工无法比拟的 在这些计算机控制系统中的数据处理软件 分为三类 1 计算 模拟软件输入被测材料的名称 实验条件和分析要求 系统按某个计算模型或公式输出计算结果 这样就可以用于实验前的结果预测 实验后的结果对比和数据评价 2 数据分析 图像分析软件依据控制实验条件而得到的实验结果 图像或是图谱数据 并按指定的公式运算处理 可以得到计算 分析的结果 3 设备控制软件可以控制分析设备进行工作 输入选择的分析要求 实验条件 分析设备装置按照这些选择运行分析过程 二 光谱仪方法光谱分析是依据样品物质的特征光谱 研究其化学成分和存在状态 光谱分析在材料成分分析和结果分析中起着重要的作用 因为每种元素的原子都有自己的特征光谱 根据特征谱线的存在与否 就可以确定样品中是否存在这种元素 第二节材料组织结构的检测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 一 金相图像分析系统计算机金相图像分析系统在自动检测方面具有较高的测量精度 其测量速度快 重现性好 并且能连接金相显微镜 扫描电镜和数码相机等外设 又有功能全面的图像编辑功能 二 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 三 测量显微组织的计算机仿真有了大量的测量显微组织检测后 就可以找出材料组织及其性能之间的关系和变化规律 由此利用计算机进行仿真 从而建立材料的显微组织模型 反之还可以利用显微组织模型去推测材料的性能而不是检测材料的性能 第三节材料力学性能的检测机器的零件受力情况千变万化 所以必须保证零件具有一定的强度和塑性 即各种强度 韧度 硬度的影响 而材料的这些力学性能主要取决于材料的化学成分和微观组织 随着科学技术与工业生产的发展 材料的力学件能的检测范围变得越来越广 检测技术的要求越来越高 如拉压试验机 过去应用摆锤式测力计的误差高达15 现存采用电子测力 机电伺服控制技术和计算机技术的电子试验机 精度为量程的0 1 计算机技术的引入 使材料力学件能的实验设备的自动化程度几乎达到了智能化 一 万能材料试验机的计算机辅助测试系统 力传感器 引伸仪 显示器 打印机 放大器 转换板 计算机 万能材料试验机的计算机辅助测试系统组成图 1 系统工作原理 2 主要功能 1 主要力学性能指标的测量能够依标准和要求测量材料的拉伸强度 弯曲强度等力学性能指标 2 试验过程的控制在试验过程中可实时跟踪计时 把变形值 力值 应力速率 应变速率等均显现在屏幕上 3 模拟再现试验过程 试验过程数据自动存入对应文件 试验后可以在屏幕上模拟再现试验过程 其中包括变形值 力假 应力速度 应变速度等变化 二 冲击试验机的计算机辅助测试系统 位移传感 载荷传感器 显示器 打印机 放大器 转换器 计算机 冲击试验机的计算机辅助测试系统组成图 1 系统工作原理 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 第8章材料科学研究中的数据与图像处理 第一节材料研究中的数据处理一 Origin软件的基本功能和使用方法1 Origin软件的窗口组成2 在Origin数据表中输入 编辑和保存数据3 数据运算4 数据统计计算5 绘图二 Origin在材料科学研究中的应用1 例题四2 双Y轴图的绘制3 热重曲线的绘制4 XRD谱线处理5 IR谱线处理 Origin为Originlab公司出品的较流行的专业函数绘图软件 是公认的简单易学 操作灵活 功能强大的软件 既可以满足一般用户的制图需要 也可以满足高级用户数据分析 函数拟合的需要 当前流行的图形可视化和数据分析软件有Matlab Mathmatica和Maple等 这些软件功能强大 可满足科技工作中的许多需要 但使用这些软件需要一定的计算机编程知识和矩阵知识 并熟悉其中大量的函数和命令 而使用Origin就像使用Excel和Word那样简单 只需点击鼠标 选择菜单命令就可以完成大部分工作 获得满意的结果 Origin简介 一 Origin软件的基本功能和使用方法1 Origin软件的窗口组成2 在Origin数据表中输入 编辑和保存数据 1 输入数据 键盘输入 复制其他数据文件 从已有的数据文件中读入数据能够渎取文本格式 ASCII Excel的格式 xls 和数据库文件 dbf 的数据文件 2 编辑数据 3 保存数据 2 编辑数据 删除数据 删除数据列 行 改变列的数据类型和属性 3 保存数据 以文本方式保存数据 以Origin的二进制方式保存数据 3 数据运算写入数学公式 就可以进行数学计算 4 数据统计计算 数据按某列的升序或降序排列 按列求和 均值和标准差5 绘图 绘制二维图 散点分布图 线图或点线图 画两套Y轴 二 Origin在材料科学研究中的应用 一 例题四 二 双Y轴图的绘制 三 热重曲线的绘制 四 XRD谱线处理 五 IR谱线处理 第二节材料科学研究中的计算机图像分析与处理利用常用的图像分析与处理软件进行材料光学显微镜或电子显微镜图像的分析与处理一 图像与图像处理图像处理是指用一系列的特定的操作来 改造 图像 使其更清晰 更美丽动人 或从中提取某些特定的信息 PS PP共混物SEM经图像二值化处理后分离出分散相 PS 粒子 二 数字图像的获得途经通过一套硬件系统将各类图像 如照片 图形等 转化为数字图像 现在的很多材料检测仪器都带有配套的专用图像采集系统 常规的获得图像的采集系统的设施有 CCD摄像头 摄像机 扫描仪数码相机图像采集卡计算机 三 Photoshop基本功能和使用方法 Photoshop是当今世界上最流行的图形图象处理软件 它是一个集图像制作 编辑修改 图像扫描及图像输入输出于一体的图像处理软件 具有友好的界面 直观的处理方式 丰富的效果和强大的功能 应用领域广告设计 封面设计 照片处理 页面设计图像的输入和输出扫描仪和数码相机输入图像打印机输出图像 图像文件的格式 PSD格式 PhotoShop的专用文件格式 不能用在网页中BMP格式 点阵式文件格式 所占空间大TIFF格式 位映射图像文件 多用于扫描仪文件JPG格式 标准压缩文件 可用于网页中GIF格式 压缩的8位图像文件 多用于网页中 1 菜单栏 1 Photoshop的工作界面 2 工具箱 工具箱中的工具大致可以分为 选择工具 绘图工具 路径工具 文字工具 切片工具以及其它类的工具 有些工具按钮的右下角有一个小三角形 对这样的按钮按下后保持1秒钟左右 就会在它的旁边又出现一排按钮 它们属于同一组 具有相关的功能 3 控制面板 控制面板是Photoshop中一项很有特色的功能 用户可利用控制面板进行导航显示 观察编辑信息 选择颜色 管理图层 通道 路径 历史记录 动作等 四 Photoshop对图形处理示例 图像的二值化材料研究的图像处理主要包括材料聚集态结构单元的测量等 为此 图像处理的首要工作是图像的二值化 以分离出目标粒子 同时消除背景干扰 图像的二值化主要包括目标粒子的分离 背景的去除和图像二值化几个步骤 原始图像分离目标去除背景二值化 1 通过阈值的设置进行图像二值化当粒子和背景的灰度相差比较大时 可以直接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来 同时实现二值化 2 通过多边形套索工具进行图像二值化当所处理的图像灰度分布十分复杂时 多边形套索是最有效的工具 第9章互联网在材料科学研究中的应用第1节互联网上信息资源的检索和利用Internet的信息非常广泛 信息资料的混乱度也也增加 信息的平均质量严重下降 系统化整理成本越来越高 因此 信息质量的重要性远胜过数量 信息挖掘的深度远胜于广度 利用检索工具可以帮助用户系统地浏览所要检索的目标 筛选和提高信息检索的速度和质量 一 搜索引擎搜索引擎是互联网上搜索信息最常用的方法之一 互联网上通用搜索引擎分三类 1 分类目录型的搜索引擎一般是基于人工建立的搜索引擎 这种搜索引擎比较精确 用户一般在检索相对静态稳定的信息时使用这一类搜索引擎 如Yahoo Sina等 2 基于关键词的检索用户可以用逻辑组合方式输入各种关键词 搜索引擎根据这些关键词寻找用户所需资源的地址 如Google 百度 3 多元搜索引擎它依靠其他原始引擎的搜索或索引接口 来完成其搜索任务的引擎 1 通用搜索引擎常用的通用搜索引擎有Yahoo Google Excite等 Yahoo是世界上第一个也是的WWW环境中最著名的分类主题索引 收录50万个站点信息 分散在25000个主题中 可分类浏览也按主题查询 Google提供一系列革命性的新技术 包括完善的文本对应技术和先进的PageRank排序技术 可以保证重要的检索结果排列在结果列表的前面 它的优势还在于掌握的海量信息和快速的检索速度 目前可检索的网页数量大于13亿个页面 居于所有搜索引擎之首 GoogleScholar GoogleScholar是什么 GoogleScholar是Google于2004年底推出的专门面向学术资源的免费搜索工具 能够帮助用户查找包括期刊论文 学位论文 书籍 预印本 文摘和技术报告在内的学术文献 内容涵盖自然科学 人文科学 社会科学等多种学科 GoogleScholar的资料来源 1 网络免费的学术资源 随着开放获取运动 OpenAccess 的开展 有许多机构网站 特别是大学网站汇聚了大量本机构研究人员的学术成果 包括已经发表的论文 论文的预印本 工作报告 会议论文 调研报告等等 并向所有人提供免费公开获取 同时 有许多个人网站也是学者个人成果的发布网站 有许多有价值的学术文献 这些资源有很多在普通Google搜索中可以搜索到的 现在Google将这部分资源集中到GoogleScholar中 以提供更加专指的搜索结果 2 开放获取的期刊网站许多传统的期刊出版商也加入到开放获取期刊行列 如 英国牛津大学出版社允许全球科研人员在线免费搜索访问2002年以来牛津大学作者出版的学术论文 斯坦福大学的Highwire出版社将其出版的期刊提供全文免费网络服务 截止到2004年5月2日已开放全部1741023篇论文的716615篇 被称为全球最大的免费全文学术论文数据库 这些开放获取的期刊网站的内容已基本为GoogleScholar所包括 可以通过GoogleScholar检索并提供全文的链接 如 GoogleScholar已包括HighWire的94 3 付费电子资源提供商 有许多电子资源提供商也与Google合作 将其电子数据库的索引或文摘提供给GoogleScholar 据研究表明 Google已覆盖了JSORE的30 SpringerLink的68 CambridgeJournalsOnline的94 SociologicalAbstracts的44 等 当然 这个来源的大多数只能查到这些期刊数据库的文章题录信息 偶尔这些数据库有免费原文提供 中文的维普数据库和万方数据库也与Google合作 提供了中文期刊文章的题录信息 4 图书馆链接 Google向图书馆发出免费链接邀请 可以提供面向这些图书馆资源的链接和查询 目前 国外已有多家图书馆与Google合作 如斯坦福大学等 这样在校外的用户能够通过GoogleScholar进行检索 如果是斯坦福大学图书馆订购的资源则可以通过身份认证后直接获得原文 国内也有一些图书馆与Google合作 如 清华大学图书馆等 此外 国外最大的图情机构OCLC将来自世界各国图书馆的图书联合目录交给Google 也就是说从GoogleScholar可以查到这些图书馆的图书目录信息 对于国外的用户有更实际的作用 即可以通过 Findalibrary 找到距离自己最近的图书馆 以获得图书 利用GoogleScholar获取全文的方法和技巧 1 利用GoogleScholar检索后 返回的每个结果后面几乎都有 所有X个版本 这表明该文章可能存在于多个来源中 点击可以获得该文章的多个来源 2 Google的网页快照功能 是Google针对PDF等文件的自动扫描 保存 这是获取全文的另一个很重要的途径 有许多全文在网上公开的时间有限 可能以前能看到 现在没有了 如果Google进行了网页快照 则即使原来的获取地址不存在 也仍然能看到全文 网页快照的标记是 题录信息下方的 网页快照 或 HTML版 按钮 案例 Aninvestigationofuserattitudestowardsearchenginesasaninformationretrievaltool 3 如果前两种方式都不成功 还可以尝试一下 网页搜索 功能 这个功能是返回通用Google搜索帮助查找 从GoogleScholar返回Google查询 所得到的检索结果比直接在Google中查询的专指度高 主要为与在GoogleScholar中想要的文章相关的一些Pdf格式的文件 即使找不到原先想到的文章 也可以意外发现很多与该主题相关的学术资源 2