《计算材料学》课程教学大纲

1、计算材料学ComputationalMaterialScience一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分：2 学分课程总学时：32 学时，其中讲课： 32 学时，实验（含上机）： 0 学时，课外 0 学时课程性质：选修开课学期：第6学期先修课程：大学物理、高等数学、材料科学基础、计算机语言适用专业：材料物理专业教 材：D.罗伯编著，计算材料学，化学工业出版社，2002年。开课单位：物理与光电工程学院材料物理系二、课程性质、教学目标和任务 计算材料学是一门伴随科学前沿发展而诞生的新兴课程。随着对材料的要求不断提高，仅仅依靠实验来进行研究已难以满足现代新材料设计和发展的要求。计算机模拟技术可

2、以根据有关的基本理论，通过模拟计算对材料开展跨尺度多结构层次的研究。因此计算材料学已得到广泛关注与认可，正快速发展成为材料学中的一门主流专业课程。本课程涵盖从电子、原子层面到应用环境下材料的微观、宏观性能的计算模拟方法和各方法的相关理论基础与应用。本课程的目的是，使学生了解当前计算材料学的主要方法及其应用，掌握基本的计算模拟理念和方法；加深学生对材料“组织结构性能”本构关系的理解；激发并拓宽学生新的材料研究理念与思维模式；开阔思路，培养用物理、数学模型考虑研究对象的能力和习惯；使其充分了解材料计算和模拟既是理论和实验方法的融合，又是对两者的重要补充，是现代材料学不可或缺的新的研究方法。三、教学

3、内容和要求第1章绪论（2学时）（1）了解计算材料学的发展概况（2）理解计算材料学的范围与层次重点：计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次第2章分子动力学（6学时）2.1 分子动力学基础（3学时）（1）了解分子动力学基本思想和原理（2）理解原子间相互作用势模型（3）掌握原子系统的运动方程、边界条件及其数值解法重点：原子间相互作用势模型、原子系统的运动方程、运动方程的积分、边界条件难点：运动方程的积分、边界条件2.2 分子动力学软件及应用 （3学时）（1）了解LAMMPS软件包及计算流程（2）理解基本统计力学原理及物理量的计算（3）掌握分子动力学方法在材料科学中的应用重点：分子动力学方法在材

4、料科学中的应用。难点：统计力学原理及物理量的计算第3章 蒙特卡洛积分与模拟（6学时）3.1 蒙特卡洛基础（4学时）（1）了解蒙特卡洛方法历史 （2）理解蒙特卡洛方法的基本思想和自旋蒙特卡洛模型（3）掌握随机数，抽样方法以及蒙特卡洛方法的误差重点：随机数；蒙特卡洛积分；在材料科学中的应用。难点：Metropolis蒙特卡洛方法；蒙特卡洛方法的误差3.2 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用（2学时）（1）了解蒙特卡洛方法在材料科学中的应用条件，适用范围等（2）掌握基本蒙特卡洛方法的实现过程重点：蒙特卡洛法的应用难点：蒙特卡洛方法的实现过程第4章 介观尺度的模拟方法简介（8学时）4.1相场法与相场晶体法

5、（4学时）（1）了解相场法与相场晶体法的历史（2）理解平均场理论（3）掌握相场法与相场晶体法的应用重点：相场法与相场晶体法模型难点：平均场理论4.2离散位错法（2学时）（1）了解离散位错法的历史（2）理解离散位错法思想及原理（3）掌握离散位错法的应用重点：离散位错法原理，应用难点：离散位错法原理4.3元胞自动机法，波茨模型，拓扑网格和顶点模型（2学时）（1）了解各个方法的历史及适用情况（2）理解各方法的原理重点：元胞自动机方法第5章 计算相图 （4学时）5.1 计算相图基础（2学时）（1）了解计算相图的概念（2）理解相图计算的原理重点：相图计算的原理与方法难点：相图计算的原理与方法5.2 计算

6、相图方法应用（2学时）（1）了解计算相图软件（2）掌握相图计算的方法重点：计算相图方法难点：计算相图方法第6章有限元方法 （4学时）6.1 有限元方法基础（2学时）（1）了解有限元方法的历史 （2）理解与掌握有限元方法的基本概念与理论基础重点：有限元方法的基本概念与理论基础难点：有限元方法的理论基础6.2弹性力学平面问题的有限元法（2学时）（1）了解平面力学问题（2）掌握平面问题的有限元解法重点：弹性力学平面问题的有限元法难点：弹性力学平面问题的有限元法第7章 第一性原理计算 （2学时）（1）了解第一性原理计算的概念和方法（2）理解密度泛函理论和能带与晶体性质的计算重点：能带与晶体性质计算难点：密度泛函理论课程考核（1.）作业：4次（2.）考核方式：闭卷考试（3.）总评成绩计算方式：采用百分制闭卷考试，占理论总成绩的70%，教师根据学生理论教学的出勤情况