计算机应用技术

计算机应用技术第六讲常用软件介绍本讲主要内容1.数据处理工具2.分子模拟计算软件3.辅助设计软件4.过程模拟软件5.虚拟仪器平台第2页,共40页，2024年2月25日，星期天6.1数据处理工具6.1.1MATLAB

MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB是矩阵实验室的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

MATLAB是一种由美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是一种数值计算环境和编程语言，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据图、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测等。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似，可支持和调用C，FORTRAN，C++，JAVA。第3页,共40页，2024年2月25日，星期天MATLAB窗口第4页,共40页，2024年2月25日，星期天MATLAB的图形功能强大第5页,共40页，2024年2月25日，星期天6.1.2OriginOrigin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。

Origin具有两大主要功能：数据分析和绘图。Origin的数据分析主要包括统计、信号处理、图像处理、峰值分析和曲线拟合等各种完善的数学分析功能。Origin的绘图是基于模板的绘图，它本身提供了几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接；可导入包括ASCII、Excel、pClamp在内的多种数据；可以把Origin图形输出到多种格式的图像文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等等。第6页,共40页，2024年2月25日，星期天Origin窗口第7页,共40页，2024年2月25日，星期天Origin图形在Word中的编辑第8页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2分子模拟软件6.2.1HyperCam6.2.2ChemOffice6.2.3Gaussian6.2.4GAMESS第9页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2分子模拟软件6.2.1HyperCam

HyperCam是一款以高质量，灵活易操作而闻名的分子模拟软件。通过利用3D对量子化学计算，分子力学及动力学进行模拟动画，HyperCam为您提供比其它Windows软件更多的模拟工具。图形界面，有半经验方法(AM1，PM3等)，UHF，RHF和CI和7.0版新增加的密度泛函。可进行单点能，几何优化，分子轨道分析，预测可见-紫外光谱，蒙特卡罗和分子力学计算。功能包括：

1.结构输入和对分子操作。

2.显示分子。

3.化学计算。用量子化学或经典势能曲面方法，进行单点、几何优化和过渡态寻找计算。可以进行的计算类型有：单点能，几何优化，计算振动频率得到简正模式，过渡态寻找，分子动力学模拟Langevin动力学模拟，MetropolisMonteCarlo模拟。支持的计算方法有：从头计算，半经验方法，分子力学，混合计算。

4.可以用来研究的分子特性有：同位素的相对稳定性；生成热；活化能；原子电荷；HOMO-LUMO能量间隔；电离势；电子亲和力；偶极矩；电子能级；MP2电子相关能；CI激发态能量；过渡态结构和能量；非键相互作用能；UV-VIS吸收谱；IR吸收谱；同位素对振动的影响；对结构特性的碰撞影响；团簇的稳定性。第10页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2.1HyperCam

5.支持用户定制的外部程序。

6.其它模块：RAYTRACE模块，RMSFit，SEQUENCE编辑器，晶体构造器；糖类构造器，构像搜寻，QSAR特性，脚本编辑器。

7.新的力场方法：Amber2，Amber3，用于糖类的Amber，Amber94，Amber96。

8.ESR谱（电子自旋共振）。

9.电极化率。

10.二维和三维势能图。

11.蛋白质设计。

12.电场。

13.梯度的图形显示。

14.新增功能：密度泛函理论(DFT)计算；NMR模拟；数据库；Charmm蛋白质模拟；半经验方法TNDO；磁场中分子计算；激发态几何优化；MP2相关结构优化；新的芳香环图；交互式参数控制；增强的聚合物构造功能；新增基组。

第11页,共40页，2024年2月25日，星期天HyperCam窗口第12页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2.2ChemOffice

Chemoffice分为功能不同的几个版本。其ChemOfficeUltra版本包含了：ChemDrawUltra(化学结构绘图)、Chem3DUltra(分子模型及仿真)和ChemFinderPro(化学信息搜寻整合系统)。此外还加入了E-NotebookUltra8.0，BioAssayPro8.0，量化软件MOPAC、Gaussian和GAMESS的界面，ChemSARServerExcel,CLogP,CombiChem/Excel等等，ChemOfficePro还包含了全套ChemInfo数据库，有ChemACX和ChemACX-SC，Merck索引和ChemMSDX。第13页,共40页，2024年2月25日，星期天ChemOffice的功能(1)1.ChemDraw(是世界上最受欢迎的化学结构绘图软件)AutoNom：它可自动依照IUPAC的标准命名化学结构。

ChemNMR：在ChemDraw内预测13C和1H的NMR光谱。

ChemProp：预测BP、MP、临界温度、临界气压、吉布斯自由能、logP、折射率、热结构等性质。

ChemSpec：可输入JCAMP及SPC频谱资料，用以比较ChemNMR预测的结果。

ClipArt：高品质的实验室玻璃仪器图库，可搭配ChemDraw使用。

Name=Struct：输入IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）化学名称后就可自动产生ChemDraw结构。第14页,共40页，2024年2月25日，星期天ChemOffice的功能(2)2.Chem3D

提供工作站级的3D分子轮廓图及分子轨道特性分析，并和数种量子化学软件结合在一起。

ChemProp：预测BP、MP、临界温度、临界气压、吉布斯自由能、logP、折射率、热结构等性质。

ExcelAdd-on：与微软的Excel完全整合，并可连结ChemFinder。

GaussianClient：量子化学计算软件Gaussian的客户端界面，直接在Chem3D运行Gaussian，并提供数种坐标格式。

CSGAMESS：量子化学计算软件GAMESS的客户端界面，直接在Chem3D运行GAMESS的计算。

MOPACPro：Fujitsu的量子化学计算软件MOPAC已内含在Chem3DUltra内，搭配Chem3D的图形界面。可以计算瞬时的几何形状及物理特性等。第15页,共40页，2024年2月25日，星期天ChemOffice的功能(3)3.ChemFinder

化学信息搜寻整合系统，可以建立化学数据库、储存及搜索，或搭配ChemDraw、Chem3D使用，也可以使用现成的化学数据库。ChemFinder是一个智能型的快速化学搜寻引擎，所提供的ChemInfo是目前世界上最丰富的数据库之一，包含ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不断有新的数据库加入。ChemFinder可以从本机或网上搜寻Word，Excel，Powerpoint，ChemDraw，ISIS格式的分子结构文件。还可以与微软的Excel结合，可连结的关连式数据库包括Oracle及Access，输入的格式包括ChemDraw、MDLISISSD及RD文件。

第16页,共40页，2024年2月25日，星期天ChemOffice窗口第17页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2.3Gaussian

Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。高斯功能：分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道、多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径。计算可以对体系的基态或激发态执行。可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。

第18页,共40页，2024年2月25日，星期天Gaussian窗口第19页,共40页，2024年2月25日，星期天6.2.4GAMESS

GAMESS是从头计算量子化学程序。可以从RHF，ROHF，UHF，GVB和MCSCF计算波函，其中一些使用CI和MP2修正。自恰场的分析梯度用于自动几何优化，过渡态寻找，跟踪反应路径。能量hessian的计算允许预测振动频率。可以计算大量的分子特性，从简单的偶极矩到含频率超级极化率。内部储存了大量基组和有效核势，分子中可以包含到Ra的所有元素。几个图形程序用于显示最终结果。

第20页,共40页，2024年2月25日，星期天GAMESS的功能(1)1.计算RHF，UHF，ROHF，GVB或MCSCF自恰场波函。2.计算自恰场能量的CI或MP2修正。3.半经验MNDO，AM1或PM3波函计算。4.对自恰场波函计算分析能量梯度，加上闭壳层MP2或CI。5.使用能量梯度，按照笛卡尔或内坐标优化分子结构。6.寻找势能曲面和鞍点。7.计算能量hessian，得到简正模式，振动频率和红外强度。8.追踪反应路径。9.计算辐射跃迁特性。10.计算自旋-轨道耦合波函。第21页,共40页，2024年2月25日，星期天GAMESS的功能(2)11.计算以下分子特性：

a.偶极、四极、八极距

b.静电势

c.电场和电场梯度

d.电子密度和自旋密度

e.Mulliken和Lowdin布居数分析

f.维里定理和能量成分12.模拟溶剂影响，使用：

a.有效片断势(EFP)

b.极化连续模型(PCM)

c.自恰反应场(SCRF)13.自旋-轨道组态相互作用计算14.自旋-轨道多组态准简并微扰理论（SO-MCQDPT）第22页,共40页，2024年2月25日，星期天GAMESS窗口第23页,共40页，2024年2月25日，星期天6.3辅助设计软件CAD

计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。

第24页,共40页，2024年2月25日，星期天CAD系统的主要功能(1)设计组件重用(2)简易的设计修改和版本控制功能(3)设计的标准组件的自动产生(4)设计是否满足要求和实际规则的检验(5)无需建立物理原型的设计模拟(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表(8)设计到生产设备的直接输出(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出第25页,共40页，2024年2月25日，星期天AutoCAD窗口第26页,共40页，2024年2月25日，星期天6.4过程模拟软件6.4.1AspenPlus6.4.2PRO/II6.4.3ChemCAD6.4.4HYSIS6.4.5ECSS-STAR第27页,共40页，2024年2月25日，星期天6.4.1AspenPlusAspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus的用户。

“如果你不能对你的工艺进行建模，你就不能了解它。如果你不了解它，你就不能改进它。而且，如果你不能改进它，你在21世纪就不会具有竞争力。”第28页,共40页，2024年2月25日，星期天AspenPlus的主要功能1.过程模拟

2.流程设计

3.装置设计

4.过程优化

5.经济分析

6.物性数据计算

第29页,共40页，2024年2月25日，星期天AspenPlus的物性数据库1.纯组分数据库，将近6000种化合物的参数。

2.电解质水溶液数据库，约900种离子和分子溶质。

3.固体数据库，约3314种固体的固体模型参数。

4.Henry常数库，水溶液中61种化合物的Henry常数。

5.二元交互作用参数库，常用状态方程的二元交互作用参数约40,000多个，涉及5,000种双元混合物。

6.PURE10数据库，1727种纯化物的物性数据。

7.无机物数据库，2450种组分的热化学参数。

8.燃烧数据库，燃烧产物中常见的59种组分和自由基的参数。第30页,共40页，2024年2月25日，星期天AspenPlus的主要功能模块1.气/液系统通用混合、物流分流模块，闪蒸模块，热交换器模块，液液单级倾析器，基于收率的、化学计量系数和平衡的反应器，连续搅拌釜、柱塞流、间歇反应器，单级和多级压缩和透平，物流放大、拷贝、选择和传递模块，压力释放计算。2.精馏模型简捷精馏，严格多级精馏，多塔模型，石油炼制分馏塔，板式塔、散堆和规整填料塔的设计和校核。3.对于固体系统文丘里涤气器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、离心过滤器、转鼓过滤器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等4.模型分析工具收敛分析，计算模式，灵敏度分析，案例研究，设计规定能力，数据拟合，优化功能。第31页,共40页，2024年2月25日，星期天AspenPlus的窗口第32页,共40页，2024年2月25日，星期天6.4.2PRO/II

PRO/II是一个通用性的化工稳态流程模拟软件，由美国SimSci开发，广泛应用于各种化学化工过程的严格的质量和能量平衡计算，流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、费用估算/经济评价、环保评测以及其它计算。可模拟油气加工、炼油、化学、化工、聚合物、精细化工/制药等行业的整个生产厂从包括管道、阀门到复杂的反应与分离过程在内的几乎所有装置和流程。

PRO/II可广泛应用于工厂设计、工艺方案比较、老装置改造、装置标定、开车指导、可行性研究、脱瓶颈分析、工程技术人员和操作人员的培训等领域。PRO/II的推广使用，可达到优化生产装置、降低生产成本和操作费用、节能降耗等目的，能产生巨大的经济效益。第33页,共40页，2024年2月25日，星期天PRO/II的窗口第34页,共40页，2024年2月25日，星期天6.4.3ChemCADChemCAD是由Chemstations公司推出的一款极具应用和推广价值的软件，其应用范围包含了化学工业细分出来的多个方面，如炼油、石化、气体、工业安全、