武理工计算机在材料科学与工程中的应用理论教学大纲

计算机在材料科学与工程中的应用理论教学大纲课程编号：课程名称：计算机在材料科学与工程中的应用/ComputerinMaterialsScience&Engineering学时/学分：40/2.5（其中含实验20学时）先修课程：计算机技术基础；材料科学基础，材料工程基础适用专业：材料科学与工程、材料物理、材料化学、高分子等相关专业开课学院（部）、系(教研室)：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务本课程从计算机技术在材料科学中的应用概况讲起，加强学生解决计算机技术在材料科学与工程中实际问题的能力培养。让学生通过本课程的学习，了解怎样将计算机技术用于解决材料科学与工程领域中实际问题，具有初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计和毕业论文中去，使学生获得：1.

了解计算机技术在材料科学中的应用情况2.

常用材料学科计算方法和数据处理3.

材料科学研究中数值模拟方法基础4.

材料科学与工程中的物理场计算机分析5.

材料数据库和专家系统6.

相图计算及材料设计基础7.

计算机检测与控制系统在材料中的应用8.

互联网在材料研究中的应用等计算机在材料科学与工程中应用的原则和方法；对国内外计算机在材料学科中的最新发展动向及存在的问题进行探索性介绍,培养学生思索和解决新问题的能力。通过介绍计算机技术这一强有力的工具在材料学科的应用，极大地促进了材料科学研究的深入发展，积极培养和引导学生的创新意识。二、课程的教学内容、基本要求及学时分配（一）教学内容本课程的教学内容包括：1.

计算机技术在材料科学中的应用概况计算机技术在材料科学中的应用简介：计算机技术与新材料设计；材料数据库技术；计算机模拟技术在材料研究中应用；人工智能在材料研究的应用；计算机在材料组织结构研究中的应用；材料工程过程优化及计算机控制；互联网技术在材料研究的作用；2.常用计算方法和数据处理常用计算方法和数据处理：常用数值分析方法；线性方程组解法；最小二乘法曲线拟合；三次样条插值函数；数值分析软件及应用举例；材料科学研究中的数据处理；材料科学研究的数据类型；材料研究中的数据分析；材料研究的实验设计；图象处理在材料领域的应用；数据分析软件介绍及应用举例；3.材料科学研究中数值模拟方法基础材料科学研究中数值模拟方法基础：有限差分法，差分方程的建立；差分方程的求解方法；有限元法的基本概念；有限元法的基本理论；现代有限元分析软件简介及在各专业方向应用举例；4.材料科学与工程中的物理场计算机分析材料科学与工程中的物理场计算机分析：温度场计算机分析；温度场及传热学问题；导热微分方程；导热问题的数值解析；非稳态导热问题的有限差分格式；温度场计算机分析举例；浓度扩散场计算机分析；扩散方程；扩散方程初始条件和边界条件；扩散方程的数值解析及针对物理场和温度场在各专业方向实际过程介绍；5.材料数据库和专家系统材料数据库和专家系统：数据库系统的组成与结构；数据库系统概述；数据库管理系统；数据库系统结构；数据库数据主要特征；工程数据库的应用；料科学与工程数据库；材料数据库的发展；材料数据库的应用举例；专家系统；专家系统的历史和发展；专家系统的工作原理；专家系统的类型；典型专家系统分析；人工神经网络在材料科学中的应用；材料数据库或材料专业方向数据库应用举例，例如相图数据库，金属材料数据库,X衍射PDF检索数据库等；6.相图计算、图形技术及材料设计基础(*可根据自己专业方向特色选相应软件进行介绍)相图计算及材料设计基础；相图计算机计算；相图计算概述；相图计算原理；相图计算实例；相图计算的发展；材料设计；材料设计的发展；材料设计的计算机模拟；材料设计的专家系统；用专家系统设计材料实例；材料微观结构的计算机模拟；电子层次的模拟；原子/分子层次计算机模拟；介绍专门的适用于材料科学方面的图形化软件以及软件的基本使用方法，主要介绍MaterialsStudio;Thermo-Calc；CHEMSKETCH，ISISDRAW，CHEMOFFICE，ORIGIN，AUTOCAD,Image-ProPlus等专业软件与基本使用方法。7.计算机检测与控制系统在材料中的应用计算机检测与控制系统在材料中的应用：检测与控制系统的输入输出；控制方式和控制规律；实时控制系统的结构与组成；实时控制系统的选择方法；材料检测与控制中的计算机应用；8.互联网在材料研究中的应用互联网在材料研究中的应用：网络材料信息检索利用；网络材料学科资源导航；常用材料学科万维网地址推介（二）基本要求1.对计算机技术在材料科学中的应用有一定了解，如何应用计算机软件科学地处理材料科学与工程中的数据，并能在后续课程及毕业设计中灵活应用；2.

了解用计算机解决材料科学与工程中的实际问题的方法，例如温度场的分析，溶度场的分析；3.

了解材料数据库和专家系统的应用，材料科学研究中数值模拟方法及相关软件；4.

掌握应用互联网收集材料研究及相关信息方法（三）学时分配由于各专业方向的教学内容的差异，在执行该大纲时，各专业方向按教学时数为20学时完成，课程的教学内容在以上8个教学点中选择，课程内学时分配根据专业方向的需要进行安排（以下为参考学时分配）。教学环节课程内容学时讲课上机实验小计第一章绪论计算机技术在材料科学中应用概况22第二章计算机检测与控制系统44第三章材料数据分析与模型建立459第四章材料传热学计算机分析257第五章材料数据库和专家系统224第六章材料工艺的计算机模拟459第七章互联网—材料研究的有用工具235总计202040（四）课程内容的重点、难点（1）数学模型及有关概念，建立数学模型的一般步骤和原则，四种常用数学建模方法。四种常用数学建模方法的理解与应用。（2）有限差分法与有限元法的基本原理、概念，差分方程的建立步骤，及差分、差商的概念，差分方程的求解方法，有限元法中的直接刚度法，有限元法的基本理论。(3)温度场计算的初始条件与边界条件，平面温度场的有限差分与有限元求解方法，平面三节点三角形单元的划分规则；应力场计算中应力与应变方向的确定规则，平面应力场的几何方程与物理方程，弹性问题的求解方法；浓度场的有限差分解法。三、课程改革与特色立足“材料科学与工程”大专业，加强学生对基础知识、基本方法的掌握。重在应用。既考虑各材料专业研究方向的共性又兼顾材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性给计算机在材料科学中的应用带来的复杂性和特殊性。在组织教学中，各专业方向应该按教学大纲执行，在执行的过程中可按专业方向有各自特点，在内容选取时灵活选取其中内容。加强解决实际问题能力的培养。让学生通过本课程的学习，了解怎样将计算机技术用于解决材料科学与工程领域中实际问题。并使之能初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去，培养学生的动手能力。介绍计算机技术在材料领域取得的最新成果和最新动向，通过介绍计算机技术这一强有力的工具在材料学科的应用，极大地促进了材料科学研究的深入发展，积极培养和引导学生的创新意识。四、推荐教材及参考书推荐教材：《计算机在材料科学与工程中的应用》，主编：曾令可，叶卫平出版社：理工大学出版社出版或修订时间：2004参考书：《计算机在材料科学中的应用》，主编：叶卫平出版社：机械工业出版社出版或修订时间：2003《Origin7.0科技绘图及数据分析》，主编：叶卫平出版社：机械工业出版社出版或修订时间：2004《材料科学与工程的计算机技术》，主编：樊新民出版社：机械工业出版社出版或修订时间：2000《材料设计》，主编：熊家炯，出版社：天津大学出版社出版或修订时间：2000《计算机在材料学中应用》，主编：杨庆祥等著出版社：燕山大学出版社出版或修订时间：2000《计算机在化学化工中的应用技术》，主编：赵文元等出版社：科学出版社出版或修订时间：2001《InChemicalProcessComputation》，主编：RamanandRaghu出版社：Allyu&Bacon出版或修订时间：1985《TCWBasicManual,March2002.》，主编：,出版社：Stockholm,Sweden,出版或修订时间：March2002《“FACT-Win-