计算机在材料科学中的应用简答题.docx

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计算机在材料科学中的应用简答题

计算机在材料科学中的应用

材料科学：

以材料的组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学。

这也是材料研究者的共同使命。

材料科学的四个要素包括：

成分、组织、性能、合成/制备。

计算机在材料科学中的应用领域：

1.计算机用于新材料的设计2.材料科学研究中的计算机模拟3材料与工艺过程的优化及自动控制4计算机用于数据和图像处理5计算机网络在材料研究中的应用

材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者通过理论与设计来“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。

主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术,使人们能将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来,用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策,为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。

计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，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过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。

计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。

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,也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

优点：

在某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验。

计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义。

1.简述建立数学模型的基本步骤。

常用的数学模型建立有几种方法。

答：

建立数学模型的基本步骤：

⑴建模准备——是确定建模课题的过程，就是要了解问题的实际背景，明确建模的目的。

深入生产和科研实际以及社会生活实际，掌握与课题有关的第一手资料，汇集与课题有关的信息和数据，弄清问题的实际背景和建模的目的，进行建模筹划。

⑵建模假设——建模假设就是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。

对原型的抽象、简化不是无条件的，必须按照假设的合理性原则：

①目的性原则；②真实性原则；③简明性原则；④全面性原则。

⑶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，首先区分常量、变量、已知量、未知量，然后查明各种量所处的地位、作用和他们之间的关系，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模型。

⑷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，并借助计算机完成对模型的求解。

⑸模型分析——根据建模的目的要求，对建模求解的数字结果，或进行稳定性分析，或进行系统参数的灵敏度分析，或进行误差分析等。

通过分析，如果不符合要求就修改或增减建模假设条件，重新建模，直到符合要求。

如果通过分析符合要求，还可以对模型进行评价、优化、预测等方面的分析和探讨。

⑹模型检验——模型分析符合要求后，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，若不符合，就修改或增减假设条件，重新建模，循环往复，不断完善，直到获得满意的结果。

⑺模型应用——模型应用是数学建模的宗旨，也是对建模的最客观、最公正的检验。

一个成功的数学建模，必须根据建模的目的，将其用于分析、研究和解决实际问题，充分发挥数学建模在生产和科研中的特殊作用。

常用的数学建模方法：

（1）理论分析法。

（2）模拟方法。

（3）类比分析法。

（4）数据分析法。

2、最小二乘法的原理。

（求系统回归方程的方法）。

解：

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。

它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。

利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

最小二乘法还可用于曲线拟合。

其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

求一条通过或接近一组数据点的曲线，这一过程叫数据拟合，而表示曲线的数学式称为回归方程。

求系统回归方程的一般方法如下：

设有一未知系统，以测得该系统有n个输入-输出数据点为

（xi,yi）i=1,2,…，n

现寻求其函数关系

y=f（x）或F（x,y）=0

无论x,y为什么函数关系，假设用以多项式

y^=b0+b1x+b2x2+…bmxm

作为对输出（观测量）y的估计（用y^表示）。

若能确定其阶数及系数b0、b1、b2…，bm，所得到的就是回归方程——数学建模。

各项系数即回归系数。

当输入为xi，输出为yi时，多项式拟合曲线相应于的估计值为

yi^=b0+b1xi+b2xi2+…bmximi=1,2,…,n

现在要使多项式估计与观测值的差的平方和

Q=∑（yi^-yi）2

为最小，这就是最小二乘法，令

ΔQ/Δbj=0j=1,2,…,m

得到下列正规方程组

ΔQ/Δb1=2∑（b0+b1xi+b2xi2+…bmxim-yi）xi=0

ΔQ/Δb2=2∑（b0+b1xi+b2xi2+…bmxim-yi）xi2=0

┆

ΔQ/ΔbM=2∑（b0+b1xi+b2xi2+…bmxim-yi）xim=0

一般数据点个数n大于多项式阶数m，m取决于残差的大小，这样，从上式可求出回归系数b0，b1，…bm，从而建立回归方程数据模型。

3.请简述差分法的数学思想和解题目步骤。

答：

差分法的数学思想：

将求解域划分为差分网络，用有限网格节点代替连续的求解域。

有限差分法通过Taylor技术展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行疏散，从而建立以网格节点上的值为未知数的方程组。

有限差分法的主要解题步骤：

（1）建立微分方程。

（2）构建差分格式。

（3）求解差分方程。

（4）精度分析和检验。

4有限元分析的基本原理。

答：

一、是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点；

二、根据几何机构离散思想而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；

三、建立用于求解节点未知量的有限元方程组，再将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。

四、求解得到节点值，再通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。

然后对每个单元选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。

五、单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，

再用与模型相关公式，计算出各单元上产生的微小变化，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。

5.有限元基本思想

有限单元法的基本思想就是把一个连续体人为的分割成有限个单元，即把一个结构看成由若干通过结点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构。

这种先化整为零、再积零为整的方法就叫有限元法。

从数学的角度来看，有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组，利用计算机求解。

由于有限元法是采用矩阵算法，借助计算机这个工具可以快速的算出结果。

6..请简述有限元法的数学思想和解题目步骤。

答：

有限元法的数学思想：

把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，运用变分原理和加权余量法等数学基础解得节点值，进而得到整个集合体的场函数。

有限元法的解题步骤:

（1）建立求解域并将其离散化为有限单元。

（2）假设代表单元解的近似连续函数。

（3）建立单元方程。

（4）构造单元整体刚度矩阵。

（5）施加边界条件，初始条件和荷载。

（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果及其他重要信息。

7.有限元分析过程可以分为以下三个阶段：

1）.建模阶段建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。

有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。

但是还是要处理许多与之相关的工作：

如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。

2）.计算阶段计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。

由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。

3）.后处理阶段它的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是进行结构有限元分析的目的所在。

8.建立有限元模型是整个有限分析过程的关键?

首先，有限元模型为计算提供所有原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；

其次，有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型既能保证计算结构的精度，又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；

再次，由于结构形状和工况条件的复杂性，要建立一个符合实际的有限元模型并非易事，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出了较高的要求；

最后，建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重，约占整个分析时间的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键。

9.模型中一般包括以下三类数据：

1.节点数据：

包括每个节点的编号、坐标值等；

2.单元数据：

a.单元编号和组成单元的节点编号；b.单元材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等；c.单元物理特征值，如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d.一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等；e.相关几何数据

3.边界条件数据：

a.位移约束数据；b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据.

10.建立有限元模型的一般过程：

1.分析问题定义

在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。

总的来说，要定义一个有限元分析问题时，应明确以下几点：

a.结构类型；b.分析类型；c.分析内容；d.计算精度要求；e.模型规模；f.计算数据的大致规律

2.几何模型建立

几何模型是从结构实际形状中抽象出来的，并不是完全照搬结构的实际形状，而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理，以适应有限元分析的特点。

3.单元类型选择

划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元，包括单元的形状和阶次。

单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑。

4.单元特性定义

有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外，还应具备一组计算所需的内部特征参数，这些参数用来定义结构材料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等.

5.网格划分

网格划分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来。

目前广泛采用自动或半自动网格划分方法，如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方法就是自动划分方法。

6.模型检查和处理

一般来说，用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还不能立即应用于分析。

由于结构和网格生成过程的复杂性，划分出来的网格或多或少存在一些问题，如网格形状较差，单元和节点编号顺序不合理等，这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间。

7.边界条件定义

在对结构进行网格划分后称为离散模型，它还不是有限元模型，只有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后，网格模型才能成为完整的有限元模型。

11..Ansys主要功能

1.结构分析；2.高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）；3.热分析；4.电磁分析；5.流体动力学分析；6.声学分析；7.压电分析；8.多场耦合分析；9.优化设计及设计灵敏度分析；10.二次开发功能；11.ANSYS土木工程专用包。

.12.Ansys典型分析过程：

1.准备工作：

1）清空数据库并开始一个新分析2）指定新的工作文件名（Jobname）3）指定新标题（Title）4）指定新的工作目录（WorkingDirectory）。

2.前置处理——创建有限元模型：

1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性）；2）创建或读入几何实体模型；3）划分单元获得网络模型（节点及单元）：

4）模型检查，存储模型。

3.计算求解——施加载荷进行求解：

1）选择分析类型并设置分析选型；2）定义载荷及载荷步选项；3）求解solve。

4.后置处理：

1）查看分析结果2）检验结果。

13.举例说明材料学中有哪些具体问题可以用蒙特卡洛法解决。

简述蒙特卡洛法的基本步骤。

答：

用特卡洛法可以解决一些具体问题，如研究高能离子在材料中的输运、晶粒生长过程、薄膜材料的外延生长、气象沉积、复合材料的失效破坏等。

蒙特卡洛法的基本步骤：

（1）构建概率模型。

（2）随机抽样。

（3）估计统计量。

14.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能。

答：

Ansys软件主要包括三个部分：

前处理模块，求解模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；求解模块可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图形，图表，曲线形式显示或输出。

15.简述数据库的构成和主要特征。

答：

数据库系统至少包含以下三部分：

1）.数据库：

结构化的相关数据的集合，有数据间的关联性。

2）.物理存储器：

存储数据的介质，如光盘、磁盘、磁带等。

3）.数据库软件：

负责对数据库管理和维护的软件，其核心是DBMS。

16.数据库系统管理数据具有下列特征：

1）.数据共享：

多用户同时使用全部或部分数据。

2）.数据独立性：

每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构。

3）.减少数据冗余：

数据集中管理，统一组织、定义和存储。

4）.数据的结构化：

数据的相互关联和记录类型的相互关联。

5）.统一的数据保护功能：

并发控制的问题，加强了对数据的保护。

17.用PC-PDF检索系统分析PVD涂层的XRD谱线

（1）PC-PDF检索系统

（2）使用方法（分析过程）

PVD涂层：

高速钢TiN多弧离子镀PVD涂层。

沉积工艺为：

预抽真空20min，预轰击清洗15min，离子镀沉积30min后冷却出炉。

涂层厚度约2～3μm，可以初步判断XRD图谱为基体的衍射峰和涂层的衍射峰的叠加。

1）根据相图，确定稳定相，估计非平衡相：

根据Fe-Ti相图，稳定化合物只有TiFe和TiFe2两种，分析得出优先形成TiFe。

根据Ti-N相图，在PVD的温度下可能形成的稳定相有α-Ti、Ti2N及TiN，除此外，还可能出现非平衡相。

2）检索：

采用布尔（Boolean）检索法对仅形成Ti-N和Fe-Ti化合物进行检索，检索出12张PDF卡片。

选择编号就可得到相应的PDF卡片（在每个记录中存入的主要内容有：

序号、PDF卡片号、物相名、该物相所含的元素名、晶体结构参数、衍射靶参数、晶面间距值、相对强度值、晶面指数等。

）。

结合该PVD工艺条件和PDF卡片对试样的X衍射图谱进行对照分析，得出该涂层表面主要有TiN、Ti2N、TiN0.26、FeTi相。

3）分析：

X射线衍射物相定性计算机分析系统。

有了PDF卡片检索数据库，结合相分析软件可在获得X射线衍射谱后，利用数据库来对照分析，迅速准确对物相进行分析。

Philips公司为此开发出了PC-IDENTIFYX衍射图谱计算机分析系统，该分析系统将各衍射降的值与各个可能存在物相的d值逐个进行比较，最终输出分析结果。

该分桥系统为X衍射仪的一部分，能迅速对物相进行分析。

18.举例说明材料数据库应用的实例。

答：

材料数据库应用的实例

（1）计算机选材系统。

选材系统可以查询材料基本信息、加工应用和商业信息。

（2）合金相图数据库系统。

合金相图数据库系统可以方便查询到合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。

（3）数据库用于材料热处理工艺设计。

在热处理工艺数据库的基础上，开发了CAPP，使工艺设计中的工艺参数选择、保温时间的计算、零件图形的绘制等工作均由计算机来自动完成。

（4）数据库在材料物相分析中的应用。

该数据库可以方便的检索物相、计算物相质量分数等。

19.完整的专家系统由六个组成部分（的功能）：

1）知识库：

用于存放领域专家提供的专门知识，它有知识的数量和质量之分，要选择合适的知识表达方式和数据结构、把专家的知识形式化并存入知识库中。

2）工作数据库：

包含问题的有关初始数据和求解过程的中间信息组成。

3）推理机：

它要解决如何选择和使用知识库中的知识，并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解。

4）知识获取机制：

实现专家系统的自我学习，在系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩大现有系统功能。

5）解释机制：

专家系统在通用户的交互过程中，回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题。

6）人机接口：

实现系统与用户之间的双向信息转换，即系统将用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式，或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式。

20.将专家系统分为下列几类：

1）解释专家系统：

通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的含义，如图像分析、化学结构分析和信号解释等。

2）预测专家系统：

通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况，如天气预报、人口预测、经济预测、军事预测。

3）诊断专家系统：

根据观察到的情况来推断某个对象机能失常（即故障）的原因，如医疗诊断、软件故障诊断、材料失效诊断等。

4）设计专家系统：

工具设计要求，秋初满足设计问题约束的目标配置，如电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等。

5）规划专家系统：

找出能够达到给定目标的动作序列或步骤，如机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案等。

6）监视专家系统：

对系统、对象或过程的行为进行进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以便发现异常情况，发出警报，如核电站的安全监视等。

7）控制专家系统：

自适应地管理一个受控对象的全面行为，使之满足预期的要求，如空中交通管制、商业管理、作战管理、自主机器人控制、生产过程控制等。

21.实现"材料设计"的主要原因（基本条件）有以下三点：

（1）基础理论（物理和化学，特别是固体理论、量子化学和化学键理论）的完善和发展；

（2）计算机信息处理技术（特别是人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等）的建立和发展；

（3）先进的材料生产和制备技术的发展：

采用如急冷（SplatCooling）、分子束外延（MBD）、有机金属化合物气相沉积、离子注入、微重力制备等。

1、人工神经网络的特点和优越性表现在哪几个方面？

（1）具有自学习功能。

（2）具有联想存储功能。

（3）具有高速寻找优化解的能力。

2、数据库数据主要特征包括

（1）数据共享

（2）数据独立性（3）减少数据冗余（4）数据的结构化（5）统一的数据保护功能。

4、简述专家系统的工作过程：

专家系统的工作过程大致描述为：

系统根据用户提出的目标以综合数据库为出发点，在控制策略的指导下，由推理机运用知识库中的有关知识，通过不断的探索推理以实现求解的目标，因此，知识库与推理机是专家系统的核心部分，专家系统的工作过程是以知识为基础、对目标问题进行求解的过程是一个搜索过程。

6、什么是人工神经网络，并画出经典人工神经网络连接形式？

人工神经网络是一种信息处理技术，力图模拟人类处理问题方式去理解＆利用信息。

人工神经网络既可以解决定性问题，又可以解决用于直接解决定量问题，具有较好的可靠性。

擅长处理复杂的多元非线性问题；具有自学能力，能从已有的实验数据中自动总结规律。

7、人工神经网络的结构形式有那些，并画出结构示意图？

（1）前馈式网络

（2）输入输出有反馈的前馈网络

（3）前馈内层互联网络

（4）反馈型全互联网络

（5）反馈型局部连接网络

8、人工神经网络有那些类型？

（1）解释专家系统

（2）预测专家系统（3）诊断专家系统（4）设计专家系统（5）规划专家系统（6）监视专家系统（7）控制专家系统

9、什么是数据库管理系统？

数据库管理系统（简称DBMS）是一组通用的程序，对数据库中数据的各种操作提供一种共用的方法，接受并完成用户提出的访问数据库的各种请求，负责数据库的建立、操纵、管理＆维护。

其任务就是在保证数据安全、可靠的同时，提高数据应用时的简明性＆方便性。

数据库又可分为层次型、网络型和关系型三种。

10在计算机控制系统中，什么是可靠性？

衡量可靠性的指标是什么？

可靠性:

是指计算机控制系统能够无故障运行的能力，具体衡量可靠性的指标是“平均故障时间”。

发生故障的间隔时间越长，则系统的可靠性就越高。

11、在计算机工业控制系统中，硬件系统的五大组成部分是什么？

微型计算机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和被控工业对象

12、在计算机控制系统中，什么是可维护性？

可维护性：

是指日常进行维护时的方便程度，并在发生故障时能尽量缩短故障时间。

13、什么是传感器？

传感器是信息获取过程中的一个环节，是将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或控制的模拟信号的器件，由敏感元件和部分测量电路组成。

14、举出至少五个可以通过教育网进行检索的全文数据库。

.

中国知识资源总库；2）万方数据库；3）维普资讯中文期刊库；4）超星电子图书；5）ACS期刊（美国化学学会）；6）ScienceDirect；7）Springer-Link全文期刊；7）EBSCO（欧美期刊全文）。

22.人工神经网络与材料工艺优化：

材料在加工处理过程中，对最终性能的影响因素较多，关系较复杂，难以建立明确的数学模型；采用人工神经网络优化加工工艺能取得良好的效果。

例：

用人工神经网络方法优化7175铝合金工艺：

将变形量、固溶时间和时效时间作为网络输入、合金抗拉强度和屈服强度作为输出，建立3×6×2的三层BP网络，用遗传算法对训练好的网络进行优化，得到了7175铝合金在170℃时效处理的最优工艺为：

冷变形85.1％+480℃/133min固溶+170℃/10h时效。

23.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法。

答：

多尺度材料设计的层次从广义来说，可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：

（1）微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计；

（2）连续模型层次，典型尺度在约1um量级，这时材料被看成连续介质；（3）工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。

所涉及的计算模拟方法分别为：

量子化学第一性原子计算，分子动力学模拟，蒙特卡洛模拟，相图计算技术，相场模拟，有限元分析和概率断裂力学方法。

24.分析电子显微方法：

1.电子能量损失谱法（EELS）：

这种方法是分析电子显微方法中重要的技术之一，对轻元素的分析特别有效，还可以对材料的微区组成进行定量分析。

2.X射线能谱法（EDS）：

它也是分析电子显微方法中的成熟的基本技术，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