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第1章 绪论1

1.1 计算机的发展和应用1

1.1.1 计算机的发展历程1

1.1.2 微型计算机的发展4

1.2 材料科学与工程的概念和内容5

1.2.1 涵盖的基本内容5

1.2.2 材料的分类5

1.2.3 材料的性能5

1.2.4 基本要素5

1.3 计算机在材料科学与工程中的应用简介6

1.3.1 计算机技术用于数值计算与模拟7

1.3.2 计算机技术用于材料数据和图像处理7

1.3.3 计算机技术用于材料数据库和知识库7

1.3.4 计算机技术用于材料设计8

1.3.5 计算机技术用于材料性能表征与检测8

1.3.6 计算机网络技术用于材料科学研究9

第2章 数学模型及数值求解方法10

2.1 数学模型的介绍10

2.1.1 数学模型的含义10

2.1.2 数学模型的分类11

2.1.3 建立数学模型的一般步骤和原则12

2.2 常用的数学建模方法13

2.2.1 机理分析法13

2.2.2 模拟方法14

2.2.3 类比分析法16

2.2.4 数据分析法17

2.3 数学模型的求解方法19

2.3.1 有限差分法19

2.3.2 有限元法25

思考题与上机操作题37

第3章 材料科学研究中主要物理场的数值分析的模拟38

3.1 应力场模型与计算38

3.1.1 弹性力学基础38

3.1.2 应力场的有限元计算41

3.1.3 工字悬臂梁挠曲变形的模型建立与计算46

3.1.4 开孔矩形板受荷载作用变形的模型建立与计算50

3.2 温度场模型与计算55

3.2.1 热传递的基本方式与导热微分方程55

3.2.2 初始条件与边界条件58

3.2.3 二维稳态导热问题的有限差分求解59

3.2.4 非稳态导热问题的有限差分求解61

3.2.5 有限元法求解64

3.2.6 发电厂烟囱温度分布模型的建立与计算69

3.2.7 短圆柱体热传导过程的模型建立与计算73

3.3 浓度场模型与计算80

3.3.1 扩散控制模型81

3.3.2 有限元求解82

3.3.3 半无限长钢板碳扩散情况的模型建立与计算85

3.3.4 Hydrus介绍与实例91

思考题与上机操作题96

第4章 材料数据库和人工神经网络99

4.1 材料数据库99

4.1.1 数据库的组成与结构99

4.1.2 材料科学与工程数据库100

4.2 专家系统101

4.2.1 专家系统基本知识101

4.2.2 材料科学与工程中专家系统举例103

4.3 人工神经网络技术及其应用108

4.3.1 人工神经网络108

4.3.2 神经网络的学习方法与规则110

4.3.3 神经网络在材料科学与工程中的应用111

思考题与上机操作题114

第5章 材料科学与工程中的数据处理与分析115

5.1 数据处理的基本理论115

5.1.1 曲线拟合和最小二乘法115

5.1.2 线性插值法120

5.2 Origin软件在数据处理中的应用123

5.2.1 Origin软件介绍123

5.2.2 Origin软件的基本功能和使用方法124

5.2.3 Origin在数据处理中的应用实例129

思考题与上机操作题140

第6章 材料科学与工程中的图像处理142

6.1 图像与图像处理142

6.2 数字图像的获得途径143

6.3 Photoshop软件进行图像处理与分析举例143

6.3.1 Photoshop六大基本功能144

6.3.2 Photoshop图例144

6.4 MatLab软件进行图像处理与分析举例151

6.4.1 MatLab的主要功能151

6.4.2 基本操作151

6.4.3 MatLab语言基础153

6.4.4 MatLab程序设计初步154

6.5 Image J软件进行图像处理与分析举例156

6.5.1 Image J的界面156

6.5.2 图片编辑与分析159

6.5.3 测量和计数160

思考题与上机操作题163

第7章 正交试验方法在材料科学与工程中的应用165

7.1 正交试验设计的基本原理165

7.1.1 正交表介绍166

7.1.2 正交性原理167

7.2 正交试验设计的基本方法168

7.3 正交试验设计在材料科学与工程中的应用172

7.4 正交试验的方差分析方法174

思考题与上机操作题178

第8章 分子动力学在材料科学与工程中的应用179

8.1 分子动力学介绍179

8.1.1 力场180

8.1.2 分子动力学基本原理183

8.1.3 分子动力学计算流程185

8.1.4 分子动力学的一些基本算法186

8.1.5 系综的分类187

8.1.6 周期性边界条件188

8.1.7 输出轨迹分析188

8.2 常用的分子动力学软件191

8.2.1 Lammps191

8.2.2 Materials Studio192

8.2.3 Materials Studio在材料科学中常用的模块介绍192

8.3 分子动力学在材料科学与工程中的应用举例193

8.3.1 Materials Studio算例193

8.3.2 Lammps算例197

思考题与上机操作题203

第9章 Rietveld/XRD精修在材料科学与工程中的应用206

9.1 Rietveld/XRD方法介绍与基本理论206

9.1.1 XRD衍射峰的理论计算206

9.1.2 Rietveld定量精修210

9.1.3 Rietveld结构精修213

9.1.4 Rietveld全谱拟合正确性数值判断214

9.2 Rietveld精修软件——GSAS-EXPGUI介绍215

9.2.1 软件菜单栏界面介绍215

9.2.2 软件选项栏界面介绍219

9.3 Rietveld定量精修在材料科学与工程中的应用223

9.3.1 基于标样SiO2-ZnO二元体系的精修策略和准确性验证223

9.3.2 水泥基材料的Rietveld精修定量策略226

参考文献232