虚拟仿真在材料课程体系中的作用可以归为一下几点:通过演示,进一步加深对材料基础课程中的相关知识理解;通过实现,学习从传统实验到计算机实验、人工智能设计材料的理念和方法;通过修改,掌握在具体的应用中,应用计算材料学的新理念和方法去设计新材料。

虚拟仿真实验教学项目

已开展:

一、MATLAB编程建立晶体结构

晶体结构即晶体的微观结构,是指晶体中实际质点(原子、离子或分子)的具体排列情况。自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类,固态的金属与合金大都是晶体。晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的(长程序),而非晶体中这些质点除与其最相近外,基本上无规则地堆积在一起(短程序)。金属及合金在大多数情况下都以结晶状态使用。晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。

课程结合MATLAB编程语言与RasMol软件,用于实现常见金属晶体结构(如面心立方 FCC 结构、体心立方 BCC 结构、密排六方 HCP 结构)的建立及可视化。同时,所建的结构也是分子动力学模拟所需的重要输入参数。

应用举例:密排六方结构的编程语言描述与结构可视化

二、有限元法(FEM)应用举例

有限单元法(Finite element methodFEM)或称有限元法,是一种常用的数值求解微分方程的计算方法。有限元法会将系统划分为不同区域(或网格),网格节点统一编号,特别适用于不规则的系统,或边界任意形状的系统;所以有限元广泛应用于流体力学、结构力学等系统。

有限元软件的通常操作步骤:包括前处理,求解计算和后处理。

应用举例:

算例(一)二维和三维颗粒增强金属基复合材料力学性能模拟

算例(二)螺栓预紧力分析

三、材料数据库及其辅助工程设计

Cambridge Engineering Software CES (Edupack)

通过CES材料数据库进行材料设计

第一级数据库64种材料,75种工艺

第二级数据库94种材料,107种工艺

第三级数据库2916种材料,233 种工艺

CES Edupack软件的应用是基于以产品设计为导向的材料工艺选择策略,即选择的起点是产品的市场需求和设计要求。基于CES Edupack软件的材料和工艺选择包括四个步骤,即:处理(transaction)、筛选(screening)、排序(ranking)和文档(documentation)

应用举例:设计船桨材料

待开展:

1、基于材料大数据的材料智能设计虚拟仿真实验

1)材料大数据库中材料属性的查找和筛选

2)汽车门板轻量化设计案例

3)相图的仿真教学案例

4)航空用发动机叶片材料的设计案例

5)卡车拖车复合材料和结构设计案例

2、材料从组织到力学性能的虚拟仿真实验—颗粒复合体材料力学行为和材料智能设计的虚拟仿真实验

实验目的:理解不同显微组织的多晶材料和颗粒增强金属基复合材料在拉伸过程中的变形特点和微区应力的演变;掌握通过材料大数据分析进行材料智能设计的应用案例。

实验原理:

1)多晶材料拉伸的应力-应变关系和应力场演变规律

2)不同多晶组织材料的最佳力学性能筛选

3)三维颗粒增强金属基复合材料拉伸的应力-应变关系和应力场演变规律

4)材料大数据库中材料属性的智能查找

5)材料大数据库中金属材料的智能筛选

实验依托理论课程:

《材料科学基础(上)》

《材料科学基础(下)》

《计算材料学》

《人工智能在材料设计中的应用》