计算机在材料科学与工程中的应用_鲍玖文、张鹏主编_9787122497932

《计算机在材料科学与工程中的应用（第2版）》系统介绍了计算机在材料科学与工程中应用的基本理论、方法及实际应用。内容涵盖计算机技术应用概述、数学模型与数值求解、温度场浓度场应力场等典型物理场数值模拟、材料数据库与人工智能技术、数据处理与图像分析、正交试验设计、分子动力学模拟，以及Rietveld和XRD精修技术。本书在第一版的基础上，增加关于文献检索的方法，更新材料期刊数据库，扩展Origin 数据处理与分析章节，增加关于人工神经网络与 Matlab语言理论及软件学习内容，同时融入思政元素。本书突出实践应用，结合大量软件操作实例与上机实训，注重培养学生利用计算机解决材料领域实际问题的能力，培养创新与应用结合的综合素质。
《计算机在材料科学与工程中的应用（第2版）》适合作为材料科学与工程专业本科生、研究生教材，也可供相关领域科研与工程技术人员参考。

第二版前言
计算机技术与材料科学的深度融合正迈入智能化、精准化新阶段，高通量计算、人工智能辅助设计、多物理场耦合模拟等新技术的涌现，为材料研发、工艺优化与性能预测带来了革命性突破。为紧跟学科前沿、回应读者反馈，我们在第一版基础上进行了全面修订与拓展，形成第二版教材。本次改版以强化应用导向、完善知识体系为核心，针对第一版的不足与学科发展新趋势，实现以下改进。
（1）绪论内容优化扩展。新增材料科学文献检索与科技论文写作完整模块，不仅涵盖文献检索的原理、方法与技术，还详细介绍国内外核心数据库的实操指南，补充科技论文的结构规范与写作步骤，助力学生快速掌握学术研究基础技能；同步更新材料期刊数据库，确保信息的时效性。
（2）章节布局优化与内容拓展。将Origin 数据处理与分析章节调整至第3章，适配教学逻辑；更新 Origin Pro2025 版本的核心功能，新增多种案例，强化软件与材料专业场景的适配性，配套详细上机操作步骤；补充Excel 2024、Image J等软件的进阶应用技巧，强化软件与材料专业场景的深度适配。
（3）新增材料数据库和人工神经网络模块，系统讲解材料数据库与人工神经网络的对接逻辑、技术路径及实操方法，并详细介绍了两者深度融合后可实现的功能。
（4）新增Matlab语言在材料科学与工程中的应用模块，聚焦Matlab语言的工程实用性与学科适配性，构建基础语法专业工具箱材料场景实操的三层教学体系。系统讲解Matlab的核心功能与语言基础，重点深化神经网络工具箱的应用实操教学，同时系统剖析Matlab在图像处理领域的应用逻辑，并配套典型案例演示与实操说明。
（5）新增思政元素融入。将思政教育与学科内容深度融合，依托书中我国材料与计算机领域的自主创新成果、科学家团队攻坚案例等具体载体，融入科学家精神、科技自立自强、家国情怀等思政内核，实现知识传授与价值引领的统一。
第二版教材延续第一版理论实践应用的编写逻辑，形成鲜明特色：学科融合更精准，聚焦材料科学与计算机技术的交叉痛点，实现技术工具与专业需求深度对接；内容时效性更强，紧跟软件迭代与科研方法创新，确保技能与当前科研、工程实践同步；实践导向更突出，强化上机实操与学练结合；知识体系更完整，补充前沿特色模块，兼顾不同层次学生的需求；适用范围更广泛，覆盖教学与工程实践，实现教材与工具书兼具的双重价值。
本版主要由青岛理工大学鲍玖文、张鹏主编，鲍玖文主要负责教材章节的设计、全书统稿及编写，张鹏负责全书章节编写指导与审核。闵通、任顺顺承担了部分图片和公式的整理与编写工作。
本书在编写过程中参考了有关文献，由于条件有限，未能将所有参考文献逐一列出，在此对相关文献的作者表示由衷的感谢。
随着计算机技术的日新月异，材料科学中各种各样的新思路、新方法、新工艺随着计算机运算能力的飞速提高而不断地涌现出来，加之编者理论水平和实践经验有限，书中难免有不足之处，敬请各位读者批评指正。

编者
2026年3月

第一版前言
计算机技术的发展正改变着世界，对整个人类文明和社会进步产生了极其深远的影响。材料科学技术的发展也与计算机的发展分不开。计算机技术和网络技术等对材料科学与工程中的传统产业的革新，已给材料产业带来了革命性的变化。而且，随着应用范围的扩大，所带来的经济效益和社会效益也日臻显著。为了进一步推动和促进计算机技术在材料科学领域中的应用和实践，使攻读材料专业的学生对计算机应用有更多的了解，作者结合多年来的教学和科研实践经验，编写了本书。本书的特色将体现在以下几方面。
(1) 结合材料科学领域中计算机应用的特点，做到专业与计算机应用之间的有效对接、融合，重在应用；既考虑了材料专业各个研究方向的共性，又兼顾材料科学研究领域的广泛性，以及各学科的相互渗透给计算机在材料科学与工程应用中带来的复杂性和特殊性。
(2) 充分考虑到材料科学与工程专业毕业设计时开展实验室试验的要求，不仅在计算机应用的理论上进行充分阐述，而且有针对性地讲述了材料科学与工程的试验设计。
(3) 本书内容较广泛，既要保证全书内容的完整性和系统性，又要避免与有关课程内容的重复。同时，涉及的计算机方面的理论知识或相关专业的专业理论，尽量做到适合材料科学与工程等相关专业学生使用。
(4) 在其他教材中较少涉及的分子动力学领域，本书将给予介绍，并阐述其在材料科学与工程中的特殊应用。
(5) 本书十分注重应用，在书中设置了大量的应用举例和涉及软件的上机实践，以达到在专业学习和研究过程中能够充分推广应用计算机的目的。
考虑到学生对于计算机使用的熟练程度和对于材料科学理论知识的理解程度参差不齐，本书在编写的过程中，坚持教材的服务主体是学生，教材的生命力在实用的原则，重视理论和实践的有机结合。本书在编写过程中既请教了有多年教学经验的资深教授，又将部分内容应用到在校学生的教学中，征求反馈意见，及时调整编写内容，不断修订完善，书中的内容都可在实际的教学过程中进行合理的增删，以便于学生的理解和掌握，同时又确保了编写内容的完整性和科学性。
本书由青岛理工大学张鹏、侯东帅和济南大学赵丕琪主编，其中，张鹏主要负责教材章节的设计、全书统稿，并编写第1章～第3章、第5章～第7章；赵丕琪负责编写第4章中的第1和第2节、第9章；侯东帅负责编写第4章中的第3节和第8章。刘兆麟承担了部分图片和公式的整理及编写工作。
本书在编写过程中参考了有关文献，由于条件所限，并未能将所有参考文献逐一列出，在此对相关文献的作者表示由衷的感谢。
随着计算机技术的日新月异，材料科学中各种各样的新思路、新方法、新工艺随着计算机运算能力的飞速提高而不断地涌现出来，加之编者理论水平和实践经验有限，书中难免有不足之处，敬请各位读者批评指正。

编者
2018年2月

第1章绪论001
1.1计算机的发展和应用001
1.1.1计算机的发展历程001
1.1.2微型计算机的发展004
1.1.3计算机的应用005
1.2材料科学与工程的概念和内容006
1.3计算机在材料科学与工程中的应用简介008
1.3.1计算机技术用于数值计算与模拟008
1.3.2计算机技术用于材料数据和图像处理009
1.3.3计算机技术用于材料数据库和知识库009
1.3.4计算机技术用于材料设计010
1.3.5计算机技术用于材料性能表征与检测010
1.3.6计算机网络技术用于材料科学研究010
1.4文献检索及科学研究011
1.4.1文献检索基础知识011
1.4.2文献的检索语言012
1.4.3文献的检索途径与技术012
1.4.4文献的检索方法与步骤013
1.5国内外文献检索015
1.5.1国内文献主要检索系统015
1.5.2国内专利检索系统015
1.5.3国外文献三大检索系统018
1.6科技论文的写作内容021
1.6.1科技论文的含义021
1.6.2科技论文的结构022
1.6.3科技论文的写作特点022
1.6.4科技论文的写作步骤023

第2章正交试验方法在材料科学与工程中的应用025
2.1正交试验设计的基本原理025
2.1.1正交表025
2.1.2正交性原理027
2.2正交试验设计的基本方法028
2.3正交试验设计在材料科学中的应用032
2.4正交试验的方差分析方法035

第3章材料科学与工程中的数据分析与图像处理040
3.1数据处理的基本理论040
3.1.1曲线拟合和最小二乘法040
3.1.2线性插值法045
3.2Origin软件在数据处理中的应用048
3.2.1Origin软件介绍048
3.2.2Origin软件的基本功能和使用方法048
3.2.3Origin在数据处理与分析中的应用实例054
3.3Excel软件在数据处理与分析中的应用059
3.3.1Excel软件计算与绘图功能介绍059
3.3.2Excel软件计算应用实例062
3.4图像处理软件应用062
3.4.1Photoshop软件063
3.4.2Image J软件065

第4章数学模型及数值求解方法074
4.1数学模型的介绍074
4.1.1数学模型的含义074
4.1.2数学模型的分类075
4.1.3建立数学模型的一般步骤和原则076
4.2常用的数学建模方法077
4.2.1机理分析法077
4.2.2模拟方法078
4.2.3类比分析法079
4.2.4数据分析法082
4.3数学模型的求解方法083
4.3.1有限差分法083
4.3.2有限元法089

第5章材料科学研究中主要物理场的数值分析模拟102
5.1温度场模型与计算102
5.1.1热传递的基本方式与导热微分方程102
5.1.2初始条件与边界条件105
5.1.3二维稳态导热问题的有限差分求解107
5.1.4非稳态导热问题的有限差分求解109
5.1.5有限元法求解111
5.1.6发电厂烟囱温度分布模型的建立与计算117
5.1.7短圆柱体热传导过程的模型建立与计算121
5.2浓度场模型与计算129
5.2.1扩散控制模型129
5.2.2有限元求解130
5.2.3半无限长钢板碳扩散情况的模型建立与计算134
5.2.4Hydrus介绍与实例140
5.3应力场模型与计算146
5.3.1弹性力学基础146
5.3.2应力场的有限元计算148
5.3.3工字悬臂梁挠曲变形的模型建立与计算153
5.3.4开孔矩形板受荷载作用变形的模型建立与计算157

第6章材料数据库和人工神经网络164
6.1材料科学与工程数据库164
6.1.1数据库的组成与结构164
6.1.2材料科学与工程数据库165
6.2专家系统166
6.2.1专家系统基本知识166
6.2.2材料科学与工程中的专家系统举例167
6.3人工神经网络技术及其应用172
6.3.1人工神经网络172
6.3.2神经网络的学习方法与规则176
6.3.3神经网络在材料科学与工程中的应用176
6.4材料数据库与人工神经网络的融合179

第7章Matlab语言在材料科学与工程中的应用180
7.1Matlab的主要功能180
7.2Matlab语言及软件应用181
7.2.1Matlab的基本使用方法181
7.2.2Matlab语言基础182
7.2.3Matlab程序设计初步183
7.3Matlab神经网络工具箱及其使用186
7.3.1神经网络工具箱通用函数186
7.3.2BP网络的神经网络工具箱函数及其应用189
7.4Matlab软件进行图像处理与分析举例193

第8章分子动力学在材料科学与工程中的应用201
8.1分子动力学介绍201
8.1.1力场201
8.1.2分子动力学基本原理205
8.1.3分子动力学计算流程205
8.1.4分子动力学的一些基本算法207
8.1.5系综的分类208
8.1.6周期性边界条件209
8.1.7输出轨迹分析209
8.2常用的分子动力学软件211
8.2.1LAMMPS211
8.2.2Materials Studio212
8.2.3Materials Studio在材料学科中常用的模块介绍212
8.3分子动力学在材料科学与工程中的应用举例214
8.3.1Materials Studio算例214
8.3.2LAMMPS算例218

第9章Rietveld/XRD精修在材料科学与工程中的应用224
9.1Rietveld/XRD方法介绍与基本理论224
9.1.1XRD衍射峰的理论计算225
9.1.2Rietveld定量精修228
9.1.3Rietveld结构精修231
9.1.4Rietveld全谱拟合正确性数值判断232
9.2Rietveld精修软件GSASEXPGUI介绍233
9.2.1软件菜单栏界面介绍233
9.2.2软件选项栏界面介绍237
9.3Rietveld定量精修在材料科学与工程中的应用241
9.3.1基于标样SiO2ZnO二元体系的精修策略和准确性验证241
9.3.2水泥基材料的Rietveld精修定量策略245

参考文献249

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