材料加工中的數(shù)值模擬方法-微觀組織數(shù)值模擬

《材料加工過程的數(shù)值模擬(mónǐ)》——微觀組織數(shù)值模擬(I):Office：公字樓216Tel：(O)Email：第一頁，共四十三頁。《材料加工過程的數(shù)值模擬》宏觀(hóngguān)模擬(Macro-)微觀(wēiguān)模擬(Micro-)加工過程(Processing)組織(zǔzhī)演化(Microstructure)溫度場應(yīng)力場流場濃度場形態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變方程動量方程連續(xù)性方程擴散方程？？？熱傳導(dǎo)方程???？第二頁，共四十三頁。Grain/crystalInter-grainslipGrainboundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介觀）Micro（微觀(wēiguān)）Nano（納觀）Macro(宏觀(hóngguān))DifferentScales第三頁，共四十三頁。第四頁，共四十三頁。Macroscopic-scale(mm~cm,m)SolidificationGrainstructuresCETPorosity,MacrosegregationShrinkageCavity…Mesoscopic-scale(

m~cm)Grainstructures,CETDendritemorphology,SDASEutectic,PeritecticMicrosegregation,Microporosity…Microscopic-scale(nm~m)DendriticgrowthmorphologyTransition/plane-cellular-dendriticEutectic,Peritectic…Nanoscopic-scale(~nm)Nucleation(Clustering)S/LinterfacemorphologyAtomicattachmentDislocationmovement宏觀(hóngguān)介觀微觀(wēiguān)納觀CAModels

MonteCarloLevelset

MethodStandardTransportMolecularDynamicsAtomisticSimulationFirst

PrinciplePhaseFieldModels第五頁，共四十三頁。

基礎(chǔ)知識（2）計算材料學(xué)簡介(jiǎnjiè)微觀組織數(shù)值模擬簡介相變理論基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)課程(kèchéng)安排時間：15~19周，周六上午(shàngwǔ)3～4節(jié)，周日上午3~4節(jié)

相場法（4）

相場法基本原理及其應(yīng)用沉淀相析出再結(jié)晶過程凝固過程

元胞自動機（2）

基本原理模型應(yīng)用

水平集法

基本原理模型應(yīng)用第六頁，共四十三頁。主要(zhǔyào)參考書DierkRaabe，ComputationalMaterialsScienceNikolasProvatasandKenElder,

Phase-FieldMethods

inMaterialScience

andEngineering相關(guān)(xiāngguān)最新參考文獻第七頁，共四十三頁。

Whatismicrostructure?Microstructureisbeautiful.Microstructureisamazing.Microstructureisimportant.Whymodelingandsimulation?Outlines第八頁，共四十三頁。Microstructureisdefinedasthe

structureofapreparedsurfaceorthinfoilofmaterialasrevealedbyamicroscopeabove25Xmagnification.

---FromWikipediaAmicrographofbronzerevealingacastdendriticstructureWhatismicrostructure?第九頁，共四十三頁。ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera..MicrostructureisBeautiful.Zincoxidesinglecrystals第十頁，共四十三頁。GranulatedSugar白砂糖一種(yīzhǒnɡ)酪酸鹽日本(rìběn)-秋山実（MinoruAkiyama）攝影家MicrostructureisBeautiful.第十一頁，共四十三頁。酒石酸結(jié)晶(jiéjīng)隕石(yǔnshí)（Fe-Ni合金）MicrostructureisBeautiful.第十二頁，共四十三頁。Thymol一種(yīzhǒnɡ)酚碳化硅MicrostructureisBeautiful.第十三頁，共四十三頁。硅鐵結(jié)晶硅MicrostructureisBeautiful.第十四頁，共四十三頁。鑄鐵(zhùtiě)Gallium鎵MicrostructureisBeautiful.第十五頁，共四十三頁。液晶(yèjīng)材料金剛石MicrostructureisBeautiful.第十六頁，共四十三頁。NonlineardynamicsofsandrippleformationMicrostructureisAmazing.Eutecticstructures沙丘(shāqiū)vs.共晶第十七頁，共四十三頁。雪花(xuěhuā)vs.枝晶MicrostructureisAmazing.第十八頁，共四十三頁。STM

5-foldsurfaceofi-Al-Pd-MnMicrostructureisAmazing.云南元陽(yuányánɡ)梯田梯田(tītián)vs.臺階組織第十九頁，共四十三頁。MicrostructureisAmazing.斑紋(bānwén)vs.條帶、點狀組織第二十頁，共四十三頁。螺形位錯引力和轉(zhuǎn)動的共同影響下形成星系(xīngxì)的螺旋結(jié)構(gòu)MicrostructureisAmazing.星云(xīngyún)vs.位錯第二十一頁，共四十三頁。MicrostructureisAmazing.MorphologicalSimilarity

Connections？？各種(ɡèzhǒnɡ)形態(tài)的枝晶組織第二十二頁，共四十三頁。成分(chéngfèn)-工藝-組織-性能性能(xìngnéng)是目的，成分是基礎(chǔ)，組織是形態(tài)，工藝是手段TheMaterialsTetrahedronMCFlemings&PraveenChaudhari1989Microstructureisimportant.第二十三頁，共四十三頁。典型(diǎnxíng)微觀組織DendritesEutectic微觀(wēiguān)組織的形成和演化是材料科學(xué)的核心內(nèi)容之一，而相變過程控制已經(jīng)成為提高傳統(tǒng)材料性能和開發(fā)新型材料的重要途徑。CellularPeritecticMicrostructureisimportant.第二十四頁，共四十三頁。Modeling是溝通理論與實驗、微觀(wēiguān)與宏觀的橋梁WhyModelingandSimulation?Characterization第二十五頁，共四十三頁。Al-Cu枝晶二維形貌(xínɡm(xù)ào)（橫/縱截面）Al-Cu合金(héjīn)等溫粗化????第二十六頁，共四十三頁。ScienceUnderstandingPracticeApplicationsMicrostructureModelingofferinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution;improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessingalloydesign;improvementsincurrenttechnologies;development

ofnewprocesses.第二十七頁，共四十三頁。實驗分析模型數(shù)值模擬微觀(wēiguān)組織材料(cáiliào)性能

具體信息可視化低成本

成分(chéngfèn)工藝第二十八頁，共四十三頁。計算材料(cáiliào)學(xué)概述計算機技術(shù)的快速發(fā)展計算材料(cáiliào)學(xué)簡介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第二十九頁，共四十三頁。

計算(jìsuàn)科學(xué)

應(yīng)用科學(xué)(yìngyòngkēxué)

計算機硬/軟件(ruǎnjiàn)

數(shù)學(xué)什么是計算科學(xué)？第三十頁，共四十三頁。Moore定律(dìnglǜ)（1965）：計算機的CPU速度每1.5年增加一倍“科學(xué)(kēxué)計算已經(jīng)是繼理論科學(xué)(kēxué)、實驗科學(xué)(kēxué)之后，人類認(rèn)識與征服自然的第三種科學(xué)(kēxué)方法”。計算機軟硬件條件(tiáojiàn)的飛速發(fā)展為科學(xué)計算的廣泛應(yīng)用提供了有力保證。第三十一頁，共四十三頁。第三十二頁，共四十三頁。2048顆我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器14336顆IntelXeonX56702.93GHz六核心處理器7168塊NVIDIATeslaM2050高性能計算卡“天河一號A”峰值運算(yùnsuàn)速度為每秒４７００萬億次。實測運算(yùnsuàn)速度每秒2570萬億次。6144個通用處理器（3072x2IntelQuadCoreXeonE55402.53GHz/E55403.0GHz）；5120個加速(jiāsù)處理器（2560ATIRadeon4870x2575MHz）內(nèi)存總?cè)萘?8TB；點點通信帶寬40Gbps；共享磁盤總?cè)萘繛?PB第三十三頁，共四十三頁。計算(jìsuàn)材料學(xué)概述計算機技術(shù)的快速發(fā)展計算材料(cáiliào)學(xué)簡介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第三十四頁，共四十三頁。

計算(jìsuàn)—第三種科學(xué)手段計算填補理論分析與實驗之間的空白計算使得人們能夠深入研究一大批從科學(xué)理論分析角度看過于復(fù)雜、過于困難，而從科學(xué)實驗角度看又過于昂貴、過于危險，甚至是無法進行的探索問題計算已成為理論與實驗相互補充的第三種手段,已成為人們認(rèn)識世界的第三只眼睛計算科學(xué)至今(zhìjīn)尚未具備象理論、實驗與工程設(shè)計那些傳統(tǒng)方式可預(yù)測的可靠性任何計算模型只是客觀真實事物的一個近似AdvantageDisadvantage第三十五頁，共四十三頁。Ithasalwaysbeenadreamofmaterialsresearcherstodesignanewmaterialcompletelyonpaper,optimizingthecompositionandprocessingstepsinordertoachievethepropertiesrequiredforagivenapplication.GerbrandCeder,“COMPUTATIONALMATERIALSSCIENCE:PredictingPropertiesfromScratch”,Science,Vol280,Issue5366,1099-1100,15May1998經(jīng)驗型（炒菜式）智能型（材料(cáiliào)設(shè)計）

第三十六頁，共四十三頁。計算材料科學(xué)（ComputationalMaterialsScience)（歐洲）計算機分析與模擬（Computer-basedAnalysisandModeling)（美國）材料(cáiliào)設(shè)計（MaterialsDesign）（日本）ComputationalMaterialsScience（ElsevierScience公司(ɡōnɡsī)）1994年創(chuàng)刊ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineering（英國皇家學(xué)會）,1992年創(chuàng)刊JournalofComputer-AidedMaterialsDesign(Kluwer公司）1997年創(chuàng)刊

第三十七頁，共四十三頁。計算材料學(xué)是近年里飛速發(fā)展的一門新興交叉學(xué)科。它綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學(xué)、理論化學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機算法等多個相關(guān)學(xué)科。本學(xué)科的目的是利用現(xiàn)代高速計算機，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入(shēnrù)理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現(xiàn)象與特征，并對于材料的結(jié)構(gòu)和物性進行理論預(yù)言，從而達到設(shè)計新材料的目的。第三十八頁，共四十三頁。計算材料(cáiliào)學(xué)概述計算機技術(shù)的快速發(fā)展計算(jìsuàn)材料學(xué)簡介材料模擬中的多尺度材料模擬中的主要方法第三十九頁，共四十三頁。MultiscaleModelling&Simulations10-910-610-3100LengthScale,m10-1510-1210-910-610-3100103Time,sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-InterfaceFEACellularAutomataPhaseFieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-Initio(Chemistry-Processing-Structure-Property…Performance)PhysicalChemicalBiologicalMechanical第四十頁，共四十三頁。SimulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuelsPhaseFieldsimulat