計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的運(yùn)用分析

劉亦晴

摘 要：計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)中各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的一項(xiàng)重要工具，特別是在對(duì)材料科學(xué)進(jìn)行研究的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)發(fā)揮著不可替代的作用。材料科學(xué)是研究材料的一門綜合性學(xué)科，如鋼鐵行業(yè)在經(jīng)營(yíng)發(fā)展期間，對(duì)高爐內(nèi)的溫度進(jìn)行測(cè)量、對(duì)爐內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)控等都離不開計(jì)算機(jī)的支持。目前各個(gè)產(chǎn)業(yè)為了能夠順應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，都在逐步向精細(xì)化和完整化方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，這為計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的運(yùn)用提供了相應(yīng)契機(jī)，進(jìn)而為今后推動(dòng)我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);材料科學(xué);具體運(yùn)用

0 引言

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中充分應(yīng)用，如材料液態(tài)成形、塑性成形、連接成形等多種不同類型的材料成形工藝都在運(yùn)用計(jì)算機(jī)。在此期間，計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮功能作用，使材料成形工藝發(fā)生變化，其中最為顯著的變化就是從初始階段的動(dòng)向描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎款A(yù)測(cè)，能夠?yàn)橄鄳?yīng)的技術(shù)人員創(chuàng)新工藝提供重要幫助。最初傳統(tǒng)形式的經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法，現(xiàn)階段發(fā)生了顯著的變化，其將知識(shí)作為最重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)條件，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)發(fā)揮輔助作用進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)此種方式在材料科學(xué)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)，能夠形成質(zhì)量好、實(shí)用性強(qiáng)、成本低的研究模式。此外，正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，也是優(yōu)化和創(chuàng)新材料成形工藝的重要舉措。本文從計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的運(yùn)用表現(xiàn)入手，展開闡述，針對(duì)計(jì)算機(jī)的具體應(yīng)用進(jìn)行全面探討。

1 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1.1 在新材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

從材料設(shè)計(jì)的對(duì)象和實(shí)際涉及到的空間尺寸角度進(jìn)行分析，可以將材料設(shè)計(jì)具體分為幾種不同設(shè)計(jì)種類。在實(shí)際落實(shí)新材料設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，會(huì)運(yùn)用到多種新型的先進(jìn)技術(shù)，如會(huì)運(yùn)用人工智能、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等多種技術(shù)，其充分發(fā)揮作用，不僅能夠加強(qiáng)極具雜亂性試驗(yàn)資料與化學(xué)理論、物理理論之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也更加有效地將歸納和演繹兩種具有本質(zhì)區(qū)別的內(nèi)容融合到一起，這種方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠兄菩虏牧线^(guò)程中的主要方式，以幫助做出正確決策。通過(guò)在新材料設(shè)計(jì)過(guò)程中正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)，能夠?yàn)樘嵘牧显O(shè)計(jì)效率提供技術(shù)支持。

1.2 在研究科學(xué)材料期間的應(yīng)用

相關(guān)技術(shù)人員正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)，來(lái)準(zhǔn)確開展真實(shí)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，這種方式最終能夠得出具有重要研究意義的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，甚至其還能夠?yàn)椴牧显O(shè)計(jì)和研究人員順利開展各項(xiàng)工作提供重要依據(jù)。對(duì)于新材料設(shè)計(jì)中具體的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)象而言，其會(huì)在研究材料科學(xué)的各個(gè)階段發(fā)揮重要作用，并逐步滲透到研究材料科學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在研究材料科學(xué)的過(guò)程中，充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型，主要就是以實(shí)體體系為參考依據(jù)，以計(jì)算機(jī)為載體來(lái)開展模擬試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)之后，還要及時(shí)將真實(shí)體系中的信息數(shù)據(jù)與試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果進(jìn)行比較，這樣不僅能夠檢驗(yàn)出模擬結(jié)果是否具備精準(zhǔn)性，同時(shí)也能檢測(cè)出計(jì)算機(jī)模型最終導(dǎo)出的解析理論簡(jiǎn)化結(jié)果的實(shí)際狀態(tài)，詳細(xì)觀察分析其是否真正處于成功狀態(tài)。不僅如此，計(jì)算機(jī)模擬出的具體結(jié)果，也能夠?qū)χ帮@示模型或是實(shí)驗(yàn)室中始終無(wú)法進(jìn)行探索的模型進(jìn)行全方位預(yù)測(cè)，并能夠提出相應(yīng)的方式等。

1.3 在優(yōu)化和自動(dòng)控制材料以及工藝中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，在社會(huì)整體科學(xué)技術(shù)水平全面提升的背景下，材料加工技術(shù)也在逐步提升，具體表現(xiàn)為控制技術(shù)水平在快速提升。像微機(jī)和可編程控制器在對(duì)材料進(jìn)行加工期間被充分應(yīng)用，其就是控制技術(shù)水平快速提升的具體表現(xiàn)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行加工，充分發(fā)揮其作用，能夠帶來(lái)較為顯著的效果，如全面降低技術(shù)人員在實(shí)際加工材料期間的加工難度，甚至從某種程度上分析來(lái)看，在此期間正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于提升產(chǎn)品整體的生產(chǎn)效率也具有較大幫助。因此，在材料加工工藝期間正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)，能夠達(dá)到優(yōu)化和控制材料或是創(chuàng)新工藝的目的。

例如：材料科學(xué)技術(shù)人員在材料加工期間，正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)的數(shù)字模型進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)揮自身作用。除此之外，在對(duì)材料進(jìn)行制備期間，計(jì)算機(jī)同樣也會(huì)像前期控制一樣，能夠?qū)Σ牧现苽淙^(guò)程中各個(gè)階段進(jìn)行嚴(yán)格管控，甚至在處理材料表面相關(guān)問(wèn)題期間，計(jì)算機(jī)也能夠有效發(fā)揮作用，將爐溫控制在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)?；诖耍趦?yōu)化和自動(dòng)控制材料以及工藝中應(yīng)用計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及微電子技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)性技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)于有效提升科學(xué)材料加工設(shè)備運(yùn)行有效性具有重要意義。在此期間對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)用，是優(yōu)化和自動(dòng)化控制材料的本質(zhì)要求，有助于轉(zhuǎn)變控制技術(shù)的具體控制方式，不僅能夠全面提升控制水平，也能全面提升優(yōu)化和自動(dòng)控制效率。

1.4 在處理數(shù)據(jù)和圖像中的應(yīng)用

無(wú)論是以哪種形式對(duì)科學(xué)材料進(jìn)行研究，或是在實(shí)際開展相應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，都不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，為了能夠完整且真實(shí)有效地將這些具有研究和分析價(jià)值的信息數(shù)據(jù)保存起來(lái)，就要正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的儲(chǔ)存功能作用下，能夠精準(zhǔn)高效地對(duì)這些信息數(shù)據(jù)以及相應(yīng)圖像進(jìn)行處理。材料自身性能與凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)之間具有緊密關(guān)聯(lián)，在對(duì)其進(jìn)行研究的過(guò)程中，主要是以應(yīng)用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)為主，兩種技術(shù)發(fā)揮作用，可以通過(guò)二維圖像的方式精準(zhǔn)展現(xiàn)出凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)和圖像處理功能充分發(fā)揮，有助于相應(yīng)技術(shù)人員進(jìn)一步研究材料結(jié)構(gòu)，更加直接地獲取所需的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息。比方說(shuō)能夠直接獲取具體的聚集方式和實(shí)際分布狀況等信息，并且要及時(shí)地將各項(xiàng)信息與材料自身實(shí)際性能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，這樣就能夠?qū)Σ牧蠈?shí)際結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)自身實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)

2.1 液態(tài)金屬成形的計(jì)算機(jī)模擬

液態(tài)金屬充型期間的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的應(yīng)用表現(xiàn)較突出。液態(tài)金屬充型期間為了能夠全面提升數(shù)值模擬研究有效性，主要就是以SO-LA-VOF法作為核心依據(jù)，全方位地引入體積函數(shù)來(lái)對(duì)自由表面進(jìn)行精準(zhǔn)處理，同時(shí)還要在計(jì)算傳熱和修正流量等各個(gè)方面開展優(yōu)化與完善工作。其中有一部分研究工作，必須是在完成對(duì)層流模型等相應(yīng)工作的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，才能夠通過(guò)運(yùn)用K-ε雙方程模型的方式對(duì)液態(tài)金屬充型期間的具體紊流現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。而今又逐步研究出了多種不同形式的算法，如并行算法、三維有限單位法、三維有限差分法等。但是現(xiàn)階段仍然無(wú)法決定哪個(gè)是最具價(jià)值的算法，因?yàn)槊恳环N算法都具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)明確相應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)，這樣就能夠選擇相應(yīng)算法并充分發(fā)揮其作用。

2.2 熱處理的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，與其他多種先進(jìn)學(xué)科的支持具有直接關(guān)聯(lián)，如其發(fā)展與高效應(yīng)用離不開熱彈性力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的支持，在提升熱處理計(jì)算機(jī)模擬研究效率的同時(shí)，對(duì)于促進(jìn)熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展也具有重要幫助作用。基于此，現(xiàn)階段其已經(jīng)在感應(yīng)加熱、真空加熱、爐溫控制等各個(gè)方面取得了較為優(yōu)異的結(jié)果。熱處理的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)被充分應(yīng)用，是現(xiàn)代社會(huì)使用熱處理的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的必然要求。

例如：在鋼淬火方面應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬時(shí)，為了能夠提升計(jì)算機(jī)運(yùn)用效率，并保證淬火模擬真實(shí)性，可以通過(guò)運(yùn)用數(shù)值計(jì)算法來(lái)研究鋼淬火硬化等相關(guān)問(wèn)題，在此期間最為重要的就是要結(jié)合實(shí)際模擬需求，準(zhǔn)確落實(shí)構(gòu)建熱彈性模型相關(guān)工作。在此期間，要以嚴(yán)格管控溫度、殘余應(yīng)力等相應(yīng)內(nèi)容為前提，保證以計(jì)算機(jī)為核心依據(jù)構(gòu)建的模型的有效性，這樣就能夠?qū)︿摰拇慊鹩不母鱾€(gè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。如在定值氣體滲碳過(guò)程中，如果已經(jīng)完成了離子滲碳數(shù)學(xué)模型構(gòu)建工作，那么在后續(xù)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的作用下，就能夠直接將數(shù)字模型完整地編入到衛(wèi)星機(jī)內(nèi)存中。完成數(shù)據(jù)輸入工作程序之后就能夠進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，通過(guò)這樣的方式，就能夠進(jìn)一步獲取最終的碳濃度分布曲線，并且其也會(huì)與實(shí)際狀況具有一致性，這對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)充分應(yīng)用具有重要作用。

在感應(yīng)加熱和真空加熱控制方面，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也能準(zhǔn)確地模擬出整體系統(tǒng)中的工藝參數(shù)。計(jì)算機(jī)要嚴(yán)格按照工藝的具體參數(shù)，對(duì)整體工藝過(guò)程進(jìn)行控制，在全面消除人為控制誤差的基礎(chǔ)上，能夠有效提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，還可以應(yīng)用在計(jì)算碳素共析鋼A→P轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線方面，其通過(guò)將差熱分析法與模擬技術(shù)全面融合的方式來(lái)達(dá)到最終目的，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)嚴(yán)格管控工藝，通過(guò)這樣的方式，有助于消除人為因素造成的各項(xiàng)誤差，同時(shí)其對(duì)于提升整體產(chǎn)品質(zhì)量也具有重要幫助。除此之外，計(jì)算機(jī)在液態(tài)金屬成形和熱處理過(guò)程中被充分應(yīng)用，還能在塑性成形、連接成形等各個(gè)方面被充分應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

材料科學(xué)是多個(gè)不同學(xué)科進(jìn)行交叉之后，不斷創(chuàng)新與發(fā)展形成的一門綜合性學(xué)科。在對(duì)材料科學(xué)進(jìn)行研究的過(guò)程中，仍然有一些技術(shù)人員還在以事實(shí)和已經(jīng)積累的經(jīng)驗(yàn)為核心依據(jù)，忽視了計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)各個(gè)方面的運(yùn)用。但是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)材料科學(xué)研究工作提出了更高的要求，為了能夠進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)的應(yīng)用效率，提升材料科學(xué)的研究效率，要認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)的重要性，并在材料科學(xué)正確應(yīng)用，以進(jìn)一步促進(jìn)材料科學(xué)的全面發(fā)展。

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