計算材料學
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
計算材料學的視頻教程
fluent計算流體動力學
講解fluent基本仿真流程及常用仿真功能，包括前處理、材料設(shè)置、邊界條件設(shè)置、后處理、紊流等基礎(chǔ)知識和相關(guān)典型應(yīng)用實例。
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計算材料學的實例教程
熱力學是材料科學與工程領(lǐng)域不可或缺的組成部分之一。成功的材料與加工工藝設(shè)計都需要可靠的熱力學數(shù)據(jù)。以往，材料的熱力學性能主要通過實驗手段獲得，例如 差熱分析，化學分析，X射線衍射和能譜分析。但是隨著科學技術(shù)的不斷進步，材料中的組元數(shù)越來越多，實驗測定熱力學數(shù)據(jù)也越來越困難，并且難以在有限的時間里獲得足夠的數(shù)據(jù)?；贑ALPHAD方法的熱力學計算正是解決這一難題的最好辦法。它可以從低組分材料體系的熱力學數(shù)據(jù)來計算多組分體系的熱力學性能以節(jié)約時間和成本，或者通過實驗容易準確測定的實驗數(shù)據(jù)來推測極端條件下（高溫、高壓和放射性等）或者實驗難以準確測定的熱力學數(shù)據(jù)。
CALPHAD方法基于熱力學理論，根據(jù)各個組成相（包括氣相，液相，固溶體和化合物）的晶體結(jié)構(gòu)建立熱力學模型，通過評估篩選一定溫度壓力下的多元材料體系的實驗及理論計算（包括第一性原理計算、統(tǒng)計學方法和經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式）數(shù)據(jù)，擬合優(yōu)化模型參數(shù)，確定體系中每一個相吉布斯（Gibbs）自由能，并最終建立多元多組分材料體系熱力學數(shù)據(jù)庫。 圖1為CALPHAD方法流程示意圖。CALPHAD方法是目前唯一可以計算多元體系熱力學性質(zhì)并能滿足實際應(yīng)用精度要求的熱力學計算方法。它還是材料動力學、微觀結(jié)構(gòu)演變模擬的熱力學基礎(chǔ)。因此，CALPHAD方法廣泛地應(yīng)用于新材料研制和新工藝的設(shè)計之中。
圖1為CALPHAD方法流程示意圖 [1]
本文將介紹CALPHAD方法在傳統(tǒng)合金合金設(shè)計，高熵合金的開發(fā), 3D打印，鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用
1. 傳統(tǒng)合金合金開發(fā)
金屬間化合物NiAl在高溫合金領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，但是較差的延展性極大地限制了其應(yīng)用。Kainuma等人[2]利用CALPHAD方法和實驗確定的Ni-Al-Fe體系的相圖(圖2a)，確定了NiAl、Ni 固溶體和Ni3Al相的組分區(qū)間。
展開 主要用到的軟件 vasp、quantum espresso、cp2k、lammps等
如何準確預(yù)報各種工程結(jié)構(gòu)中所用材料的強度是保證各種工程結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。500多年來，力學等多學科的科學工作者持續(xù)不斷地開展了大量有價值的研究工作。然而，到目前為止，由于問題的復(fù)雜性，所建立的強度模型和預(yù)報理論主要還是基于前人所建立的公設(shè)和大量數(shù)據(jù)所歸納的經(jīng)驗公式。因此，許多學者也把材料破壞的預(yù)報問題歸納為固體力學的終極問題之一。
最新的一項研究嘗試了把材料強度的預(yù)報問題納入理性的非平衡態(tài)熱力學的框架。相關(guān)的研究論文題為：“
The intrinsic nature of materials failure and the global non-equilibrium energy criterion
”，發(fā)表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy （《中國科學：物理學 力學 天文學》英文版）2020年第12期，由中山大學王彪教授撰寫。文章把所研究的受載材料樣本當成是熱力學體系，隨著加載進行，材料微結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生損傷演化，通過建立演化過程中每一個平衡態(tài)的穩(wěn)定性條件進而建立材料破壞的強度準則。
研究發(fā)現(xiàn)了一些與前人認知不同的材料強度的本質(zhì)特性，如材料的破壞狀態(tài)類似于臨界想象，是一種全局的性質(zhì)，局域準則和研究方法可能會導致錯誤的結(jié)果。對于含有裂紋的材料，該強度理論同斷裂力學中的應(yīng)變能釋放率準則和J積分等預(yù)報結(jié)果是一致的。該項工作的另一個核心貢獻在于利用本征應(yīng)變的概念模化材料中存在的各種不同類型的缺陷，進而導出了材料體系在外載作用下，含有微結(jié)構(gòu)演化破壞過程的自由能表達式。作為例子，文中把該理論用于多種材料強度問題的預(yù)報，并得到了有限的實驗結(jié)果的驗證（如下圖所示）。
展開 關(guān)于舉辦“第一性原理計算方法及應(yīng)用”線上+線下實戰(zhàn)培訓的通知
各有關(guān)單位：
材料基因工程是近年來國際材料領(lǐng)域興起的顛覆性前沿技術(shù)，隨著國內(nèi)計算機技術(shù)的快速發(fā)展，多尺度材料模擬計算成為材料研究中不可或缺的一部分。計算材料學主要致力于建立可預(yù)測或可描述的模型，以幫助研究材料的內(nèi)在機理并減少新材料開發(fā)的時間和成本。VASP是目前材料微觀反應(yīng)機理和計算材料電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)科學研究中最流行的一款軟件，它可以處理金屬及其氧化物、半導體、晶體、摻雜體系、納米材料、分子、團簇、表面體系和界面體系等。
為全力做好教育系統(tǒng)新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控工作，確保廣大師生的身體健康和生命安全，根據(jù)中央有關(guān)精神以及教育部《關(guān)于2020年春季學期延期開學的通知》，各級教育主管部門也紛紛提出將通過開展網(wǎng)絡(luò)教學，確?！巴Ｕn不停教、不停學”。應(yīng)廣大技術(shù)工作者要求，北京軟研國際信息技術(shù)研究院特舉辦“第一性原理計算方法及應(yīng)用”線上+線下實戰(zhàn)培訓班，本次培訓由互動派（北京）教育科技有限公司具體承辦，具體相關(guān)事宜通知如下：
一、培訓目標：
1、本次課程共計5天，采用“3+2”教學體系，2天在線教學及3天線下實訓；內(nèi)容從基礎(chǔ)到實戰(zhàn)共分為四個模塊：一是VASP基本原理及計算準備；二是參數(shù)相關(guān)設(shè)置技巧及參數(shù)收斂性測試；三是材料計算實戰(zhàn)應(yīng)用專題；四是關(guān)于催化反應(yīng)計算實戰(zhàn)應(yīng)用專題。
展開 作為目前已經(jīng)被大量市場化的應(yīng)用材料，低維材料表現(xiàn)出各種優(yōu)異性能，在半導體、光學、醫(yī)藥、能源、信息技術(shù)等領(lǐng)域及人們?nèi)粘Ｉ钣闷分卸及缪葜匾慕巧?。同時凝聚態(tài)物理諸多前沿問題也都與低維材料及其制備工藝息息相關(guān)。然而，目前對于低維非晶材料的研究及相關(guān)報道還很少。2007年，Ediger利用薄膜沉積技術(shù)獲得了超穩(wěn)玻璃，2008年Forrest發(fā)現(xiàn)玻璃表面具有類液體性質(zhì)(49)，此后非晶薄膜與表面的研究逐漸得到了研究者們的關(guān)注。由于對納米非晶顆粒的動力學特征以及與其相似尺度的晶體材料的差異研究很少，因此，低維非晶材料動力學行為研究對認識非晶基本科學問題如玻璃轉(zhuǎn)變、力學行為具有重要意義。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(wèi)華研究組在低維非晶顆粒動力學研究中取得進展，博士生曹乘榕等在研究員白海洋的指導下，和谷林研究組合作，通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜，形成不同尺寸的PdSi納米顆粒（如圖1所示）。在電子束輻照條件下，通過高分辨透射電鏡和球差電鏡原位觀測，實時觀測到這種納米顆粒逐漸開始隨機運動，并在顆粒間距小于1nm時發(fā)生顆粒之間的碰撞融合，整個過程僅在數(shù)秒至幾十秒內(nèi)完成，如圖2所示。根據(jù)納米顆粒合并過程的觀察時間t，利用顆粒融合模型：τ=ηd/γ，估算出納米顆粒的粘度值η，τ為合并弛豫時間，γ為顆粒表面能，d為顆粒直徑。研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒粘度與直徑有冪律關(guān)系：η∝d4.2。圖3和圖4展示了非晶顆粒、晶體顆粒及非晶-晶體顆粒合并過程中動力學差異對比?？梢钥闯鱿嗤叽绲姆蔷ьw粒在80秒內(nèi)完成了整個合并過程，但晶態(tài)顆粒到100秒時仍未完全合并，從而觀測到非晶顆粒具有比晶態(tài)顆粒更高的動力學活性。
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計算材料學的最新內(nèi)容
一套深度集成、功能豐富的 Matlab 近場動力學（Peridynamics）原代碼合集。代碼不僅復(fù)現(xiàn)了PD領(lǐng)域的經(jīng)典文獻算例（彈性問題驗證），更進一步拓展到了熱力學、復(fù)合材料及跨尺度耦合算法。適合作為研究生的科研底座、畢業(yè)設(shè)計參考或PD算法的深度進階學習資料。
基礎(chǔ)理論實現(xiàn)：
鍵基 PD (BBPD)：最經(jīng)典的鍵基模型，適用于脆性材料破壞分析。
常規(guī)態(tài)基
MATLAB/FORTRAN | 鍵基近場動力學（BBPD）動態(tài)松弛法實現(xiàn)準靜態(tài)單軸壓縮模擬（含預(yù)制裂隙），反力計算應(yīng)力應(yīng)變曲線1個月前
一套基于 MATLAB/Fortran 編寫的二維鍵基近場動力學（Bond-based Peridynamics）數(shù)值仿真代碼。程序采用經(jīng)典的動態(tài)松弛算法（Dynamic Relaxation），將動力學方程轉(zhuǎn)化為解決準靜態(tài)問題的工具，模擬二維材料在單軸壓縮載荷下的響應(yīng)及裂紋擴展過程。
準靜態(tài)模擬方案：利用動態(tài)松弛代碼，通過人為阻尼迭代，穩(wěn)定求解準靜態(tài)單軸壓縮過程。
關(guān)鍵詞：頁巖油，分子動力學，lammps，gromacs，界面張力，最小混相壓力
摘要：分子模擬方法在探究納米尺度下分子間相互作用方面展現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文采用分子動力學模擬方法，研究體相CO2/原油的混相機理。
通過我這套LAMMPS, GROMACS代碼，你可以實現(xiàn)不同氣體，不同油種類，不同溫度下的油氣界面張力和最小混相壓力計算。這套代碼還可以把氣體換成水，在氣體/水中加入表面活性劑
該葉片的設(shè)計尺寸與GE 1.5XLE風力渦輪機相近，長度為42.3米。本模塊通過穩(wěn)態(tài)單向流固耦合(FSI)分析，計算風力渦輪機葉片在氣動載荷作用下的變形。計算過程使用Fluent軟件，并包含計算結(jié)果和幾何文件……5
（1）mechanical
（2）Fluent
（3）耦合
高性能復(fù)合材料（尤其是航空、航天、汽車和風電結(jié)構(gòu)中的碳纖維復(fù)合材料（CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer））的核心研究方向。下面我給出一個科研和工程設(shè)計層面系統(tǒng)化的總結(jié)，包括研究方向 、算法、軟件、硬件配置推薦。
一、主要研究方向
碳纖維復(fù)合材料的研究主要分為材料設(shè)計、力學性能分析、制造工藝與結(jié)構(gòu)仿真、失效與壽命預(yù)測四大類：
聚碳酸酯(PC)是一種常用的工程塑料，具有優(yōu)異的力學性能和化學性能。PC在加工、貯存和應(yīng)用中都會與空氣接觸，外部環(huán)境極易對其結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響，使得材料發(fā)生不同程度的老化，影響其性能和服役壽命。
因此，本文基于高分子材料的老化動力學模型k=f(I)·f(H)·f(T)，式中f(I)為輻照對材料損傷的函數(shù)描述，f(H)為濕度對材料損傷的函數(shù)描述，f(T)為溫度對材料損傷的函數(shù)描述，老化速率
在Lumerical系列軟件做仿真計算過程，我們經(jīng)常會遇到要自定一些材料數(shù)據(jù)的，例如等離子振蕩模型，或者一些參數(shù)數(shù)據(jù)等等。這些數(shù)據(jù)的導入雖然不是很困難，但是要想在再導入之后修改修改材料參數(shù)，那就顯得非常麻煩了。因為這些數(shù)據(jù)每次都要導入，計算，循環(huán)往復(fù)。因此，本推文出于方便眾多Lumerical FDTD使用者，而編寫一個很方便更換材料數(shù)據(jù)的腳本。
那就讓我們以十分經(jīng)典的介電常數(shù)模型為例子：
一鍵算出材料缺陷+3D建模黑科技11個月前
CPU利用率可達92%
3、學術(shù)發(fā)表技巧
使用Cinema Mode生成4K/120fps科研動畫
導出OBJ+MTL格式時勾選"學術(shù)出版優(yōu)化"，確保色彩符合Nature期刊規(guī)范
六、發(fā)展前瞻
隨著2025年預(yù)計發(fā)布的量子計算插件Q-Avizo，軟件將實現(xiàn)：
l 百萬核并行計算能力
l 基于量子退火的材料最優(yōu)結(jié)構(gòu)搜索
l 亞納秒級實時動態(tài)過程模擬
這或?qū)⒅匦露x計算材料學的研究范式
纖維復(fù)合材料加筋壁板沖擊后壓縮計算剩余強度，采用連續(xù)殼單元，內(nèi)附cae，inp及ODB文件
關(guān)鍵詞：黏度,周期擾動法，SPC/E水分子，分子動力學，lammps
目前分子動力學計算黏度主要有以下方法：（1）基于 Green - Kubo 關(guān)系的方法。從微觀角度出發(fā)，利用壓力張量自相關(guān)函數(shù)積分計算黏度。理論基礎(chǔ)強，能考慮復(fù)雜微觀因素，但計算量極大，對計算機性能和時間要求高，積分上限選擇需謹慎。（2）愛因斯坦關(guān)系法。通過分析粒子擴散行為間接求黏度，依據(jù)愛因斯坦關(guān)系，由粒子擴散系數(shù)計算。計算相對簡單
