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材料仿真的理論方法主要包括：基于統計物理學的分子動力學方法、基于量子力學原理的第一性原理計算以及基于連續介質力學的有限元方法等。其中，分子動力學方法和第一性原理計算用于電子和原子尺度的材料計算，有限元計算方法用于宏觀尺度的材料計算。介觀尺度材料仿真的研究興起于上個世紀九十年代，主要計算方法包括：空間離散化位錯動力學、相場動力學、元胞自動機(CA)方法、波茨模型、幾何及組分模型、拓撲網格和頂點模型。