计算机模拟在材料实验教学中的应用

2013-05-03唐颂超李水强

实验技术与管理 2013年5期

滕鑫，唐颂超，李水强

（华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237）

在材料科学研究逐步深入的情况下，材料科学在工业生产中的地位越来越重要，在国民经济中的作用越来越大，使得材料科学研究在传统材料中的应用也越来越广泛，新材料的研究方面也有了很大的发展。通过计算机模拟可以有效地节约研究成本，它具有极强的灵活性与随机性［1］。在实验教学中，由于实验反应复杂，很多物理、化学反应过程在密闭的高压、高温、钢制圆筒中进行，导致学生往往只知其大致规律，而无法掌握其精确的物理、化学规律，此时计算机模拟就发挥着不可替代的作用，它可以很好地帮助学生去了解实验过程，从而达到预想中的实验教学效果。

1 计算机模拟的相关特征

（1）计算机模拟具有多感知性［2－4］：计算机模拟的多感知性不但具有普通计算机技术的视觉感知，还有听觉、力觉、触觉、运动的感觉，它包含了味觉、嗅觉等不同的感知。

（2）计算机模拟具有浸没感：计算机模拟的浸没感还可以叫做临场感，当用户感到自己是以主角的身份存在于模拟环境中时，借助于这种理想的模拟环境让用户难分真假，所有的用户会完全投入到计算机创建的三维虚拟环境中，好比生活在现实世界中［5］。

（3）计算机模拟具有交互性：计算机模拟的交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度及从环境中得到反馈内容的感应。

（4）计算机模拟具有构想性：计算机模拟的构想性主要对虚拟现实技术进行了强调，使它具有广阔的、可以想象的空间，并能够通过某种技术将人类认知范围加以拓宽，不但可以在某种程度上将再现真实存在的环境，也可以对客观不存在的，有时是不可能发生的环境产生某种随意的构想。

2 计算机模拟在材料科学中的应用

2.1 计算机拟在新材料的结构式设计中的应用

高分子材料有成千上万种，但真正有用处的不到1%［6］。计算机模拟主要是借助于理论与分子空间结构产生新材料的组成，从而产生某种结构与性能，还可以借助于某种理论进行订做，这在某些特定的条件下还可以产生某些特殊的性能，设计出新的材料，如果按不同的生产要求进行设计，还可以得到最佳的制备及加工方法。实验材料的设计可以通过设计对象和所涉及的空间尺寸进行划分，并得到相应的电子层次、原子、分子层次的微观结构设计，通过显微结构层次材料分析出更深层次的设计结构，为实现高分子的设计，还要做好以下几点工作：

（1）进一步建立与积累和某些性能相关的研究，尤其加强对材料的制备和加工的重视，在日积月累中确定性能的定量与半定量关系；

（2）进一步确定高分子的相关设计，确定高分子的相关理论体系；

（3）建立分子的结构模型，完成聚合物性能的数理模型、聚合物的合成等，在加工过程中得出数学模拟方程及相关计算方法［7］；

（4）根据“性能—结构—合成—加工”的相关数据库完成聚合物的形成与加工等。

在实验中完成上面所述的各项工作，需要实验者付出大量的验证时间和消耗大量的原料成本，但通过计算机模拟设计软件，可以发现很多优秀的高分子结构，他们具有设计者要求的所有特性，并且结构合理，易于得到。在帮助设计者筛选出这些高分子化合物的同时实现了降低实验人员的验证时间和工作量，运用较少的原料实现制备材料，实现聚合物的模型化，并对分子设计过程实现随意的控制。图1为计算机模拟软件设计出的有机太阳能菁染料。

2.2 计算机模拟在实验教学中的应用

2.2.1 在高分子成型加工方面的应用

图1 计算机分子结构设计软件设计的材料类化合物

计算机模拟主要是利用某种特定的实物体系对计算机实施的模拟实验。可以把各种模拟结果与实际的实验数据做全方位的比较，通过这种方式能够检验模型的正确程度，还能够检验出模型导出的解析理论，并在此基础上得到简化，最后取得各种模拟实验的成功［8］。另外，还可为模型和实验室中未能实现的探索模型进行更加详细的预测，在进行预测时还可以提出不同的设计方法。计算机模拟实验材料的科学研究主要通过计算机对真实系统进行模拟实验得出，并通过各种实验提供模拟的数据，并得出各种结果，以此对新材料的研究加以指导，这是完成材料设计中最有效的方法。高分子材料成型加工实验是材料类专业学生的重要的教学实验，它是获取高分子材料制品、体现材料特性和开发新材料的重要手段。早在上世纪六、七十年代，新的高聚物就不断地被合成出来，具有独特性能的高分子材料也不断地被发现［9］。然而许多新材料至今未能取得广泛的应用，原因之一就是受限于成型加工技术的发展，因为整个高分子成型加工实验被科学家称之为“黑箱”，就是因为整个反应无法直接地观测到。而通过计算机模拟可以让学生很直观地感受到整个加工过程，从而很好地提高认识。图2为高分子成型加工实验教学时挤出过程的教学模拟图。

图2 高分子成型加工教学中的计算机模拟图

2.2.2 计算机模拟在铸造实验教学过程方面的应用

实验教学过程中，利用计算机进行模拟能够对铸造工艺参数、设备和生产过程做出准确、快速的模拟检测及控制。教学中的计算机模拟技术还能对成型方法与工艺进一步优化，完成材料的制备成型，通过对各个过程的精确设计与控制完成全过程的加工［10］。学生在观察铸造时可以利用模拟技术完成产品的设计与铸造。对于铸造时进行的计算机模拟可以由宏观模拟发展到微观的模拟层次，这种模拟主要是通过微观组织形态的计算机模拟实验来完成。通过对形核、生长过程进行模拟，对铸件凝固过程做出了简单的预报工作，对其中的晶粒形貌有了大体的了解，使学生很容易就明白这一过程中的各个参数值的变化，可以得到不同的计算分析工艺参数，使得铸件在设计与铸造工艺中得到相关的验证与优化，从而得到了比较合格的铸件［11］。通过模拟可以实现连续焊接、电阻焊接、淬火、电磁硬化、热电化学处理和表面处理等各个过程［12］，利用计算机软件中的新型工程技术资料库对用户实现可模拟的真实焊接过程。

2.2.3 计算机模拟在实验教学的辅助控制方面的应用

实验教学中通过计算机辅助控制可以很好地避免实验原料的浪费、避免学生直接接触有毒、有害化学原料，提高实验教学效率。利用微机与可编程控制器对材料进行加工，在这种加工过程中还可以将这种发展趋势做进一步的应用。通过对材料的加工，对计算机的充分利用，使计算机技术可以起到降低劳动强度的作用，在此基础上还可以对产品的质量和精度加以改善，使产量得到不同程度的提高。通过计算机模拟可以实现材料加工工艺过程的优化，实现对其完全控制。比如可以利用计算机对工艺过程的数学模型做好模拟工作，可以借助于计算机对整个过程加以控制。在对材料进行制备的过程中，通过计算机模拟还可以实现整个过程的精确控制。比如对材料表面进行热处理时，对炉温进行控制等。利用计算机技术与微电子技术、自动控制技术可以促进工艺设备、检测手段的准确程度及精确度的提高。这时的控制技术也会从刚开始的最简单的顺序控制逐步发展为数学模型的在线控制及统计过程的控制，还可以将这种分散的个别控制逐步改变为计算机综合管理与控制，不断提高它的控制水平，增强其可靠性，使各种性能都得以保证，这样也可以提高学生多方面的能力。

2.3 计算机模拟技术在实验教学后期数据和图像处理方面的应用

实验教学结束后要将实验中得到的相关数据存储在计算机中，并对这些数据做好存储与处理，对材料的性能及凝聚态结构做深入的分析，分析出他们之间的关系，总结出各个数据之间的联系。利用计算机图像处理和分析功能完成材料结构的正确分析，对其结构进行分析后，可以研究晶体的大小、分布、聚集方式等方面的问题，我们将这些信息与材料间建立各种联系，并可以完成结构的相关研究。

计算机模拟数据处理还可以在实验教学中使学生做好课程的预想。例如加工金属材料采用的方法是铸造、焊接及锻压，工艺过程相对比较复杂，还要受高温、动态、瞬时的影响，很难实现直接性，可以先通过计算机模拟来得知结果，然后对材料进行物理、化学、冶金变化使其成型的研究，思考并模拟这些状态的计算方法，这样可以很好地达到期望的教学效果。计算机分析在材料检测中有着很好的应用，可以完成对材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测，还可以借助某种探测器内的不同信号实现信号的转化与传输，再利用程序员编制的相关程序完成数字信号的判断与处理，让学生明白材料检测的作用。例如对能谱分析仪、X射线仪、超声波无损检测仪及万能材料实验机所做的计算机处理工作就是一种成功的典范［13］。图3为计算机模拟太阳能电池对吸收光谱宽度的一个数据预判断，通过计算机模拟结果可以得知所制备的器件的特点和优越性，从而可以很好地安排后期的实验教学。

图3 计算机模拟对实验数据的分析图

3 结束语

材料科学是通过多种学科交叉产生的新兴学科，它的发展还不够成熟，有待进一步的发展。当前对它的研究主要依靠实际与经验的积累，对其进行系统地研究的道路还很漫长。计算机可以较好地解决实验教学、科研项目方面的一些问题，缩短研究时间和研究成本，可以大大加快研究进程。在实验教学方面，计算机模拟技术作用更加显著，在现阶段各个高校实验资源匮乏的大前提下，可以通过计算机模拟建立网上的虚拟实验室等手段来促进实验教学［14］。总之利用计算机模拟技术为材料实验教学服务是今后各个高校研究的重要课题。

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