《材料加工與改性數(shù)值模擬》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：03145171課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（理論16學(xué)時，實(shí)踐16學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)、工程制圖與CAD、材料制備計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等后續(xù)課程：材料制備分析綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程開課單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院一、課程說明《材料加工與改性數(shù)值模擬》是材料科學(xué)與工程專業(yè)一門同計(jì)算機(jī)應(yīng)用有密切聯(lián)系的專業(yè)必修課程。本課程主要介紹計(jì)算機(jī)在材科加工與改性中的應(yīng)用及相關(guān)軟件的使用，任務(wù)是在加強(qiáng)對基礎(chǔ)知識、基本方法掌握的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料科學(xué)與工程研究領(lǐng)域的新方法、新技術(shù)中計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使學(xué)生初步具備在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力，了解計(jì)算機(jī)應(yīng)用中常用技術(shù)手段的工作原理、性能及特點(diǎn)，掌握材料制備、加工、改性和檢測中運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問題的的基本方法及材料科學(xué)領(lǐng)域常用的計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握材料加工與改性中的數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析方法、物理場的數(shù)值模擬等相關(guān)理論知識；熟悉材料數(shù)據(jù)庫和新材料設(shè)計(jì)、材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用、數(shù)據(jù)與圖像處理等方面的專業(yè)知識；了解材料加工與改性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。課程目標(biāo)2：具備材料加工與改性方面的數(shù)學(xué)建模、物理場數(shù)值模擬、材料加工過程預(yù)測與模擬等方面的基本能力；具有在材料科學(xué)與工程相關(guān)領(lǐng)域從事生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化等工作的初步能力。課程目標(biāo)3：具有良好的材料設(shè)計(jì)、制備、改性、性能檢測與分析等方面的計(jì)算機(jī)應(yīng)用素質(zhì)；具有良好的社會公德和職業(yè)道德、較強(qiáng)的社會責(zé)任感和團(tuán)隊(duì)合作精神；樹立正確的是非觀念和勞動意識；具有堅(jiān)定正確的政治方向、科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《材料加工與改性數(shù)值模擬》課程教學(xué)目標(biāo)對材料科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識1.2能針對具體對象建立數(shù)學(xué)模型并求解。1.3掌握相關(guān)自然科學(xué)知識、工程基礎(chǔ)知識和思維方法，并能將其應(yīng)用于解決材料專業(yè)相關(guān)復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：掌握材料加工與改性中的數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析方法、物理場的數(shù)值模擬等相關(guān)理論知識；熟悉材料數(shù)據(jù)庫和新材料設(shè)計(jì)、材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用、數(shù)據(jù)與圖像處理等方面的專業(yè)知識；了解材料加工與改性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。M3.設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案3.2設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案過程中，能夠在考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素的前提下，論證方案的可行性。課程目標(biāo)3：具有良好的材料設(shè)計(jì)、制備、改性、性能檢測與分析等方面的計(jì)算機(jī)應(yīng)用素質(zhì)；具有良好的社會公德和職業(yè)道德、較強(qiáng)的社會責(zé)任感和團(tuán)隊(duì)合作精神；樹立正確的是非觀念和勞動意識；具有堅(jiān)定正確的政治方向、科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀。M5.使用現(xiàn)代工具5.2能夠開發(fā)、選擇與使用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具對材料專業(yè)相關(guān)復(fù)雜工程問題進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、預(yù)測和模擬，并理解其局限性。課程目標(biāo)2：具備材料加工與改性方面的數(shù)學(xué)建模、物理場數(shù)值模擬、材料加工過程預(yù)測與模擬等方面的基本能力；具有在材料科學(xué)與工程相關(guān)領(lǐng)域從事生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化等工作的初步能力。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時實(shí)踐學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)緒論1.材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型1.1數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)1.2建立數(shù)學(xué)模型的步驟和原則上機(jī)1：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析1.3數(shù)學(xué)建模的方法上機(jī)2：曲線擬合與建模教學(xué)要求：理解本課程的任務(wù)、主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，熟知計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)的應(yīng)用，了解新材料革命與材料基因組計(jì)劃，了解我國超級和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。理解數(shù)學(xué)模型的概念，了解數(shù)學(xué)模型的類型、作用和數(shù)學(xué)建模方法，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，掌握材料研究中的曲線擬合與建模方法。重點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，材料研究中的曲線擬合與建模方法。難點(diǎn)：常用數(shù)學(xué)建模方法的理解與應(yīng)用。221、2、32.材料科學(xué)研究中常用的數(shù)值分析方法2.1有限差分法2.2有限元法上機(jī)3：帶孔矩形板靜力學(xué)分教學(xué)要求：熟悉數(shù)值分析基礎(chǔ)知識，理解有限差分法的基本概念、原理，了解差分方程的求解方法。熟悉有限元的基礎(chǔ)知識

，了解常用的有限元軟件，掌握帶孔矩形板靜力學(xué)分析方法。重點(diǎn)：帶孔矩形板靜力學(xué)分析方法。難點(diǎn)：差分方程的求解方法。221、23.材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬3.1溫度場理論基礎(chǔ)上機(jī)4：電池發(fā)熱的穩(wěn)態(tài)熱分析3.2熱應(yīng)力場理論基礎(chǔ)上機(jī)5：泵殼穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場分析教學(xué)要求：了解熱力學(xué)分析理論基礎(chǔ)，熟悉溫度場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，掌握利用有限元軟件對電池發(fā)熱穩(wěn)態(tài)熱分析方法。了解渦輪葉片數(shù)值模擬應(yīng)用，理解傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識，理解彈性力學(xué)基礎(chǔ)知識，掌握泵殼穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場計(jì)算。重點(diǎn)：利用有限元軟件對電池發(fā)熱穩(wěn)態(tài)熱分析，泵殼穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場分析。難點(diǎn)：熱力學(xué)分析理論基礎(chǔ)，理解傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識，理解彈性力學(xué)基礎(chǔ)知識。241、2、34.材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬4.1組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬4.2計(jì)算機(jī)相平衡計(jì)算方法上機(jī)6：相圖計(jì)算與分析教學(xué)要求：理解組織轉(zhuǎn)變的模擬過程，了解熱力學(xué)模型，理解相圖的繪制過程。掌握相圖計(jì)算的方法與分析，了解計(jì)算機(jī)相平衡計(jì)算方法。重點(diǎn)：相圖計(jì)算方法與分析。難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)相平衡計(jì)算方法。222、35.材料數(shù)據(jù)庫和新材料、新合金的設(shè)計(jì)5.1材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫5.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)中的應(yīng)用上機(jī)7：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)材料設(shè)計(jì)優(yōu)化與建模教學(xué)要求：熟悉數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)。了解材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫的發(fā)展。了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念，熟悉人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成、工作原理及類型。了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)中的應(yīng)用。掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)材料設(shè)計(jì)優(yōu)化與建模。重點(diǎn)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)材料設(shè)計(jì)優(yōu)化與建模。難點(diǎn)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理及開發(fā)應(yīng)用。221、26.材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制上機(jī)8：鑄造模擬軟件使用教學(xué)要求：了解鑄造模擬軟件的特點(diǎn)與應(yīng)用，學(xué)會鑄造模擬軟件使用，掌握鑄造充型與凝固過程方法。重點(diǎn)：鑄造模擬軟件使用。難點(diǎn)：鑄造充型與凝固過程方法。111、2、37.計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用7.1材料成分和組織檢測7.2材料力學(xué)和物理性能檢測教學(xué)要求：熟悉金相圖像分析系統(tǒng)、材料顯微組織的計(jì)算機(jī)仿真。了解萬能材料試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)、專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。重點(diǎn)：金相圖像分析系統(tǒng)、材料顯微組織的計(jì)算機(jī)仿真。難點(diǎn)：顯微組織的計(jì)算機(jī)模擬的理解。22、38.材料科學(xué)研究中的數(shù)據(jù)與圖像處理上機(jī)9：材料組織參數(shù)圖像分析教學(xué)要求：熟悉數(shù)據(jù)與圖像處理相關(guān)軟件，可以利用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及簡單繪圖。熟悉相關(guān)圖像分析與處理軟件，可以利用該軟件進(jìn)行圖像處理。重點(diǎn)：材料組織參數(shù)圖像分析。難點(diǎn)：圖像的精細(xì)處理。21、29.互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用9.1材料科學(xué)文獻(xiàn)檢索9.2課程小論文規(guī)范與要求教學(xué)要求：了解互聯(lián)網(wǎng)上的材料科學(xué)信息資源，熟悉其檢索方法。熟悉常用材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫，掌握材料科學(xué)文獻(xiàn)的檢索方法。重點(diǎn)：材料科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫及其檢索方法。難點(diǎn)：文獻(xiàn)的精確查找方法。111、3機(jī)動2合計(jì)16162.上機(jī)部分上機(jī)教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目、內(nèi)容與學(xué)時上機(jī)項(xiàng)目上機(jī)內(nèi)容和要求上機(jī)學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析上機(jī)內(nèi)容：數(shù)據(jù)分析軟件工作簿、圖表、函數(shù)曲線等窗口，曲線擬合建模。上機(jī)要求：掌握數(shù)據(jù)分析軟件數(shù)據(jù)分析的基本操作步驟，了解數(shù)據(jù)分析軟件各功能模塊的應(yīng)用。11、3曲線擬合與建模上機(jī)內(nèi)容：變量相關(guān)性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，曲線擬合建模上機(jī)要求：確定材料研究中的變量之間是否存在相關(guān)性，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)一個或幾個變量的取值預(yù)測或控制另一個變量的取值范圍。11、2帶孔矩形板靜力學(xué)分析上機(jī)內(nèi)容：使用相關(guān)軟件對帶孔矩形板靜力學(xué)分析上機(jī)要求：掌握靜力學(xué)的計(jì)算步驟，定義材料模型的方法，求解應(yīng)力、應(yīng)變和位移的方法。21、2、3電池發(fā)熱的穩(wěn)態(tài)熱分析上機(jī)內(nèi)容：電池發(fā)熱的穩(wěn)態(tài)熱分析上機(jī)要求：掌握穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算步驟、學(xué)會定義多層材料模型的方法、施加熱邊界條件。21、2泵殼穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場分析上機(jī)內(nèi)容：泵殼穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場計(jì)算與分析上機(jī)要求：掌握穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場的計(jì)算步驟，定義材料模型的方法。21、2、36.相圖計(jì)算與分析上機(jī)內(nèi)容：用相圖計(jì)算軟件獲得Fe-Cr-C垂直截面和等溫截面相圖。上機(jī)要求：了解相圖計(jì)算軟件和數(shù)據(jù)庫，用相圖計(jì)算軟件計(jì)算Al-Mg-Si垂直截面與等溫截面相圖。21、2、37.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)材料設(shè)計(jì)優(yōu)化與建模上機(jī)內(nèi)容：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱上機(jī)要求：初步掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的使用方法，能夠?qū)Σ牧辖M織與性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模。21、38.鑄造模擬軟件使用上機(jī)內(nèi)容：利用鑄造模擬軟件進(jìn)行鋁合金壓力鑄造充型和凝固過程。上機(jī)要求：熟悉鑄造模擬軟件，了解壓力鑄造充型和凝固分析方法。21、2、39.材料組織參數(shù)圖像分析上機(jī)內(nèi)容：練習(xí)使用常見的圖像處理軟件，材料組織參數(shù)分析。上機(jī)要求：了解金相顯微照片圖像處理的基本方法，掌握圖像處理軟件的基本操作。21、2合計(jì)16五、教學(xué)方法及手段本課程采用講授、上機(jī)操作、視頻學(xué)習(xí)、文獻(xiàn)查閱、課堂練習(xí)和案例分析等教學(xué)方式方法完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。使學(xué)生較為全面地掌握數(shù)值模擬的常用分析技巧和基本設(shè)計(jì)流程，掌握相關(guān)材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用軟件的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。六、課程資源1.推薦教材：（1）許鑫華.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2022.122.參考書：（1）楊明波.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022.01（2）董湘懷.材料加工理論與數(shù)值模擬[M].北京：高等教育出版社，2005.08（3）湯愛濤.計(jì)算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社,2008.06（4）曾令可.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2014.033.期刊：（1）高英俊.計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,26(4):291-294.（2）陳明和.計(jì)算機(jī)模擬與預(yù)測方法在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料,2005,29(6):1-3.（3）王丹丹.計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011,37(07):191-192.（4）陳文革.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報,2000,14(2):20-21.（5）VarshikaSingh.Recenttrendsincomputationaltoolsanddata-drivenmodelingforadvancedmaterials[J].MaterialsAdvances,2022,3,4069-4087.（6）SchmidtJ.Recentadvancesandapplicationsofmachinelearninginsolid-statematerialsscience[J].ComputationalMaterials,2019(1):1-36.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）中國CAE聯(lián)盟,/（2）中國互動仿真網(wǎng)，/（3）中國慕課網(wǎng)-計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)應(yīng)用，/course/NEU-1466001174七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)15（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績。√√√442上機(jī)操作15（1）根據(jù)每個上機(jī)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量單獨(dú)評分，滿分100分；（2）每次上機(jī)操作單獨(dú)評分，取各次實(shí)驗(yàn)成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以上機(jī)操作成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績?！?5平時作業(yè)20（1）主要考查學(xué)生對各章節(jié)知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績?！獭獭?63期末考核50（1）課程小論文成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績。（2）主要考核材料科學(xué)與工程領(lǐng)域相關(guān)軟件的使用方法和心得體會，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，關(guān)注相關(guān)軟件在材料科學(xué)與工程的應(yīng)用現(xiàn)狀等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生材料研究、創(chuàng)新能力的效果。√√√252510合計(jì)：100分355015八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、上機(jī)操作、平時作業(yè)、期末考核等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┛己思凑n程小論文成績，課堂表現(xiàn)、上機(jī)操作和平時作業(yè)過程性評價成績組成，其中過程性評價成績權(quán)重占50%、課程小論文成績權(quán)重占50%。分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)30積極參與并按時、按質(zhì)完成課堂任務(wù)，踴躍