本書圍繞材料模擬技術(shù)展開系統(tǒng)論述。編寫意圖在于為材料科學(xué)領(lǐng)域提供全面、系統(tǒng)的參考，助力研究者、工程師及學(xué)生深入理解并運(yùn)用該技術(shù)。本書內(nèi)容涵蓋材料模擬技術(shù)的基本原理、數(shù)值方法、軟件工具，詳細(xì)介紹從原子到宏觀尺度的模擬方法及 VASP、Materials Studio 等多種軟件，并深入探討功能材料、高分子材料、建筑材料等領(lǐng)域的模擬應(yīng)用，展示實(shí)際案例，并展望了多尺度計(jì)算融合、人工智能應(yīng)用等未來(lái)發(fā)展方向。本書注重理論與實(shí)踐結(jié)合，既有基礎(chǔ)理論講解，又有豐富的應(yīng)用實(shí)例，推動(dòng)從傳統(tǒng) 試錯(cuò)法 向精準(zhǔn)計(jì)算設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。本書適合材料科學(xué)研究者、工程師及相關(guān)專業(yè)學(xué)生閱讀，可作為其學(xué)習(xí)材料模擬技術(shù)、開展科研工作和工程實(shí)踐的參考書籍。
材料科學(xué)的發(fā)展始終與人類文明的進(jìn)步息息相關(guān)，從石器時(shí)代到信息時(shí)代，每一次材料的革新都推動(dòng)著社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。在當(dāng)下新工科建設(shè)與雙碳目標(biāo)的時(shí)代背景下，材料科學(xué)正朝著智能化、綠色化、功能化方向深度演進(jìn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究已難以滿足新材料研發(fā)的效率需求與理論深度要求。在此背景下，材料模擬技術(shù)憑借其在原子尺度機(jī)制解析、宏觀性能預(yù)測(cè)及多尺度耦合分析等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為連接材料理論設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。本書的撰寫，旨在系統(tǒng)梳理材料模擬的核心理論、主流方法及典型應(yīng)用，為材料學(xué)科研究者與工程技術(shù)人員提供兼具學(xué)術(shù)深度與實(shí)踐價(jià)值的專業(yè)參考。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，材料模擬技術(shù)在第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、有限元分析等方法的推動(dòng)下，已從輔助研究手段發(fā)展為獨(dú)立的學(xué)科分支。無(wú)論是能源材料領(lǐng)域的氫能存儲(chǔ)機(jī)制探索，還是建筑材料領(lǐng)域的混凝土耐久性優(yōu)化，材料模擬均展現(xiàn)出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與機(jī)理解析的雙重價(jià)值。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)相關(guān)著作或側(cè)重理論推導(dǎo)而缺乏工程案例，或聚焦單一軟件應(yīng)用而忽視方法體系構(gòu)建，難以滿足多學(xué)科交叉背景下的研究需求�；诖�，本書以理論-方法-軟件-應(yīng)用為主線，既整合材料模擬的基礎(chǔ)理論框架，又結(jié)合大連海洋大學(xué)在海洋工程材料、能源材料等領(lǐng)域的研究積累，力求填補(bǔ)這一空白，為材料模擬技術(shù)的普及與創(chuàng)新提供系統(tǒng)性支撐。
本書共設(shè)7章，構(gòu)建了基礎(chǔ)理論-數(shù)值方法-軟件工具-材料應(yīng)用-未來(lái)趨勢(shì)的完整體系：第1章緒論梳理材料模擬的學(xué)科脈絡(luò)與發(fā)展歷程；第2章系統(tǒng)闡釋第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡羅及有限元等核心數(shù)值方法的原理與適用場(chǎng)景，為讀者奠定理論基礎(chǔ)；第3章聚焦VASP、Materials Studio、Gaussian、ANSYS、ABAQUS等主流模擬軟件，從理論基礎(chǔ)、應(yīng)用領(lǐng)域、操作流程到技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行深度解析，兼具技術(shù)手冊(cè)的實(shí)用性與學(xué)術(shù)著作的嚴(yán)謹(jǐn)性；第4章至第6章分別針對(duì)功能材料（氫能、磁性、極端環(huán)境材料）、高分子材料（橡膠、塑料）、建筑材料（混凝土、鋼材），結(jié)合大連海洋大學(xué)在海洋工程中的研究實(shí)踐，通過(guò)具體模擬案例展示技術(shù)落地路徑；第7章基于當(dāng)前技術(shù)瓶頸與學(xué)科前沿，從多尺度耦合、人工智能融合、綠色模擬等方向展望材料模擬的發(fā)展藍(lán)圖，為研究者提供創(chuàng)新思路。
本書適用于材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程、土木工程、海洋工程等專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生及科研工作者，亦可供從事新材料研發(fā)的企業(yè)技術(shù)人員參考。對(duì)于初學(xué)者，建議按緒論數(shù)值方法軟件工具的順序循序漸進(jìn)，重點(diǎn)掌握各類方法的適用邊界；對(duì)于有一定基礎(chǔ)的研究者，可直接從第4章開始，結(jié)合自身研究領(lǐng)域（如氫能存儲(chǔ)、混凝土耐久性）查閱對(duì)應(yīng)模擬案例；工程技術(shù)人員則可重點(diǎn)關(guān)注第3章的軟件操作與第6章、第7章的應(yīng)用實(shí)踐，將模擬技術(shù)與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合。
本書由大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院牛雪蓮和海洋與土木工程學(xué)院劉昌鳳老師共同編寫。特別感謝大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院陳昌平教授對(duì)本書的指導(dǎo)與支持。陳昌平教授在材料模擬技術(shù)與海洋工程交叉領(lǐng)域的學(xué)術(shù)洞見(jiàn)，為本書的框架設(shè)計(jì)與內(nèi)容深度提供了重要啟發(fā)；其在建筑材料模擬方向的研究成果，亦被有機(jī)融入相關(guān)章節(jié)，提升了本書的工程實(shí)踐價(jià)值。
本書的編寫還得到了大連海洋大學(xué)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的支持，以及多名學(xué)生在文獻(xiàn)整理、案例驗(yàn)證方面的協(xié)助。由于材料模擬技術(shù)發(fā)展迅速，書中難免存在疏漏之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，以便后續(xù)修訂完善。
著者
2025年5月
第1章 緒論001
第2章 材料模擬的數(shù)值方法004
2.1 第一性原理計(jì)算方法004
2.2 分子動(dòng)力學(xué)方法007
2.3 蒙特卡羅方法014
2.4 有限元方法016
第3章 材料模擬的軟件與工具020
3.1 VASP 022
3.1.1 VASP 軟件的理論基礎(chǔ)022
3.1.2 VASP 軟件的應(yīng)用領(lǐng)域023
3.1.3 VASP 軟件的特色功能與技術(shù)優(yōu)勢(shì)024
3.1.4 VASP 軟件界面展示025
3.1.5 操作流程026
3.2 Materials Studio 027
3.2.1 MS 軟件的應(yīng)用領(lǐng)域027
3.2.2 Materials Studio 軟件的特色功能與技術(shù)優(yōu)勢(shì)029
3.3 Gaussian 031
3.3.1 Gaussian 軟件的應(yīng)用領(lǐng)域031
3.3.2 Gaussian 軟件的特色功能與技術(shù)優(yōu)勢(shì)032
3.3.3 Gaussian 軟件的界面033
3.4 ANSYS 034
3.4.1 Ansys 的主要核心模塊035
3.4.2 Ansys 的應(yīng)用領(lǐng)域036
3.4.3 Ansys 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)038
3.5 ABAQUS 039
3.5.1 ABAQUS 軟件的功能模塊040
3.5.2 ABAQUS 軟件的應(yīng)用領(lǐng)域040
3.5.3 ABAQUS 軟件未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)041
第4章 功能材料的模擬043
4.1 能源材料-氫能044
4.1.1 金屬氫化物儲(chǔ)氫模擬046
4.1.2 配位氫化物儲(chǔ)氫模擬050
4.1.3 碳基納米儲(chǔ)氫模擬053
4.1.4 有機(jī)液體儲(chǔ)氫模擬057
4.2 磁性材料059
4.3 極端環(huán)境材料062
4.3.1 高溫合金的模擬062
4.3.2 高熵合金的模擬065
第5章 高分子材料的模擬070
5.1 橡膠071
5.1.1 橡膠分類及特性072
5.1.2 橡膠的模擬方法075
5.1.3 橡膠模擬的典型應(yīng)用案例079
5.2 塑料080
5.2.1 塑料的組成成分與物理性能081
5.2.2 塑料的模擬方法084
5.2.3 塑料模擬的典型應(yīng)用案例086
第6章 建筑材料的模擬089
6.1 混凝土089
6.1.1 混凝土的組成及特性090
6.1.2 混凝土的模擬方法097
6.1.3 混凝土模擬的典型應(yīng)用案例100
6.2 鋼材102
6.2.1 鋼材的結(jié)構(gòu)與物理性能103
6.2.2 鋼材的模擬方法106
6.2.3 鋼材模擬的典型應(yīng)用案例109
第7章 材料模擬的發(fā)展方向112
參考文獻(xiàn)116
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