复旦大学：《材料物理——材料力学 Mechanics of materials》教学课件_第四章 材料计算概述（高尚鹏）

第四章材料计算概述 授课教师:高尚鹏

第四章 材料计算概述 授课教师：高尚鹏

41计算材料学背景 42原子尺度模拟方法 43从薛定谔方程到密度泛函理论 44力学性质的第一原理计算

4.1 计算材料学背景 4.2 原子尺度模拟方法 4.3 从薛定谔方程到密度泛函理论 4.4 力学性质的第一原理计算

计算材料学( Computational Materials Science)是指结 合凝聚态物理、材料物理、理论化学、材料力学和计算 机算法等相关学科,利用计算机模拟材料结构和性能, 理解材料从微观到宏观多个尺度的各种现象与特征,对 材料的结构和物理化学性能进行理论预测,从而设计新 材料

计算材料学（Computational Materials Science）是指结 合凝聚态物理、材料物理、理论化学、材料力学和计算 机算法等相关学科，利用计算机模拟材料结构和性能， 理解材料从微观到宏观多个尺度的各种现象与特征，对 材料的结构和物理化学性能进行理论预测，从而设计新 材料

科学计算已经是继理论科学、实验科学之后,人类认识 自然的第三种科学方法。 计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了 有力保证。 量子力学、量子化学等基础理论的发展为材料科学 计算奠定了理论基础。 大量材料性质模拟计算软件的成功开发,促进了材 料计算模拟方法的广泛应用。应用理论和计算来设 计材料、优化材料已成为可能

• 计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了 有力保证。 • 量子力学、量子化学等基础理论的发展为材料科学 计算奠定了理论基础。 • 大量材料性质模拟计算软件的成功开发，促进了材 料计算模拟方法的广泛应用。应用理论和计算来设 计材料、优化材料已成为可能。 科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 自然的第三种科学方法

欧盟委员会的报告指出飞机、汽车或个人消费品等复杂 工业品的制造依赖于复杂的模拟仿真以及研究人员和工 程师的合作。 A communication from the european commission on Ict infrastructures for e-science [1] states that the production of complex artefacts such as aircraft, cars or personal appliances relies on complex modelling and simulation, and the cooperation of researchers and engineers. High performance computing has enabled automakers around the world to reduce the time for developing new vehicle platforms from an average 60 months to 24 months [1] European Commission, "ICT Infrastructures for e-science brussels Mar.2009

A communication from the European Commission on ICT infrastructures for e-science [1] states that the production of complex artefacts such as aircraft, cars or personal appliances relies on complex modelling and simulation, and the cooperation of researchers and engineers. High performance computing has enabled automakers around the world to reduce the time for developing new vehicle platforms from an average 60 months to 24 months. [1] European Commission, “ICT Infrastructures for e-science,” Brussels, Mar. 2009. 欧盟委员会的报告指出飞机、汽车或个人消费品等复杂 工业品的制造依赖于复杂的模拟仿真以及研究人员和工 程师的合作

http://www.whitehouse.gov/mgi 材料基因组计划 To help businesses discover, develop, and deploy new materials twice as fast, were launching what we call the Materials Genome Initiative. The invention of silicon circuits and lithium-ion batteries made computers and iPods and iPads possible --but it took years to get those technologies from the drawing board to the marketplace. We can do it faster. President Obama, June zonI at Carnegie Mellon University

http://www.whitehouse.gov/mgi 材料基因组计划

通过高通量、并发式计算 缩短材料研发周期,降低 Materials Genome Initiative for Global Competitiveness 研制成本。 June 2011 In much the same way that silicon in the 1970s led to the modern information technology industry, the development of advanced materials will fuel many of the emerging industries that will address challenges in energy, national security, healthcare, and other areas. Yet the time it takes to move a newly discovered advanced material from the laboratory to the commercial market place remains far too long. Accelerating this process could significantly improve U.S global competitiveness and ensure that the Nation remains at the forefront of the advanced materials marketplace. This Materials Genome Initiative for Global Competitiveness aims to reduce development time by providing the infrastructure and training that American innovators need to discover, develop, manufacture, and deploy advanced materials in a more expeditious and economical way Sincerely JOhn p. holdren Assistant to the President for Science and Technology Director, Office of Science and Technology Policy

通过高通量、并发式计算 缩短材料研发周期，降低 研制成本

计算工具 Computational 实验工具 数据 Experimental Digital Tools Data Materials Innovation Infrastructure Nex Figure 3: Initiative overview

计算工具 实验工具 数据

计算工具( Computational Tools) 在材料性质和服役行为的模拟和预测领域的巨大进展为使用 计算软件应对材料挑战提供了巨大机遇。新的计算工具有潜 力在所有阶段加速新材料研发的进展。例如,软件可以从大 量化合物数据库中搜寻具有合适性质的候选材料,指导新材 料的实验发明。通过计算机辅助分析的虚拟测试可以替代 些目前新材料审批所需的昂贵且耗时的物性测试

计算工具（Computational Tools） 在材料性质和服役行为的模拟和预测领域的巨大进展为使用 计算软件应对材料挑战提供了巨大机遇。新的计算工具有潜 力在所有阶段加速新材料研发的进展。例如，软件可以从大 量化合物数据库中搜寻具有合适性质的候选材料，指导新材 料的实验发明。通过计算机辅助分析的虚拟测试可以替代一 些目前新材料审批所需的昂贵且耗时的物性测试

基于连续介质的模拟 Continuum-based modelling 如有限元方法( finite element method) 忽略原子尺度的现象 分子/原子尺度模拟 Molecular modelling/Atomistic modelling

基于连续介质的模拟 Continuum-based modelling 分子/原子尺度模拟 Molecular modelling/Atomistic modelling 如有限元方法（finite element method） 忽略原子尺度的现象