高分子科学中的计算机模拟与仿真共47页文档

高分子材料与工程：懂计算机的艺术家1. 引言1.1 高分子材料的定义高分子材料是一种由大量重复单元组成的材料，其中的单元分子通过共价键或离子键等化学键相互连接。

这些单元分子被称为聚合物，是高分子材料的基本组成单位。

高分子材料通常具有较高的分子量和较长的分子链，同时还具有良好的机械性能、化学稳定性和热稳定性。

高分子材料广泛应用于各个领域，包括塑料、橡胶、纤维、涂料等，也是生物材料和功能材料的重要组成部分。

由于其独特的结构和性能，高分子材料在工程领域中具有广泛的应用前景。

1.2 计算机在高分子材料领域的应用计算机在高分子材料领域的应用日益广泛，其能够提供高效、精确的计算和模拟工具，为高分子材料的设计和开发提供了新的途径。

计算机在高分子材料领域的应用主要包括分子模拟、分子动力学模拟、量子化学计算和人工智能技术。

计算机模拟在高分子材料设计中扮演着重要角色。

通过模拟分子之间的相互作用，可以精确地预测材料的性质、结构和性能。

计算机模拟可以帮助研究人员理解材料背后的物理和化学过程，指导新材料的设计和合成。

随着分子动力学模拟技术的发展与应用，研究人员可以通过模拟高分子材料在原子级别上的运动和相互作用，研究材料的力学性能、热学性质和结构演变规律。

这种基于计算机的模拟方法为高分子材料的设计和优化提供了重要工具。

计算机技术为高分子材料工程带来了新的思路和方法，大大加速了材料的研发进程。

通过不断探索和应用计算机技术，高分子材料工程领域也将迎来更多创新和突破。

2. 正文2.1 高分子材料的种类与特性高分子材料是一类由大量重复单元组成的材料，通常具有高分子量、强度高、耐磨性好等特点。

根据其结构和合成方式的不同，高分子材料可以分为线性高分子、交联高分子、支化高分子等几种不同的类型。

线性高分子是由简单的重复单元按照特定的顺序排列而成，比如聚乙烯、聚丙烯等。

这类高分子材料具有较好的延展性和柔软性，但是相对比较脆弱，容易受到外界环境的影响而发生变化。

分子模拟的原理和应用分子模拟是一种揭示分子之间相互作用、理解不同化学现象和开发新型材料的有力工具。

对于化学和生物科学领域的研究者来说，分子模拟已经成为了一种日常工作方式。

一、分子模拟的原理分子模拟的核心思想是通过计算机模拟来解析分子之间的相互作用。

在分子模拟中，通常会采用经典力场来描述分子的相互作用力，分子的轨迹由牛顿运动方程来描述，这样就能够通过计算机模拟来预测分子间的相互作用情况。

经典力场模型通常涉及势函数，这个函数包括一些理论化学参数，比如键长、键角、倾角、偶极矩等。

这些参数可以在经典力场的框架下被建模，以便描述分子之间的相互作用。

其次，随机数发生器可以产生从均匀分布中抽取的随机数，这些随机数的产生和分配是基于蒙特卡罗方法，可以实现对于分子结构和稳定性等性质的模拟。

二、分子模拟的应用分子模拟作为现代科学的重要研究手段，具有广泛的应用。

由于其优越的特性，包括灵活性、高效性、可视化等特点，分子模拟成为化学和生物科学研究领域的重要工具之一。

1.理论化学分子模拟在物理化学和有机化学研究中得到了广泛应用，比如化学反应动力学和分子重构等方面。

分子模拟还被用来计算化学反应死胡同，预测不同的分子之间的相互作用，以及用于计算固体材料热力学性质，例如材料的热膨胀系数和热导率。

此外，在表面化学中，可以使用分子模拟来预测在表面上的分子结构、稳定性和反应性。

分子模拟还可以用于研究分子在聚集中的行为，例如蛋白质聚集。

2.药物发现分子模拟在药物发现中也有重要的应用。

在设计药物分子时，有时需要对药物分子结构进行优化，以提高其活性和选择性。

分子模拟可以在药物设计过程中模拟分子结构的属性，评估化合物的相互作用和亲和力等方面。

此外，分子模拟还可以用于研究药物分子的药理作用机制。

例如，在研究蛋白质与药物分子间的相互作用时，分子模拟可以预测药物分子与特定蛋白质的最适合互相结合的位点，以确定药物分子的作用机制。

3.材料科学近年来，分子模拟在材料科学中的应用也越来越广泛。

创新实践培训（论文）题目：键长涨落算法对高分子链无规行走的模拟学院：材料科学与工程学院专业名称：高分子材料与工程班级学号： 08013116、08013117学生姓名：胡杨蚨学生姓名：赖志强指导教师：钟卫二O一一年十月键长涨落算法对高分子链无规行走的模拟学生姓名：胡杨蚨、赖志强班级：080131指导老师：钟卫摘要：随着计算机技术的迅速发展，使得数据的大量统计和复杂的数学计算成为了可能，高分子的计算机模拟已成为研究的一种不可或缺的手段。

利用Visual Basic 6.0编写了一个二维高分子链形态的模拟程序，用来研究高分子链的一些特征。

运用键长涨落算法分别模拟了无规行走链（RW链）和自回避行走链（SAW链），通过随机生成新的高分子链，动态计算均方末端距。

统计了在这两种模型下，不同键长条件下，不同键数高分子链均方末端距的数值。

关键词：计算机模拟均方末端距指导老师签名：目录1前言 ..................................................................... 错误！未定义书签。

1.1计算机模拟在高分子科学中的应用 .................................................. 错误！未定义书签。

1.1.1 高分子动力学模拟 (2)1.1.2 高分子蒙特卡罗（MonteCarlo）模拟 (3)1.2 高分子链构象的模拟 (4)1.3目前高分子链模拟的常用模型 (5)1.3.1无规行走链模型 (5)1.4当前计算机模拟方法简介 (6)1.4.1分子动力学模拟 (7)1.4.2蒙特卡洛模拟 (7)2均方末端距模拟程序的开发 (8)2.1开发工具 (8)2.2开发流程........................................................................................................................2.3算法分析........................................................................................................................2.3.1无规行走模型的算法分析.........................................................................................2.3.2自规避无规行走模型的算法分析.............................................................................2.3.3均方末端距的统计.....................................................................................................2.4界面制作........................................................................................................................2.5均方末端距模拟及验证标度定律...............................................................................2.5.2标度定律的验证......................................................................................................... 3结论 ..................................................................... 错误！未定义书签。

关键词：虚拟仿真；实验教学；高分子材料课程设计引言近年来，以虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术为代表的计算机虚拟仿真技术实现了无与伦比的真实感和交互性，正得到人们越来越多的关注和认同，迅速地走进我们的生活，也必将会深刻地影响我们的教育与教学。

2018年教育部在《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》(教高〔2018〕2号)(简称“高教40条”)的文件中提出要推进现代信息技术与教育教学深度融合，助力提高教师的教学水平，其中明确指出要大力推进虚拟仿真实验建设[1]。

这是因为实验教学是实现理论与实践相结合必不可少的环节，对于培养学生的动手实践能力和基本科学素养来说至关重要。

而当前虚拟仿真技术正逐渐走进大学的实验室，日益改变传统的实验教学方式，塑造了新的实验教学面貌，推动教育教学改革不断向更高层次发展。

因此如何将这种先进技术更好地融入到我们的实验课程教学中，并不断提高学生的学习成效是每一位实验任课教师都需要认真思考和探索的课题[2-3]。

1高分子材料课程设计课程传统实验教学存在的问题1.1实验条件不足高分子材料课程设计课程传统实验中需要用到许多仪器设备，包括用于高分子材料加工成型的密炼机、硫化机、注塑机和挤出机等大型设备，以及用于材料性能分析表征的万能拉伸试验机、流变仪、热分析仪等精密仪器设备。

它们大都价格不菲而且占用实验室场地大，因此大部分高校购置的此类仪器的数量通常很少[4]。

甚至在有些高校中，由于仪器设备和实验场所等条件所限，导致这一门原本应当锻炼学生的动手操作能力和综合运用所学知识分析解决实际问题能力的实践课程，变成了一门综述型设计课程[5]。

在这个改变中，存在着不少可以理解的现实困难：从长时间的聚合反应过程，到需要大量样品的加工成型过程，再到昂贵的精密测试仪器。

实验组织困难和成本消耗高成为阻碍培养学生综合能力的拦路虎[6]。

1.2教学目标难实现高分子材料课程设计是一门以化学合成、成型加工和分析表征高分子材料全过程的综合性工程实践课程，旨在培养学生的专业知识积累、迁移和应用的能力。

第三章高分子科学中的计算机模拟随着计算机技术与聚合物科学的发展，人们已经不满足于仅仅用实验的手段来研制新型高分子材料和提高现有材料的性能，于是，除实验和理论外，计算机模拟已成为解决聚合物科学中实际问题的第三个重要组成部分。

计算机模拟既不是实验方法也不是理论方法，它是在实验的基础上，通过基本原理，构筑起一套模型和算法，从而计算出合理的分子结构与分子行为。

运用分子模拟技术，人们能够对材料原子及分子层次的机理有更全面的了解。

自20世纪量子力学(quantum mechanics)的快速发展后，几乎有关分子的一切性质，如结构(structure)、构象(conformation)、偶极距(dipole moment)、电离能(ionization)、电子亲和力(electron affinity)、电子密度(electron density)等，都可由量子力学计算获得。

计算与实验的结果往往相当吻合，并且可由分析计算的结果得到一些实验无法获得的资料，有助于对实际问题的了解。

与实验相比较，利用计算机计算研究化学有下列几项优点：1、成本降低；2、增加安全性；3、可研究极快速的反应或变化；4、得到较佳的准确度；5、增进对问题的了解。

基于这些原因，分子的量子力学计算自1970年后逐渐受到重视。

利用计算先行了解分子的特性，已成为合成化学家和药物设计学家所依赖的重要方法。

化学家借此可设计出最佳的反应途径，预测合成的可能性，并评估所欲合成分子的适用性，节省许多时间和避免材料的浪费。

而且，计算效果正随着方法的改良与计算机的发展而快速地提高。

1 计算机模拟方法1.1微观组织结构模拟对于完整和非完整晶体的结构，动力学和热力学的性质可以采用3种主要的方法来进行模拟：分子动力学方法（Molecular Dynamics, MD）、分子力学方法（Molecular Mechanics, MM）和蒙特卡罗方法（Monte Carlo Method, MC）。

用软件构建全同立构聚丙烯分子、聚乙烯分子并计算它们末端的直线距离一． 实验目的1．了解用计算机软件模拟大分子的“分子模拟”新趋势2． 学会用“分子模拟”软件构造聚乙烯、聚丙烯大分子3． 计算主链含100个碳原子的聚乙烯、聚丙烯分子末端的直线距离二． 实验原理已经知道，C-C 单键是σ键，其电子云分布具有轴对称性。

因此，σ键相连的两个碳原子可以相对旋转而影响电子云的分布。

原子（或与原子基团）围绕单键内旋转的结果将使原子在空间的排布方式不断地变换。

长链分子主链单键的内旋转赋予高分子以柔性，致使高分子链可任取不同的卷曲程度。

高分子链的卷曲程度可以用高分子链两端点间直线距离—末端距 h 来度量。

高分子链曲越厉害，末端距越短。

高分子长链能以不同程度卷曲的特性称为柔性。

高分子链的柔性是高聚物高弹性的根本原因，也是决定高聚物玻璃化转变温度高低的主要因素。

高分子链的末端距是一个统计平均值，通常采用它的平方的平均，叫做均方末端距2h ，通常是用高分子溶液性能的实验来测定的。

我们知道，C-C 单键(σ键)具有轴对称的电子云。

因此，C-C 单键可以以键向为轴相对地内旋转，即在保持键角ϕ (ϕ= 109°28') 不变的情况下，C 3可处于 C 1 - C 2旋转而成的圆锥的底圆边上的任何位置 (自由内旋转)，同样C 4可处在C 2 - C 3旋转而成的圆锥的底圆边上的任何位置，以此类推(图1)。

这种由于围绕单键内旋转而产生的空间排布叫作构象。

高分子链是由成千上万个C-C 单键所组成，•每个单键又都可不同程度地内旋转。

这样，由于分子的热运动，分子中原子在空间的排布可随之不断变化而取不同的构象，表现出高分子链的柔性。

高分子链的柔性是高聚物分子长链结构的产物，是高聚物独特性能——高弹性的依据。

尽管实际高分子链中键角是固定的，内旋转也不是完全自由的，高分子链仍然能够由于内旋转而很大程度地卷曲(图2)。

分子越卷曲，相应的构象数目越多，构象熵就越大。

高分子材料与工程：懂计算机的艺术家高分子材料与工程是一门融合了化学、物理、材料科学和工程学的学科，主要研究材料的结构、性能、加工工艺及应用方面的科学和技术。

这一领域的研究涉及到许多方面，包括聚合物化学、高分子物理、高分子材料加工、高分子合成与改性等。

而在这个领域里，懂计算机的艺术家们正在发挥着越来越重要的作用。

高分子材料的研究和开发，是一个复杂而又多样化的过程。

在这个过程中，计算机仿真技术的应用已成为一个不可或缺的工具。

懂得如何运用计算机进行材料模拟与设计的科学家和工程师们，被称为“懂计算机的艺术家”。

他们通过计算机模拟，可以快速而准确地预测材料的性能、结构与行为，为材料的设计和开发提供重要的指导和支持。

计算机在高分子材料领域的应用可谓多方面。

计算机模拟可用于预测材料的力学性能。

模拟在高应变率下聚合物材料的力学响应，可以帮助科学家和工程师们了解材料在高速冲击和撞击下的行为。

计算机仿真还可以用于材料的结构设计与优化。

通过分子动力学模拟和量子化学计算，科学家们可以更准确地设计出新型高分子材料的结构，以实现所需的性能和功能。

计算机模拟还可以用于研究材料的热力学性质和电子结构，为材料的性能优化和改性提供重要的理论指导。

除了材料的设计和性能预测，计算机在高分子材料领域还有着广泛的应用。

计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）技术被广泛应用于高分子材料的工艺设计和加工过程的优化。

通过CAD/CAE技术的应用，工程师们可以设计出更精确、更高效的高分子材料加工工艺，提高产品质量和生产效率。

而计算机模拟还可以用于预测材料的寿命和老化行为，为材料的使用和维护提供重要的参考和指导。

随着计算机科学和技术的不断进步，高分子材料领域的“懂计算机的艺术家”们正不断拓展着他们的应用领域。

人工智能和机器学习技术已经开始在高分子材料领域得到了应用。

通过对大量的实验数据和模拟结果进行分析和学习，计算机可以帮助科学家们挖掘出潜在的规律和模式，加速新材料的研发和优化过程。

1．Ansys 中主要有哪四个分析模块？结构分析，热分析，流体分析包括CFD（计算流体动力学），电 / 静电场分析，电磁场分析2．在 ANSYS 产品中，求解结构问题有两种方法，它们各用于什么场合？在 ANSYS 产品中，求解结构问题有两种方法：h-方法和p-方法。

h-方法可用于任何类型的结构分析，而p-方法只能用于线性结构静力分析。

根据所求的问题，h-方法通常需要比p-方法更密的网格。

p-方法在应用较粗糙的网格时，提供了求得适当精度的一种很好的途径。

3．ANSYS分析过程中三个主要的步骤. 每个分析包含三个主要步骤:前处理：创建或输入几何模型，对几何模型划分网格。

求解：施加载荷求解。

后处理：结果评价，检查结果的正确性4．ANSYS文件中包括四种文件，分别是哪四种？在任何ANSYS分析之后，您应保存以下的文件:日志文件( .log)数据库文件 ( .db)结果文件(.rst, .rth, …)荷载步文件, 如有多步 (.s01, .s02, ...)物理文件 (.ph1, .ph2, ...) 5．Ansys中四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系。

典型的实体模型是由体、面、线和关键点组成的。

在实体模型间有一个内在层次关系，关键点是实体的基础，线由点生成，面由线生成，体由面生成。

6. 模型生成方法与建模步骤7． ANSYS坐标系有哪六种？总体坐标系，局部坐标系，节点坐标系，单元坐标系，显示坐标系，结果坐标系8．体素定义9．单元属性定义。

单元属性是网格划分前必须建立的有限单元模型属性。

它们包括:单元类型，实常数，材料性质10．ANSYS网格划分主要包括以下四个步骤:定义单元属性，指定网格的控制参数，生成网格11．ANSYS 有哪两个两个后处理器，他们如何定义的？后处理：结果评价，检查结果的正确性12. Ansys中的载荷有哪些？自由度约束，集中载荷，面载荷，体载荷，惯性载荷13 自由度约束的定义。

虚拟现实在高分子科学实验中的应用随着科技的进步和人们对虚拟现实（VR）技术的兴趣日益增长，虚拟现实逐渐在各个领域找到了应用的可能性。

其中，高分子科学实验也开始逐渐借助虚拟现实技术进行探索和突破。

本文将探讨虚拟现实在高分子科学实验中的应用，并解析其优势和限制。

一、虚拟现实在高分子模拟实验中的应用1. 分子结构模拟虚拟现实可以提供视觉上的沉浸感，使科学家能够在虚拟环境中观察和操纵高分子的分子结构。

科学家可以通过戴上虚拟现实头盔，进入高分子的分子级别，直观地观察和分析分子结构的组成和排列方式。

这样的模拟实验帮助科学家更好地理解高分子的特性和行为，为高分子材料的研发和应用提供了重要的指导。

2. 分子动力学模拟虚拟现实技术结合高分子模拟软件，可以对高分子分子在不同环境下的动力学特性进行模拟和研究。

科学家可以通过虚拟现实环境中的手势操作和交互，对高分子材料内部原子的运动轨迹进行观察和分析。

这种模拟实验可以帮助科学家研究高分子的力学性能、热学性质等重要特性，为高分子材料的设计和优化提供了有力的支持。

二、虚拟现实在高分子合成实验中的应用1. 反应模拟和优化通过虚拟现实技术，科学家可以在虚拟实验室中进行高分子合成的反应模拟和优化。

在虚拟环境中，科学家可以通过设定不同条件，观察和比较不同合成方案的效果，并预测合成结果。

这样的虚拟实验可以大大减少实际合成实验的成本和时间，加快高分子材料的开发速度。

2. 交互式实验指导虚拟现实技术可以为高分子合成实验提供交互式的指导。

科学家在虚拟实验室中，可以通过手势操作和语音交互，获得实时的实验指导和反馈。

这种交互式实验指导可以帮助科学家避免实验中的错误和不必要的损失，提高实验效率和准确性。

三、虚拟现实在高分子性能测试中的应用1. 力学性能测试通过虚拟现实技术，科学家可以在虚拟环境中对高分子材料的力学性能进行测试和分析。

科学家可以模拟不同的载荷条件和应力状态，观察高分子材料的变形和破坏过程。

计算机在材料科学（高分子）中的应用目录绪论 (1)第一节计算机在材料科学领域的应用 (1)1.1 用于新材料的设计 (1)1.2 材料科学研究中的计算机模拟 (2)1.3 材料工艺过程的优化及自动控制 (2)1.4 计算机用于数据和图像处理 (3)1.5 计算机网络在材料研究中的应用 (3)本课程主要内容： (3)第－章材料数据分析和模型建立 (6)第一节数学模型 (6)第二节回归分析 (10)2.1 问题的提出 (10)2.2拟合的标准 (11)2.3 线性拟合，二次拟合及多变量拟合 (11)第三节正交试验设计 (15)第二章常用的数值分析方法 (24)第一节数值分析和误差分析 (24)1.1数值分析 (24)1.2 误差分析 (25)第二节非线性方程求解 (26)2.1 实根的对分法 (26)2.2 直接迭代法 (27)2.3 松弛迭代法 (28)2.4 牛顿迭代法 (29)2.5 割线法 (30)第三节线性方程的求解 (31)3.1 简单迭代法 (32)3.2 紧凑迭代法 (34)3.3 松弛迭代法 (35)3.4 高斯消去法 (35)3.5 三角分解法 (36)第四节微分方程数值解 (37)4.1 常微分方程的数值解 (37)4.2 常微分方程组的数值解法 (40)4.3 偏微分方程数值解 (40)4.4 有限差分法 (42)绪论第一节计算机在材料科学领域的应用计算机技术的发展：1. 软硬件技术的发展硬件（CPU发展，存贮设备：时间和空间复杂度的问题）软件（操作系统win linux unix；应用软件；算法）2网络技术的发展文献资料的查阅，材料数据库的联网，电子商务，数字化管理材料科学技术的发展：按组成来分：金属，无机，高分子，复合材料用途来分：结构材料和功能材料材料科学：研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。

多学科交叉数学，物理，化学，计算机未来材料的发展趋势新材料，新技术，新工艺相互结合多学科相互交叉渗透四个要素：性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工两个关键：仪器设备与分析建模计算材料学利用计算机算法来进行材料设计除实验和理论外，计算机模拟已成为解决聚合物科学中实际问题的第三个重要组成部分。