Akademický rok 2021/2022 |
Garant: | doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D. et Ph.D. | |||
Garantující pracoviště: | ÚMVI | |||
Jazyk výuky: | čeština či angličtina | |||
Cíle předmětu: | ||||
V tomto předmětu získají studenti ucelený přehled o nejpoužívanějších metodách modelování materiálů od atomární úrovně, přes mezoskopický popis až po simulace makroskopických soustav. Cílem cvičení je obeznámení se s počítačovými implementacemi jednotlivých modelů, které umožní detailní pochopení vstupů, metod a výsledků získaných z běžně používaných komerčních a open-source programů pro simulace mikrostruktury a fyzikálních vlastností materiálů. | ||||
Výstupy studia a kompetence: | ||||
Cílem předmětu je obeznámit studenty s počítačovými metodami používanými ke studiu vztahů mezi mikrostrukturou a fyzikálními vlastnostmi materiálů. Předmět poskytne základní teoretické a praktické dovednosti pro studium nanostruktur interagujících mnohočásticových soustav a pro simulace mezoskopických a makroskopických soustav založených na jejich kontinuálním popisu. | ||||
Prerekvizity: | ||||
Předpokládá se znalost matematiky na úrovni 2. ročníku FSI (derivace funkcí více proměnných, základy teorie pravděpodobnosti, numerické metody) a základní znalosti programování. | ||||
Obsah předmětu (anotace): | ||||
Počítačové modelování materiálů je nezbytným nástrojem pro pochopení vztahu mezi mikrostrukturou a fyzikálními vlastnostmi materiálů. Atomární metody založené na empirických a semiempirických potenciálech dnes představují účinné a běžně používané nástroje pro počítačové simulace chování nanostruktur, jako např. nanotrubky, epitaxní vrstvy, grafen, studia radiačního poškození nebo pohybu dislokací pod napětím. Spinové metody řešené metodou Monte Carlo a kontinuální mezoskopické modely jsou hojně využívány pro studia uspořádávání tuhých roztoků, fázové přechody v multiferoikách a jejich ovlivnění defekty krystalické mřížky. Makroskopické studie metodou konečných prvků, do kterých jsou v poslední době implementovány výsledky atomárních a mezoskopických studií, představují stěžejní nástroj pro predikci makroskopického chování reálných struktur. V tomto kurzu získají studenti základní teoretické znalosti o metodách počítačového modelování materiálů od úrovně interagujících atomů až po jejich makroskopický kontinuální popis a způsobech vizualizace získaných dat. | ||||
Metody vyučování: | ||||
Cílem přednášek je obeznámit studenty s teoretickým popisem jednotlivých modelů, jejich analýzou, popř. analytickým řešením. Cvičení budou zaměřena na pochopení jednotlivých simulačních metod, jejich počítačovou implementaci a využití k řešení konkrétních problémů. | ||||
Způsob a kritéria hodnocení: | ||||
Na konci semestru získá každý student zadání samostatné práce, které se bude vztahovat k některé z probíraných metod. Výstupem každého zadání bude vytvoření, popř. modifikace existujícího simulačního programu, jeho využití pro řešení daného problému a písemná zpráva shrnující formulaci problému, průběh a hlavní výsledky těchto simulací. Předmětem zkoušky bude ústní obhajoba této práce. | ||||
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky: | ||||
Cvičení jsou povinná a neúčast na cvičeních musí být omluvena. V případě neúčasti na cvičení student vypracuje ze cvičení protokol a prokáže vyučujícímu, že danou problematiku pochopil. | ||||
Typ (způsob) výuky: | ||||
Přednáška | 10 × 2 hod. | nepovinná | ||
Osnova: | ||||
Přednáška | Cílem přednášek je obeznámit studenty s teoretickým popisem jednotlivých modelů, jejich analýzou, popř. analytickým řešením. Tématické okruhy přednášek: 1. Modelování vztahů mezi mikrostrukturou a fyzikálními vlastnostmi, historie a současnost. 2. Rovnovážná statistická mechanika, spinové modely a jejich řešení metodou středového pole. 3. Fázový prostor, fázová trajektorie, ergodický teorém, entropie. 4. Numerické metody minimalizace funkcí N proměnných. 5. Krystalografie a symetrie v reálném a reciprokém prostoru. 6. Molekulární statika, určení atomárních sil, energií a napětí v mnohočásticových soustavách. 7. Molekulární dynamika, stabilita numerické integrace pohybových rovnic, termostaty a barostaty. 8. Pokročilejší interakční potenciály a jejich fyzikální význam. 9. Mezoskopické modely založené na metodě fázového pole. 10. Metoda fázového pole krystalu. 11. Metody určení dráhy minimální energie soustavy. 12. Metoda konečných prvků, tvarové funkce a elasticita. 13. Moderní trendy v počítačových studiích materiálů. |
|||
Literatura - základní: | ||||
1. M. P. Allen, D. J. Tildesley: Computer simulation of liquids. Clarendon Press (1987). | ||||
2. D. Frenkel, B. Smith: Understanding molecular simulation. Academic Press (2002). | ||||
3. J. P. Sethna: Statistical mechanics: Entropy, order parameters, and complexity. Oxford University Press |
Zařazení předmětu ve studijních programech: | |||||||||
Program | Forma | Obor | Spec. | Typ ukončení | Kredity | Povinnost | St. | Roč. | Semestr |
D-MAT-P | prezenční studium | --- bez specializace | -- | drzk | 0 | Doporučený kurs | 3 | 1 | Z |
D-MAT-K | kombinované studium | --- bez specializace | -- | drzk | 0 | Doporučený kurs | 3 | 1 | Z |
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta strojního inženýrství
Technická 2896/2,
616 69 Brno
IČ 00216305
DIČ CZ00216305
+420 541 141 111
+420 726 811 111 – GSM O2
+420 604 071 111 – GSM T-mobile