本书围绕材料模拟技术展开系统论述。编写意图在于为材料科学领域提供全面、系统的参考，助力研究者、工程师及学生深入理解并运用该技术。本书内容涵盖材料模拟技术的基本原理、数值方法、软件工具，详细介绍从原子到宏观尺度的模拟方法及 VASP、Materials Studio 等多种软件，并深入探讨功能材料、高分子材料、建筑材料等领域的模拟应用，展示实际案例，并展望了多尺度计算融合、人工智能应用等未来发展方向。本书注重理论与实践结合，既有基础理论讲解，又有丰富的应用实例，推动从传统 试错法 向精准计算设计转变。本书适合材料科学研究者、工程师及相关专业学生阅读，可作为其学习材料模拟技术、开展科研工作和工程实践的参考书籍。

材料科学的发展始终与人类文明的进步息息相关，从石器时代到信息时代，每一次材料的革新都推动着社会生产力的跨越式发展。在当下新工科建设与双碳目标的时代背景下，材料科学正朝着智能化、绿色化、功能化方向深度演进，传统实验研究已难以满足新材料研发的效率需求与理论深度要求。在此背景下，材料模拟技术凭借其在原子尺度机制解析、宏观性能预测及多尺度耦合分析等方面的独特优势，成为连接材料理论设计与工程应用的关键桥梁。本书的撰写，旨在系统梳理材料模拟的核心理论、主流方法及典型应用，为材料学科研究者与工程技术人员提供兼具学术深度与实践价值的专业参考。
进入21世纪以来，材料模拟技术在第一性原理、分子动力学、有限元分析等方法的推动下，已从辅助研究手段发展为独立的学科分支。无论是能源材料领域的氢能存储机制探索，还是建筑材料领域的混凝土耐久性优化，材料模拟均展现出精准预测与机理解析的双重价值。然而，当前国内相关著作或侧重理论推导而缺乏工程案例，或聚焦单一软件应用而忽视方法体系构建，难以满足多学科交叉背景下的研究需求。基于此，本书以理论-方法-软件-应用为主线，既整合材料模拟的基础理论框架，又结合大连海洋大学在海洋工程材料、能源材料等领域的研究积累，力求填补这一空白，为材料模拟技术的普及与创新提供系统性支撑。
本书共设7章，构建了基础理论-数值方法-软件工具-材料应用-未来趋势的完整体系：第1章绪论梳理材料模拟的学科脉络与发展历程；第2章系统阐释第一性原理计算、分子动力学、蒙特卡罗及有限元等核心数值方法的原理与适用场景，为读者奠定理论基础；第3章聚焦VASP、Materials Studio、Gaussian、ANSYS、ABAQUS等主流模拟软件，从理论基础、应用领域、操作流程到技术优势进行深度解析，兼具技术手册的实用性与学术著作的严谨性；第4章至第6章分别针对功能材料（氢能、磁性、极端环境材料）、高分子材料（橡胶、塑料）、建筑材料（混凝土、钢材），结合大连海洋大学在海洋工程中的研究实践，通过具体模拟案例展示技术落地路径；第7章基于当前技术瓶颈与学科前沿，从多尺度耦合、人工智能融合、绿色模拟等方向展望材料模拟的发展蓝图，为研究者提供创新思路。
本书适用于材料科学与工程、化学工程、土木工程、海洋工程等专业的高年级本科生、研究生及科研工作者，亦可供从事新材料研发的企业技术人员参考。对于初学者，建议按绪论数值方法软件工具的顺序循序渐进，重点掌握各类方法的适用边界；对于有一定基础的研究者，可直接从第4章开始，结合自身研究领域（如氢能存储、混凝土耐久性）查阅对应模拟案例；工程技术人员则可重点关注第3章的软件操作与第6章、第7章的应用实践，将模拟技术与实际工程问题结合。
本书由大连海洋大学海洋科技与环境学院牛雪莲和海洋与土木工程学院刘昌凤老师共同编写。特别感谢大连海洋大学海洋与土木工程学院陈昌平教授对本书的指导与支持。陈昌平教授在材料模拟技术与海洋工程交叉领域的学术洞见，为本书的框架设计与内容深度提供了重要启发；其在建筑材料模拟方向的研究成果，亦被有机融入相关章节，提升了本书的工程实践价值。
本书的编写还得到了大连海洋大学学科建设项目的支持，以及多名学生在文献整理、案例验证方面的协助。由于材料模拟技术发展迅速，书中难免存在疏漏之处，恳请读者批评指正，以便后续修订完善。

著者
2025年5月

无

第1章 绪论001

第2章 材料模拟的数值方法004
2.1 第一性原理计算方法004
2.2 分子动力学方法007
2.3 蒙特卡罗方法014
2.4 有限元方法016

第3章 材料模拟的软件与工具020
3.1 VASP 022
3.1.1 VASP 软件的理论基础022
3.1.2 VASP 软件的应用领域023
3.1.3 VASP 软件的特色功能与技术优势024
3.1.4 VASP 软件界面展示025
3.1.5 操作流程026
3.2 Materials Studio 027
3.2.1 MS 软件的应用领域027
3.2.2 Materials Studio 软件的特色功能与技术优势029
3.3 Gaussian 031
3.3.1 Gaussian 软件的应用领域031
3.3.2 Gaussian 软件的特色功能与技术优势032
3.3.3 Gaussian 软件的界面033
3.4 ANSYS 034
3.4.1 Ansys 的主要核心模块035
3.4.2 Ansys 的应用领域036
3.4.3 Ansys 的技术优势038
3.5 ABAQUS 039
3.5.1 ABAQUS 软件的功能模块040
3.5.2 ABAQUS 软件的应用领域040
3.5.3 ABAQUS 软件未来的发展趋势041

第4章 功能材料的模拟043
4.1 能源材料-氢能044
4.1.1 金属氢化物储氢模拟046
4.1.2 配位氢化物储氢模拟050
4.1.3 碳基纳米储氢模拟053
4.1.4 有机液体储氢模拟057
4.2 磁性材料059
4.3 极端环境材料062
4.3.1 高温合金的模拟062
4.3.2 高熵合金的模拟065

第5章 高分子材料的模拟070
5.1 橡胶071
5.1.1 橡胶分类及特性072
5.1.2 橡胶的模拟方法075
5.1.3 橡胶模拟的典型应用案例079
5.2 塑料080
5.2.1 塑料的组成成分与物理性能081
5.2.2 塑料的模拟方法084
5.2.3 塑料模拟的典型应用案例086

第6章 建筑材料的模拟089
6.1 混凝土089
6.1.1 混凝土的组成及特性090
6.1.2 混凝土的模拟方法097
6.1.3 混凝土模拟的典型应用案例100
6.2 钢材102
6.2.1 钢材的结构与物理性能103
6.2.2 钢材的模拟方法106
6.2.3 钢材模拟的典型应用案例109

第7章 材料模拟的发展方向112

参考文献116