材料科學(xué)的發(fā)展始終與人類(lèi)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(mǎn)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(shū)的撰寫(xiě)，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(zhuān)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?xún)?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(mǎn)足多學(xué)科交叉背景下的研究需求�；�于此，本書(shū)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(shū)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(shū)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(zhuān)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(lèi)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(kāi)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(shū)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(xiě)。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(shū)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(shū)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(shū)的工程實(shí)踐價(jià)值。
本書(shū)的編寫(xiě)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(shū)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