CN116306058B - 坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请属于分析坩埚热应力技术领域，公开了一种坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质，该方法包括：获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，通过仿真软件，构建对应的内置物料模型的坩埚模型，确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，确定热膨胀应变数据的计算方程，基于上述条件和数据，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据，通过设置黏附接触关系并添加塑性节点，模拟不同情况的热应力分析，提高了分析坩埚热应力的效率和准确度。
Description
技术领域
本申请涉及分析坩埚热应力技术领域，具体而言，涉及一种坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
分子束外延（MBE）工艺是新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。MBE是半导体产业中研制与生产高端器件不可或缺的装备。源炉作为MBE设备中的关键核心部件，其性能对于MBE 设备的整体性能具有决定性的影响。而坩埚则是源炉中核心的加热容器。由于加热物料与坩埚的热膨胀系数不同，因此坩埚不仅要承受自身在升降温过程中产生的热应力，还要承受与物料之间因热膨胀系数不同而产生的失配应力，在坩埚的重复使用中，这些应力可能对坩埚的安全性产生威胁。
在现实中，通过实验测试对坩埚的受力进行测试分析非常困难并且效率低下、成本高昂。因此建立相应的热应力分析模型，对坩埚的热应力进行理论分析，提高了坩埚热应力的分析效率，且通过探索影响坩埚热应力的影响因素能够提供坩埚改良方向，可以极大地节约试验成本。
发明内容
本申请的目的在于提供一种坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
第一方面，本申请提供了一种坩埚热应力的影响分析方法，用于分析坩埚热应力的影响因素，包括步骤：
获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型；所述物料模型设置在所述坩埚模型内；
确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
根据所述材料参数和所述热膨胀条件，确定所述物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
本申请提供的坩埚热应力的影响分析方法可以实现对坩埚热应力的影响因素进行分析，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
可选地，通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型，包括：
通过所述仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型；
在所述坩埚模型内构建与所述第二结构参数对应的物料模型。
可选地，确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，包括：
设定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系；
设置所述坩埚模型的第一材料参数，并确定对应的塑性节点，以及设置所述物料模型的第二材料参数，并确定对应的塑性节点；
设置所述坩埚模型和所述物料模型的热膨胀条件。
本申请提供的坩埚热应力的影响分析方法可以实现对坩埚热应力的影响因素进行分析，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性。
可选地，设置所述坩埚模型和所述物料模型的热膨胀条件，包括：
设置所述坩埚模型和所述物料模型的空间为固体力学物理场；
在所述坩埚模型底部设置固定约束。
可选地，所述预设的温度条件为将加热温度在预设周期内以预设的平均升温速度从初始温度升到预设温度；所述预设的模型划分条件为对所述坩埚模型进行网格划分；所述预设的求解器设置为将求解器设定为采用隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置。
可选地，所述不同情况包括坩埚倾角不同的情况、加热物料高度不同的情况、加热物料材质不同的情况和坩埚材质不同的情况。
可选地，基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的应力场分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据，包括：
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的坩埚倾角，计算在坩埚倾角不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到不同坩埚倾角情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的高度，计算在加热物料高度不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料高度不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的材质，计算在加热物料材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的材质，计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
本申请提供的坩埚热应力的影响分析方法可以实现对坩埚热应力的影响因素进行分析，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
第二方面，本申请提供了一种坩埚热应力的影响分析装置，用于分析坩埚热应力的影响因素，包括：
获取模块，用于获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
建模模块，用于通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型；所述物料模型设置在所述坩埚模型内；
设置模块，用于确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
确定模块，用于根据所述材料参数和所述热膨胀条件，确定所述物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
分析模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
该坩埚热应力的影响分析装置，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，运行如前文所述坩埚热应力的影响分析方法中的步骤。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如前文所述坩埚热应力的影响分析方法中的步骤。
有益效果：
本申请提供的坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的坩埚热应力的影响分析方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的坩埚热应力的影响分析装置的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
图4为铝的弹性模量的变化曲线示意图。
图5为铝的热膨胀系数的变化曲线示意图。
图6为坩埚应力场分布数据的示意图。
图7为坩埚倾角等于2°的坩埚应力场分布数据的示意图。
图8为坩埚倾角等于4°的坩埚应力场分布数据的示意图。
图9为坩埚倾角等于6°的坩埚应力场分布数据的示意图。
图10为坩埚倾角等于8°的坩埚应力场分布数据的示意图。
标号说明：1、获取模块；2、建模模块；3、设置模块；4、确定模块；5、分析模块；301、处理器；302、存储器；303、通信总线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种坩埚热应力的影响分析方法，用于分析坩埚热应力的影响因素，包括步骤：
步骤S101,获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
步骤S102,通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型；物料模型设置在坩埚模型内；
步骤S103,确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
步骤S104,根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
步骤S105,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
该坩埚热应力的影响分析方法，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
具体地，获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，第一结构参数和第二结构参数包括形状和尺寸等数据。
具体地，步骤S102包括：
通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型；
在坩埚模型内构建与第二结构参数对应的物料模型。
在步骤S102中，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型，构建与第二结构参数对应的物料模型，设定物料模型在坩埚模型内，且物料模型与坩埚模型密切相接，以模拟加热物料在熔液凝固后的情形。可根据实际需要选用现有技术中的建模软件和仿真软件，对坩埚和加热物料进行建模。
考虑到坩埚的对称性，对坩埚模型进行轴对称简化。在仿真软件中进行了轴对称的二维简化建模，为了避免出现拐角产生集中应力的情况，对坩埚模型的底部进行了倒角。
具体地，步骤S103包括：
设定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系；
设置坩埚模型的第一材料参数，并确定对应的塑性节点，以及设置物料模型的第二材料参数，并确定对应的塑性节点；
设置坩埚模型和物料模型的热膨胀条件。
需要说明的是，热膨胀条件包括加热时的立场空间和约束条件，即设置固体力学物理场作为立场空间，设置坩埚模型底部固定约束作为约束条件。
通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性。
例如，在步骤S103中，通过仿真软件，设置坩埚模型和物料模型的材料参数，如材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量和热膨胀系数等参数。
例如，假设物料模型的材料为铝，铝的屈服应力设为100MPa，各向同性切线模量设置为15GPa。设置铝的弹性模量随温度而变化，其变化曲线具体如图4所示，其中，弹性模量E的单位为MPa，T为温度，单位为K，铝的弹性模量随温度升高而降低。设置铝的热膨胀系数随温度变化，其变化曲线具体如图5所示，其中，热膨胀系数R的单位为1/K，T为温度，单位为K，铝的热膨胀系随温度升高而升高。物料模型的材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量、热膨胀系数可根据实际需要进行设置，但不限于此。
设定坩埚材料为热解氮化硼（PBN），热解氮化硼（PBN）的弹性模量设置为23.4GPa，热膨胀系数设置为4.8e-6，单位为1/K，屈服应力设为150MPa，各向同性切线模量设为15GPa。坩埚模型的材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量、热膨胀系数可根据实际需要进行设置，但不限于此。
在步骤S103中，在加热过程中，坩埚与加热物料会出现热膨胀变形而失配的情况，当出现热膨胀变形而失配的情况时，坩埚与加热物料之间会产生很大的应力，足以使坩埚发生塑性变形，因此，在构建模型时，需要在线弹性材料节点下添加塑性节点，并设定对应的塑性变形参数，设置塑性节点能够提高坩埚模型与物料模型在外力作用下的抵抗变形能力。
在步骤S103中，由于坩埚与加热物料并非一个整体，可能会发生相互移动，因此将物料模型的外表面与坩埚模型的内表面设置为接触面，并在固体力学模块接触节点下添加黏附节点，即将物料模型与坩埚模型设置为黏附接触关系，通过黏附接触关系可以令加热物料和坩埚在热变形过程中出现变形不协调的情况时产生相对滑移，使模拟情景更符合实际工况，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性。
具体地，设置坩埚模型和物料模型的热膨胀条件，包括：
设置坩埚模型和物料模型的空间为固体力学物理场；
在坩埚模型底部设置固定约束。
在仿真软件中，设置热膨胀条件，即添加固体力学物理场，通过在坩埚模型底部设置固定约束（如将坩埚模型底部固定在某个点上）以限制模型的刚体位移，以模拟坩埚的静态变形，保证模型的收敛性。
具体地，在步骤S104中，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，即在热膨胀条件下（即固体力学物理场和坩埚模型底部的固定约束），根据设定的材料参数，确定加热材料（物料模型）的热膨胀应变数据的计算方程，热膨胀应变数据的计算方程具体为：
；
其中，εth为热膨胀应变数据，α（T）为物料模型的热膨胀系数，T为物料模型在加热时的温度，Tref为参考温度，参考温度设置为室温。
具体地，预设的温度条件为将加热温度在预设周期内以预设的平均升温速度从初始温度升到预设温度，预设的模型划分条件为对坩埚模型进行网格划分，预设的求解器设置为将求解器设定为采用隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置。其中，温度条件、模型划分条件和求解器设置可根据实际需要进行设置，但不限于此。
例如，温度条件可以设置为加热温度随时间逐渐升高，每秒升温1K，升温持续500s，直到加热温度升到500℃左右。
模型划分条件可以设置为网格划分，最小网格尺寸约为1mm，网格总数约1万，在模拟过程中细化坩埚网格以提高计算热应力的准确度。
求解器可以设置为MUMPS求解器、隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置，通过全耦合的方式对热场和位移场进行求解，其中，初始步长选取0.001s以保证收敛性。
具体地，不同情况包括坩埚倾角不同的情况、加热物料高度不同的情况、加热物料材质不同的情况和坩埚材质不同的情况。
坩埚倾角不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调节坩埚的倾角，以研究不同坩埚倾角时坩埚中的受力情况。
加热物料高度不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调节加热物料的高度，以研究不同加热物料高度时坩埚中的受力情况。
加热物料材质不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调整加热物料的材质，以研究不同加热物料材质时坩埚中的受力情况。
坩埚材质不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调整坩埚的材质，以研究不同坩埚材质时坩埚中的受力情况。
具体地，步骤S105包括：
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节坩埚模型的坩埚倾角，计算在坩埚倾角不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到不同坩埚倾角情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节物料模型的高度，计算在加热物料高度不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料高度不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节物料模型的材质，计算在加热物料材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节坩埚模型的材质，计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
在步骤S105中，通过仿真软件或建模软件，利用软件自带的模拟设置，设置黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和热膨胀应变数据的计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算坩埚应力场分布数据，计算坩埚应力场分布数据采用现有的计算方法或者由仿真软件或建模软件自动计算。
例如，通过仿真软件或建模软件，将物料模型设置在坩埚模型内，坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，设置坩埚模型的材质为热解氮化硼，添加对应的塑性节点并确定对应的材料参数，设置物料模型的材质为铝，添加对应的塑性节点并确定对应的材料参数，设置坩埚模型和物料模型的空间为固体力学物理场，在坩埚模型底部设置固定约束，设置温度条件为加热温度随时间逐渐升高到500℃，热膨胀应变数据的计算方程为计算铝在加热到500℃时的热膨胀应变数据的计算公式，模型划分条件为网格划分，求解器设置为MUMPS求解器、隐式求解方法和广义α时间步进方法。基于上述设置，计算坩埚应力场分布数据，坩埚应力场分布数据具体如图6所示，其中，左边坐标系的横坐标为坩埚的宽度，纵坐标为坩埚的高度，单位为cm，右边长方条为坩埚热应力，单位为MPa，上边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最大值，下边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最小值。可通过调整坩埚倾角，研究不同倾角时坩埚中的受力情况，通过计算不同坩埚倾角情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚倾角对坩埚热应力的影响结果，在不同坩埚倾角情况下的坩埚应力场分布数据具体如图7、图8、图9、图10，其中，图7为坩埚倾角等于2°的坩埚应力场分布数据的示意图，图8为坩埚倾角等于4°的坩埚应力场分布数据的示意图，图9为坩埚倾角等于6°的坩埚应力场分布数据的示意图，图10为坩埚倾角等于8°的坩埚应力场分布数据的示意图，上述数据左边坐标系的横坐标为坩埚的宽度，纵坐标为坩埚的高度，单位为cm，右边长方条为坩埚热应力，坩埚热应力单位为Pa（1MPa=1000000Pa），上边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最大值，下边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最小值，对比上述数据右边的最大坩埚热应力，可以发现，当坩埚倾角增大时，坩埚内热应力会逐渐降低。因此在一些坩埚生产时，可以根据需求适当为坩埚增加倾角。
在实际应用中，通过此方法构建的模型，可以探讨不同坩埚材质、不同加热物料材质、以及不同加热物料高度和不同坩埚倾角等情况下的坩埚热应力。通过分析不同情况中的坩埚热应力，可以探索降低坩埚受力从而降低坩埚的破裂风险的调整方向。但探讨的不同情况不限于此。
由上可知，该坩埚热应力的影响分析方法，通过获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型，物料模型设置在坩埚模型内，确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；从而，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
参考图2，本申请提供了一种坩埚热应力的影响分析装置，用于分析坩埚热应力的影响因素，包括：
获取模块1，用于获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
建模模块2，用于通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型；物料模型设置在坩埚模型内；
设置模块3，用于确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
确定模块4，用于根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
分析模块5，用于基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
该坩埚热应力的影响分析装置，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
具体地，获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，第一结构参数和第二结构参数包括形状和尺寸等数据。
具体地，建模模块2在通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型的时候，执行：
通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型；
在坩埚模型内构建与第二结构参数对应的物料模型。
在建模模块2执行时，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型，构建与第二结构参数对应的物料模型，设定物料模型在坩埚模型内，且物料模型与坩埚模型密切相接，以模拟加热物料在熔液凝固后的情形。可根据实际需要选用现有技术中的建模软件和仿真软件，对坩埚和加热物料进行建模。
考虑到坩埚的对称性，对坩埚模型进行轴对称简化。在仿真软件中进行了轴对称的二维简化建模，为了避免出现拐角产生集中应力的情况，对坩埚模型的底部进行了倒角。
具体地，设置模块3在确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件的时候，执行：
设定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系；
设置坩埚模型的第一材料参数，并确定对应的塑性节点，以及设置物料模型的第二材料参数，并确定对应的塑性节点；
设置坩埚模型和物料模型的热膨胀条件。
需要说明的是，热膨胀条件包括加热时的立场空间和约束条件，即设置固体力学物理场作为立场空间，设置坩埚模型底部固定约束作为约束条件。
通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性。
例如，在设置模块3执行时，通过仿真软件，设置坩埚模型和物料模型的材料参数，如材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量和热膨胀系数等参数。
例如，假设物料模型的材料为铝，铝的屈服应力设为100MPa，各向同性切线模量设置为15GPa。设置铝的弹性模量随温度而变化，其变化曲线具体如图4所示，其中，弹性模量E的单位为MPa，T为温度，单位为K，铝的弹性模量随温度升高而降低。设置铝的热膨胀系数随温度变化，其变化曲线具体如图5所示，其中，热膨胀系数R的单位为1/K，T为温度，单位为K，铝的热膨胀系随温度升高而升高。物料模型的材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量、热膨胀系数可根据实际需要进行设置，但不限于此。
设定坩埚材料为热解氮化硼（PBN），热解氮化硼（PBN）的弹性模量设置为23.4GPa，热膨胀系数设置为4.8e-6，单位为1/K，屈服应力设为150MPa，各向同性切线模量设为15GPa。坩埚模型的材料、屈服应力、各向同性切线模量、弹性模量、热膨胀系数可根据实际需要进行设置，但不限于此。
在设置模块3执行时，在加热过程中，坩埚与加热物料会出现热膨胀变形而失配的情况，当出现热膨胀变形而失配的情况时，坩埚与加热物料之间会产生很大的应力，足以使坩埚发生塑性变形，因此，在构建模型时，需要在线弹性材料节点下添加塑性节点，并设定对应的塑性变形参数，设置塑性节点能够提高坩埚模型与物料模型在外力作用下的抵抗变形能力。
在设置模块3执行时，由于坩埚与加热物料并非一个整体，可能会发生相互移动，因此将物料模型的外表面与坩埚模型的内表面设置为接触面，并在固体力学模块接触节点下添加黏附节点，即将物料模型与坩埚模型设置为黏附接触关系，通过黏附接触关系可以令加热物料和坩埚在热变形过程中出现变形不协调的情况时产生相对滑移，使模拟情景更符合实际工况，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性。
具体地，设置坩埚模型和物料模型的热膨胀条件，包括：
设置坩埚模型和物料模型的空间为固体力学物理场；
在坩埚模型底部设置固定约束。
在仿真软件中，设置热膨胀条件，即添加固体力学物理场，通过在坩埚模型底部设置固定约束（如将坩埚模型底部固定在某个点上）以限制模型的刚体位移，以模拟坩埚的静态变形，保证模型的收敛性。
具体地，在确定模块4执行时，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，即在热膨胀条件下（即固体力学物理场和坩埚模型底部的固定约束），根据设定的材料参数，确定加热材料（物料模型）的热膨胀应变数据的计算方程，热膨胀应变数据的计算方程具体为：
；
其中，εth为热膨胀应变数据，α（T）为物料模型的热膨胀系数，T为物料模型在加热时的温度，Tref为参考温度，参考温度设置为室温。
具体地，预设的温度条件为将加热温度在预设周期内以预设的平均升温速度从初始温度升到预设温度，预设的模型划分条件为对坩埚模型进行网格划分，预设的求解器设置为将求解器设定为采用隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置。其中，温度条件、模型划分条件和求解器设置可根据实际需要进行设置，但不限于此。
例如，温度条件可以设置为加热温度随时间逐渐升高，每秒升温1K，升温持续500s，直到加热温度升到500℃左右。
模型划分条件可以设置为网格划分，最小网格尺寸约为1mm，网格总数约1万，在模拟过程中细化坩埚网格以提高计算热应力的准确度。
求解器可以设置为MUMPS求解器、隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置，通过全耦合的方式对热场和位移场进行求解，其中，初始步长选取0.001s以保证收敛性。
具体地，不同情况包括坩埚倾角不同的情况、加热物料高度不同的情况、加热物料材质不同的情况和坩埚材质不同的情况。
坩埚倾角不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调节坩埚的倾角，以研究不同坩埚倾角时坩埚中的受力情况。
加热物料高度不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调节加热物料的高度，以研究不同加热物料高度时坩埚中的受力情况。
加热物料材质不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调整加热物料的材质，以研究不同加热物料材质时坩埚中的受力情况。
坩埚材质不同的情况为保证其他条件不变的情况下，调整坩埚的材质，以研究不同坩埚材质时坩埚中的受力情况。
具体地，分析模块5在基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的应力场分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据的时候，执行：
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节坩埚模型的坩埚倾角，计算在坩埚倾角不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到不同坩埚倾角情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节物料模型的高度，计算在加热物料高度不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料高度不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节物料模型的材质，计算在加热物料材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节坩埚模型的材质，计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
在分析模块5执行时，通过仿真软件或建模软件，利用软件自带的模拟设置，设置黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和热膨胀应变数据的计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算坩埚应力场分布数据，计算坩埚应力场分布数据采用现有的计算方法或者由仿真软件或建模软件自动计算。
例如，通过仿真软件或建模软件，将物料模型设置在坩埚模型内，坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，设置坩埚模型的材质为热解氮化硼，添加对应的塑性节点并确定对应的材料参数，设置物料模型的材质为铝，添加对应的塑性节点并确定对应的材料参数，设置坩埚模型和物料模型的空间为固体力学物理场，在坩埚模型底部设置固定约束，设置温度条件为加热温度随时间逐渐升高到500℃，热膨胀应变数据的计算方程为计算铝在加热到500℃时的热膨胀应变数据的计算公式，模型划分条件为网格划分，求解器设置为MUMPS求解器、隐式求解方法和广义α时间步进方法。基于上述设置，计算坩埚应力场分布数据，坩埚应力场分布数据具体如图6所示，其中，左边坐标系的横坐标为坩埚的宽度，纵坐标为坩埚的高度，单位为cm，右边长方条为坩埚热应力，单位为MPa，上边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最大值，下边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最小值。可通过调整坩埚倾角，研究不同倾角时坩埚中的受力情况，通过计算不同坩埚倾角情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚倾角对坩埚热应力的影响结果，在不同坩埚倾角情况下的坩埚应力场分布数据具体如图7、图8、图9、图10，其中，图7为坩埚倾角等于2°的坩埚应力场分布数据的示意图，图8为坩埚倾角等于4°的坩埚应力场分布数据的示意图，图9为坩埚倾角等于6°的坩埚应力场分布数据的示意图，图10为坩埚倾角等于8°的坩埚应力场分布数据的示意图，上述数据左边坐标系的横坐标为坩埚的宽度，纵坐标为坩埚的高度，单位为cm，右边长方条为坩埚热应力，坩埚热应力单位为Pa（1MPa=1000000Pa），上边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最大值，下边三角形对应的数值表示坩埚热应力的最小值，对比上述数据右边的最大坩埚热应力，可以发现，当坩埚倾角增大时，坩埚内热应力会逐渐降低。因此在一些坩埚生产时，可以根据需求适当为坩埚增加倾角。
在实际应用中，通过此装置构建的模型，可以探讨不同坩埚材质、不同加热物料材质、以及不同加热物料高度和不同坩埚倾角等情况下的坩埚热应力。通过分析不同情况中的坩埚热应力，可以探索降低坩埚受力从而降低坩埚的破裂风险的调整方向。但探讨的不同情况不限于此。
由上可知，该坩埚热应力的影响分析装置，通过获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型，物料模型设置在坩埚模型内，确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；从而，通过模拟加热时坩埚和物料的热膨胀情况，设置对应的参数和条件，以实现对坩埚热应力的影响分析，通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点，提高了模拟的真实性和分析结果的准确性，通过不同情况的模拟计算，分析坩埚的热应力情况，提高了坩埚热应力的分析效率。
请参照图3，图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机程序，当电子设备运行时，处理器301执行该计算机程序，以执行上述实施例的任一可选的实现方式中的坩埚热应力的影响分析方法，以实现以下功能：获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型，物料模型设置在坩埚模型内，确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的坩埚热应力的影响分析方法，以实现以下功能：获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数，通过仿真软件，构建与第一结构参数对应的坩埚模型和与第二结构参数对应的物料模型，物料模型设置在坩埚模型内，确定坩埚模型和物料模型为黏附接触关系，并设置坩埚模型和物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，根据材料参数和热膨胀条件，确定物料模型的热膨胀应变数据的计算方程，基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、热膨胀条件和计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种坩埚热应力的影响分析方法，用于分析坩埚热应力的影响因素，其特征在于，包括步骤：
获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型；所述物料模型设置在所述坩埚模型内；
确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
根据所述材料参数和所述热膨胀条件，确定所述物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的应力场分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据，包括：
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的坩埚倾角，计算在坩埚倾角不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到不同坩埚倾角情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的高度，计算在加热物料高度不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料高度不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的材质，计算在加热物料材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的材质，计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
2.根据权利要求1所述的坩埚热应力的影响分析方法，其特征在于，通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型，包括：
通过所述仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型；
在所述坩埚模型内构建与所述第二结构参数对应的物料模型。
3.根据权利要求1所述的坩埚热应力的影响分析方法，其特征在于，确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件，包括：
设定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系；
设置所述坩埚模型的第一材料参数，并确定对应的塑性节点，以及设置所述物料模型的第二材料参数，并确定对应的塑性节点；
设置所述坩埚模型和所述物料模型的热膨胀条件。
4.根据权利要求3所述的坩埚热应力的影响分析方法，其特征在于，设置所述坩埚模型和所述物料模型的热膨胀条件，包括：
设置所述坩埚模型和所述物料模型的空间为固体力学物理场；
在所述坩埚模型底部设置固定约束。
5.根据权利要求1所述的坩埚热应力的影响分析方法，其特征在于，所述预设的温度条件为将加热温度在预设周期内以预设的平均升温速度从初始温度升到预设温度；所述预设的模型划分条件为对所述坩埚模型进行网格划分；所述预设的求解器设置为将求解器设定为采用隐式求解方法和广义α时间步进方法的设置。
6.一种坩埚热应力的影响分析装置，用于分析坩埚热应力的影响因素，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取坩埚的第一结构参数和加热物料的第二结构参数；
建模模块，用于通过仿真软件，构建与所述第一结构参数对应的坩埚模型和与所述第二结构参数对应的物料模型；所述物料模型设置在所述坩埚模型内；
设置模块，用于确定所述坩埚模型和所述物料模型为黏附接触关系，并设置所述坩埚模型和所述物料模型的材料参数、塑性节点和热膨胀条件；
确定模块，用于根据所述材料参数和所述热膨胀条件，确定所述物料模型的热膨胀应变数据的计算方程；
分析模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，计算不同情况下所述坩埚模型的热应力分布数据，得到不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
所述分析模块包括：
第一分析子模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的坩埚倾角，计算在坩埚倾角不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到不同坩埚倾角情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
第二分析子模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的高度，计算在加热物料高度不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料高度不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
第三分析子模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述物料模型的材质，计算在加热物料材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到加热物料材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据；
第四分析子模块，用于基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述热膨胀条件和所述计算方程，结合预设的温度条件、预设的模型划分条件和预设的求解器设置，通过调节所述坩埚模型的材质，计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力场分布数据，得到坩埚材质不同情况对于坩埚热应力的影响分析结果数据。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，运行如权利要求1-5任一项所述坩埚热应力的影响分析方法中的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-5任一项所述坩埚热应力的影响分析方法中的步骤。
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