CN116956635A - 坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116956635A CN116956635A CN202311060860.XA CN202311060860A CN116956635A CN 116956635 A CN116956635 A CN 116956635A CN 202311060860 A CN202311060860 A CN 202311060860A CN 116956635 A CN116956635 A CN 116956635A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crucible
- model
- stress
- conditions
- setting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 134
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 132
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 104
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 441
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 75
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 66
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 48
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 47
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000035882 stress Effects 0.000 claims description 256
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 144
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 41
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 38
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 9
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 5
- 230000008645 cold stress Effects 0.000 claims description 3
- 238000000048 melt cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 claims 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 20
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 18
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 18
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 16
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 8
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 6
- 239000000306 component Substances 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 2
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
- G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
- G06T17/205—Re-meshing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/04—Constraint-based CAD
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本申请属于分子束外延坩埚应力分析技术领域,公开了一种坩埚熔液冷凝应力分析方法、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物料的第二结构参数,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,并设置材料参数、塑性节点、相变材料节点和物理约束条件,设置坩埚模型和物料模型的传热条件和辐射条件,基于上述条件和数据,结合预设的温度条件、模型划分条件和求解器设置,计算不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析数据,通过设置辐射条件并添加相变材料节点,模拟不同情况的冷凝应力分析,提高了分析坩埚熔液冷凝应力的效率和准确度。
Description
技术领域
本申请涉及分子束外延坩埚应力分析技术领域,具体而言,涉及一种坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
分子束外延(MBE)工艺设备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。坩埚是源炉中核心的加热容器。由于物料与坩埚的热膨胀系数不同,在降温过程中,坩埚内熔液冷凝会对坩埚产生很大的应力,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。因此建立相应的冷凝应力分析模型,对坩埚的冷凝应力进行理论分析,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率,且通过探索影响坩埚熔液冷凝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熔液冷凝应力分析方法、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和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
第一方面,本申请提供了一种坩埚熔液冷凝应力分析方法,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,包括步骤:
获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数;
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、相变材料节点和物理约束条件;
设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
本申请提供的坩埚熔液冷凝应力分析方法可以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响因素进行分析,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,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和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
可选地,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、相变材料节点和物理约束条件,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和相变材料节点;
设置所述坩埚模型和所述物料模型的物理约束条件。
本申请提供的坩埚熔液冷凝应力分析方法可以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响因素进行分析,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,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和相变材料节点,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物理约束条件,包括:
为所述坩埚模型和所述物料模型添加固体力学物理场的设置;
在所述坩埚模型底部设置固定约束。
可选地,设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,包括:
在所述坩埚模型和所述物料模型中添加固体和流体传热模块的设置;
设置所述坩埚模型和所述物料模型的辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对所述坩埚模型进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对所述坩埚模型进行冷却。
可选地,所述预设的温度条件为在上下加热源的作用下将加热温度提升到足以使所述物料模型熔化成液态的预设温度后,撤销所述上下加热源的加热设置,使所述坩埚模型在水冷壁的作用下冷却到室温;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计算所述物料模型与所述坩埚模型之间的应力分布。
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、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝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、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,结合所述预设的温度条件、所述预设的模型划分条件和所述预设的求解器设置,计算所述坩埚的应力数据,得到坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述坩埚模型的形状,并计算在坩埚形状不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚形状不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述物料模型的高度,并计算在物料高度不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料高度不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述物料模型的材质,并计算在物料材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述坩埚模型的材质,并计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
本申请提供的坩埚熔液冷凝应力分析方法可以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响因素进行分析,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
第二方面,本申请提供了一种坩埚熔液冷凝应力分析装置,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,包括:
获取模块,用于获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数;
构建模块,用于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、相变材料节点和物理约束条件;
设置模块,用于设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
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、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
该坩埚熔液冷凝应力分析装置,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
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熔液冷凝应力分析方法中的步骤。
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熔液冷凝应力分析方法中的步骤。
有益效果:
本申请提供的坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的坩埚熔液冷凝应力分析方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的坩埚熔液冷凝应力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为过渡函数的变化曲线示意图。
图5为固态物料熔化为液态时的坩埚的温度分布示意图。
图6为固态物料熔化为液态时坩埚的应力分布的示意图。
图7为冷却后坩埚的冷凝应力分布的示意图。
标号说明:1、获取模块;2、构建模块;3、确定模块;4、设置模块;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熔液冷凝应力分析方法,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,包括步骤:
步骤S101,获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数;
步骤S102,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、相变材料节点和物理约束条件;
步骤S104,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
步骤S105,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
该坩埚熔液冷凝应力分析方法,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
具体地,在步骤S101中,获取坩埚的第一结构参数和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,在步骤S102中,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,包括:
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。在实际应用中,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,在步骤S103中,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、相变材料节点和物理约束条件,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和相变材料节点;
设置坩埚模型和物料模型的物理约束条件。
在步骤S103中,由于坩埚与物料并非一个整体,可能会发生相互移动,因此,通过建模软件或仿真软件,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。
在步骤S103中,通过建模软件或仿真软件,设置坩埚模型和物料模型的材料参数,如材质、屈服应力、泊松比、各向同性切线模量、弹性模量和热膨胀系数等参数。在设置材料参数过程中,会考虑物料的加热熔化及冷却凝固的相变过程,由于高温熔液对坩埚的作用力可忽略不计,因此可忽略物料熔液的热膨胀变形,并将物料的弹性模量、泊松比和热膨胀系数设置为随温度变化的函数,使物料在高于熔化温度时的弹性模量、泊松比和热膨胀系数变为可忽略的小量。物料的弹性模量、泊松比和热膨胀系数随温度变化的函数表达式具体为:
;
;
;
其中,E为弹性模量,为弹性模量初始值,/>为泊松比,/>为泊松比初始值,/>为热膨胀系数,/>为热膨胀系数初始值,/>为位于熔化温度处的过渡函数,该函数在低于熔化温度时取值为1,在高于熔化温度时变为一个可以忽略的小量数值,在熔化温度附近平滑过渡。过渡函数使材料的物性参数(材料参数)在固体和液体的状态间能够平滑过渡。如图4所示,图4为过渡函数的变化曲线示意图,其中,横坐标为温度,单位为K,纵坐标为过渡函数,从图4中可知,过渡函数在超过熔化温度后函数值下降为可以忽略的小量,使物料的物性参数在超过熔化温度时变得可以忽略,但是,为了保证模型的收敛性,超过熔化温度的过渡函数并不取零。
例如,假设物料模型的材料为铝,铝的初始屈服应力设为150MPa,各向同性切线模量设置为25GPa,铝的弹性模量初始值设置为,泊松比初始值设置为,热膨胀系数初始值设置为/>,单位为1/K。物料模型的材料、屈服应力、泊松比、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,初始屈服应力设为100MPa,各向同性切线模量设为10GPa。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,在构建坩埚模型与物料模型时,需要在建模软件或仿真软件中设置塑性节点,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,在加热过程中,物料会受热熔化成熔液(液态),在冷却过程中,物料会放热凝固为固态,因此,将物料模型设定为相变材料,并添加相变材料节点,以及设置物料受热熔化成熔液后的凝固温度和相变焓,添加相变材料节点能够使物料从一种相转变为另一种相,确保物料能够在受热过程中因吸热从固相(固态)转变为液相(液态),以及能够在冷却过程中因放热从液相转变为固相。
具体地,在步骤S103中,设置坩埚模型和物料模型的物理约束条件,包括:
为坩埚模型和物料模型添加固体力学物理场的设置;
在坩埚模型底部设置固定约束。
在仿真软件中,设置固体力学物理场的物理场空间,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,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,包括:
在坩埚模型和物料模型中添加固体和流体传热模块的设置;
设置坩埚模型和物料模型的辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对坩埚模型进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对坩埚模型进行冷却。
在步骤S104中,要模拟坩埚的加热及冷却过程,需要设置传热条件和辐射条件,在坩埚模型和物料模型中添加固体和流体传热模块,使物料模型受热熔化成液态时能够与坩埚模型传输热量,以使物料模型能够放热和冷却。考虑加热源、坩埚及水冷壁间的热辐射作用,设置坩埚模型和物料模型受到上下加热源的辐射作用而加热,设置坩埚模型和物料模型受到冷水壁的辐射作用而冷却。通过设置传热条件和辐射条件,使得坩埚模型和物料模型的加热和冷却更符合实际情况。加热源可以但不限于设置为加热丝等发热部件。
例如,将辐射作用的发射率均设置为0.95,水冷壁的对流换热系数设置为,设定加热前的初始温度为室温,并设定上加热源温度为800℃、下加热源温度为1000℃,使坩埚(坩埚模型)在上下加热源的作用下逐渐升温到稳态,在此过程中固态物料(物料模型)发生熔化成为液态,然后撤销上下加热源,坩埚将在水冷壁的作用下逐渐降温,在此过程中,熔液将降温凝固,并对坩埚产生应力,此应力即为冷凝应力。
具体地,预设的温度条件为在上下加热源的作用下将加热温度提升到足以使物料模型熔化成液态的预设温度后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚模型在水冷壁的作用下冷却到室温;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计算物料模型与坩埚模型之间的应力分布。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设置上加热源温度为800℃,设置下加热源温度为1000℃,在上下加热源的作用下将物料熔化成液态后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚在水冷壁的作用下冷却到室温。
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应力计算的准确度。
求解器设置可以设置为计算物料作用于坩埚的应力分布,如设置在物料融化成液态后计算物料与坩埚产生的应力,设置在物料从液态凝固为固态(即坩埚冷却到室温)后计算物料与坩埚产生的应力。
具体地,在步骤S105中,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据,包括:
基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,计算坩埚的应力数据,得到坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节坩埚模型的形状,并计算在坩埚形状不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚形状不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节物料模型的高度,并计算在物料高度不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料高度不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节物料模型的材质,并计算在物料材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节坩埚模型的材质,并计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚材质不同情况对于坩埚熔液冷凝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、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,计算坩埚熔液冷凝应力数据,计算坩埚熔液冷凝应力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,然后将计算得到坩埚熔液冷凝应力数据与坩埚的初始屈服应力作比较,若冷凝应力的最大值大于坩埚的初始屈服应力,表明坩埚发生了塑性变形,需要通过调节坩埚的材料参数或坩埚的材质等因素,以调节坩埚的初始屈服应力,若冷凝应力的最大值小于或等于坩埚的初始屈服应力,表明冷凝应力对坩埚的作用不足以发生塑性变形,坩埚处于正常状态。
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和相变材料节点并确定对应的材料参数,为坩埚模型和物料模型添加固体力学物理场的设置,在坩埚模型底部设置固定约束,设置固体和流体传热模块,设置辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对坩埚进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对坩埚进行冷却,设置温度条件为设置上加热源温度为800℃,设置下加热源温度为1000℃,在上下加热源的作用下将物料熔化成液态后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚在水冷壁的作用下冷却到室温,模型划分条件为网格划分,求解器设置为在物料融化成液态后计算物料与坩埚产生的应力,以及在物料从液态凝固为固态(即坩埚冷却到室温)后计算物料与坩埚产生的应力。
基于上述设置,开始计算坩埚熔液冷凝应力数据:
1)物料模块和坩埚模型在双加热源(即上加热丝温度为800℃、下加热丝1000℃)的作用下升温到稳态,固态物料熔化为液态,此时的温度分布如图5所示,图5为固态物料熔化为液态时的坩埚的温度分布示意图,图5中右边数字为温度,单位为℃,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的温度,从而根据左边坩埚的颜色分布确定左边坩埚的温度分布,例如,右边800℃对应的是最深的颜色,而左边坩埚的最深的颜色在坩埚顶部,从而确定坩埚顶部为800℃。由图5可知,此时坩埚模型上半部受上加热源加热到约800℃,此时坩埚模型下半部受下加热源加热到约1000℃。
2)计算此时坩埚与物料之间的应力,此时应力分布如图6所示,图6为固态物料熔化为液态时坩埚的应力分布的示意图,图6中左边数字为坐标轴网格,单位为mm,图6中右边数字为应力,单位为MPa,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的应力,从而确定左边坩埚的应力分布,由图6可知,坩埚和物料受到很小的应力,几乎可以忽略不计,原因是此时物料被熔化成液态,对坩埚几乎不产生应力。
3)撤销上下加热源的加热设置,使坩埚失去热源,坩埚在水冷壁的作用下将冷却到室温水平。
4)计算冷却后坩埚与物料之间的应力分布,此时的应力为冷凝应力(即坩埚熔液冷凝应力数据),此时的冷凝应力分布如图7所示,图7为冷却后坩埚的冷凝应力分布的示意图,其中,图7中左边数字为坐标轴网格,单位为mm,图7中右边数字为应力,单位为MPa,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的应力,从而确定左边坩埚的应力分布,由图7可知,物料在冷却凝固时产生较大的冷凝应力,冷凝应力的最大值为310MPa,该冷凝应力的最大值大于坩埚的初始屈服应力(坩埚的初始屈服应力设置为100MPa),表明坩埚发生了塑性变形,需要通过调节坩埚的材料参数或坩埚的材质等因素,以调节坩埚的初始屈服应力。
在实际应用中,通过此方法构建的模型,通过调节坩埚模型的形状、物料模型的高度、调节物料模型的材质或调节坩埚模型的材质,可以探讨不同坩埚材质、不同物料材质、以及不同物料高度和不同坩埚形状等情况下的坩埚熔液冷凝应力。通过分析不同情况中的坩埚熔液冷凝应力,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,在此不再一一说明。但探讨的不同情况不限于此。
由上可知,该坩埚熔液冷凝应力分析方法,通过获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数,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、相变材料节点和物理约束条件,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;从而,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
参考图2,本申请提供了一种坩埚熔液冷凝应力分析装置,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,包括:
获取模块1,用于获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数;
构建模块2,用于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、相变材料节点和物理约束条件;
设置模块4,用于设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
分析模块5,用于基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
该坩埚熔液冷凝应力分析装置,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
具体地,获取模块1在执行时,获取坩埚的第一结构参数和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,构建模块2在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:
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。
构建模块2在执行时,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。在实际应用中,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,确定模块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、相变材料节点和物理约束条件的时候,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和相变材料节点;
设置坩埚模型和物料模型的物理约束条件。
确定模块3在执行时,由于坩埚与物料并非一个整体,可能会发生相互移动,因此,通过建模软件或仿真软件,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。
确定模块3在执行时,通过建模软件或仿真软件,设置坩埚模型和物料模型的材料参数,如材质、屈服应力、泊松比、各向同性切线模量、弹性模量和热膨胀系数等参数。在设置材料参数过程中,会考虑物料的加热熔化及冷却凝固的相变过程,由于高温熔液对坩埚的作用力可忽略不计,因此可忽略物料熔液的热膨胀变形,并将物料的弹性模量、泊松比和热膨胀系数设置为随温度变化的函数,使物料在高于熔化温度时的弹性模量、泊松比和热膨胀系数变为可忽略的小量。物料的弹性模量、泊松比和热膨胀系数随温度变化的函数表达式具体为:
;
;
;
其中,E为弹性模量,为弹性模量初始值,/>为泊松比,/>为泊松比初始值,/>为热膨胀系数,/>为热膨胀系数初始值,/>为位于熔化温度处的过渡函数,该函数在低于熔化温度时取值为1,在高于熔化温度时变为一个可以忽略的小量,在熔化温度附近平滑过渡。过渡函数使材料的物性参数在固体和液体的状态间能够平滑过渡。如图4所示,图4为过渡函数的变化曲线示意图,其中,横坐标为温度,单位为K,纵坐标为过渡函数,从图4中可知,过渡函数在超过熔化温度后函数值下降为可以忽略的小量,使物料的物性参数在超过熔化温度时变得可以忽略,但是,为了保证模型的收敛性,超过熔化温度的过渡函数并不取零。
例如,假设物料模型的材料为铝,铝的初始屈服应力设为150MPa,各向同性切线模量设置为25GPa,铝的弹性模量初始值设置为,泊松比初始值设置为,热膨胀系数初始值设置为/>,单位为1/K。物料模型的材料、屈服应力、泊松比、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,初始屈服应力设为100MPa,各向同性切线模量设为10GPa。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。
确定模块3在执行时,在加热过程中,坩埚与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,在构建坩埚模型与物料模型时,需要在建模软件或仿真软件中设置塑性节点,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。
确定模块3在执行时,在加热过程中,物料会受热熔化成熔液(液态),在冷却过程中,物料会放热凝固为固态,因此,将物料模型设定为相变材料,并添加相变材料节点,以及设置物料受热熔化成熔液后的凝固温度和相变焓,添加相变材料节点能够使物料从一种相转变为另一种相,确保物料能够在受热过程中因吸热从固相(固态)转变为液相(液态),以及能够在冷却过程中因放热从液相转变为固相。
具体地,确定模块3在设置坩埚模型和物料模型的物理约束条件的时候,执行:
为坩埚模型和物料模型添加固体力学物理场的设置;
在坩埚模型底部设置固定约束。
在仿真软件中,设置固体力学物理场的物理场空间,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,设置模块4在设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件的时候,执行:
在坩埚模型和物料模型中添加固体和流体传热模块的设置;
设置坩埚模型和物料模型的辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对坩埚模型进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对坩埚模型进行冷却。
设置模块4在执行时,要模拟坩埚的加热及冷却过程,需要设置传热条件和辐射条件,在坩埚模型和物料模型中添加固体和流体传热模块,使物料模型受热熔化成液态时能够与坩埚模型传输热量,以使物料模型能够放热和冷却。考虑加热源、坩埚及水冷壁间的热辐射作用,设置坩埚模型和物料模型受到上下加热源的辐射作用而加热,设置坩埚模型和物料模型受到冷水壁的辐射作用而冷却。通过设置传热条件和辐射条件,使得坩埚模型和物料模型的加热和冷却更符合实际情况。加热源可以但不限于设置为加热丝等发热部件。
例如,将辐射作用的发射率均设置为0.95,水冷壁的对流换热系数设置为,设定加热前的初始温度为室温,并设定上加热源温度为800℃、下加热源温度为1000℃,使坩埚(坩埚模型)在上下加热源的作用下逐渐升温到稳态,在此过程中固态物料(物料模型)发生熔化成为液态,然后撤销上下加热源,坩埚将在水冷壁的作用下逐渐降温,在此过程中,熔液将降温凝固,并对坩埚产生应力,此应力即为冷凝应力。
具体地,预设的温度条件为在上下加热源的作用下将加热温度提升到足以使物料模型熔化成液态的预设温度后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚模型在水冷壁的作用下冷却到室温;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计算物料模型与坩埚模型之间的应力分布。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设置上加热源温度为800℃,设置下加热源温度为1000℃,在上下加热源的作用下将物料熔化成液态后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚在水冷壁的作用下冷却到室温。
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应力计算的准确度。
求解器设置可以设置为计算物料作用于坩埚的应力分布,如设置在物料融化成液态后计算物料与坩埚产生的应力,设置在物料从液态凝固为固态(即坩埚冷却到室温)后计算物料与坩埚产生的应力。
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、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝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、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,计算坩埚的应力数据,得到坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节坩埚模型的形状,并计算在坩埚形状不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚形状不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节物料模型的高度,并计算在物料高度不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料高度不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节物料模型的材质,并计算在物料材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节坩埚模型的材质,并计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
分析模块5在执行时,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、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,计算坩埚熔液冷凝应力数据,计算坩埚熔液冷凝应力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,然后将计算得到坩埚熔液冷凝应力数据与坩埚的初始屈服应力作比较,若冷凝应力的最大值大于坩埚的初始屈服应力,表明坩埚发生了塑性变形,需要通过调节坩埚的材料参数或坩埚的材质等因素,以调节坩埚的初始屈服应力,若冷凝应力的最大值小于或等于坩埚的初始屈服应力,表明冷凝应力对坩埚的作用不足以发生塑性变形,坩埚处于正常状态。
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和相变材料节点并确定对应的材料参数,为坩埚模型和物料模型添加固体力学物理场的设置,在坩埚模型底部设置固定约束,设置固体和流体传热模块,设置辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对坩埚进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对坩埚进行冷却,设置温度条件为设置上加热源温度为800℃,设置下加热源温度为1000℃,在上下加热源的作用下将物料熔化成液态后,撤销上下加热源的加热设置,使坩埚在水冷壁的作用下冷却到室温,模型划分条件为网格划分,求解器设置为在物料融化成液态后计算物料与坩埚产生的应力,以及在物料从液态凝固为固态(即坩埚冷却到室温)后计算物料与坩埚产生的应力。
基于上述设置,开始计算坩埚熔液冷凝应力数据:
1)物料模块和坩埚模型在双加热源(即上加热丝温度为800℃、下加热丝1000℃)的作用下升温到稳态,固态物料熔化为液态,此时的温度分布如图5所示,图5为固态物料熔化为液态时的坩埚的温度分布示意图,图5中右边数字为温度,单位为℃,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的温度,从而根据左边坩埚的颜色分布确定左边坩埚的温度分布,例如,右边800℃对应的是最深的颜色,而左边坩埚的最深的颜色在坩埚顶部,从而确定坩埚顶部为800℃。由图5可知,此时坩埚模型上半部受上加热源加热到约800℃,此时坩埚模型下半部受下加热源加热到约1000℃。
2)计算此时坩埚与物料之间的应力,此时应力分布如图6所示,图6为固态物料熔化为液态时坩埚的应力分布的示意图,图6中左边数字为坐标轴网格,单位为mm,图6中右边数字为应力,单位为MPa,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的应力,从而确定左边坩埚的应力分布,由图6可知,坩埚和物料受到很小的应力,几乎可以忽略不计,原因是此时物料被熔化成液态,对坩埚几乎不产生应力。
3)撤销上下加热源的加热设置,使坩埚失去热源,坩埚在水冷壁的作用下将冷却到室温水平。
4)计算冷却后坩埚与物料之间的应力分布,此时的应力为冷凝应力(即坩埚熔液冷凝应力数据),此时的冷凝应力分布如图7所示,图7为冷却后坩埚的冷凝应力分布的示意图,其中,图7中左边数字为坐标轴网格,单位为mm,图7中右边数字为应力,单位为MPa,根据数字左边长方形对应颜色的深浅确定对应的应力,从而确定左边坩埚的应力分布,由图7可知,物料在冷却凝固时产生较大的冷凝应力,冷凝应力的最大值为310MPa,该冷凝应力的最大值大于坩埚的初始屈服应力(坩埚的初始屈服应力设置为100MPa),表明坩埚发生了塑性变形,需要通过调节坩埚的材料参数或坩埚的材质等因素,以调节坩埚的初始屈服应力。
在实际应用中,通过此装置构建的模型,通过调节坩埚模型的形状、物料模型的高度、调节物料模型的材质或调节坩埚模型的材质,可以探讨不同坩埚材质、不同物料材质、以及不同物料高度和不同坩埚形状等情况下的坩埚熔液冷凝应力。通过分析不同情况中的坩埚熔液冷凝应力,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,在此不再一一说明。但探讨的不同情况不限于此。
由上可知,该坩埚熔液冷凝应力分析装置,通过获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数,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、相变材料节点和物理约束条件,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;从而,通过模拟加热和冷却时坩埚和物料的辐射条件,设置对应的参数和条件,以实现对坩埚熔液冷凝应力的影响分析,通过将坩埚与物料设置为黏附接触关系并添加塑性节点和相变材料节点,提高了模拟的真实性和分析结果的准确性,通过设置加热过程和冷却过程中的辐射条件并计算不同情况下的冷凝应力,分析坩埚的冷凝应力情况,提高了坩埚熔液冷凝应力的分析效率。
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熔液冷凝应力分析方法,以实现以下功能:获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数,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、相变材料节点和物理约束条件,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝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熔液冷凝应力分析方法,以实现以下功能:获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数,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、相变材料节点和物理约束条件,设置坩埚模型和物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,基于黏附接触关系、材料参数、塑性节点、相变材料节点、物理约束条件、传热条件和辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝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(Electrically Erasable 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 (10)
1.一种坩埚熔液冷凝应力分析方法,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,其特征在于,包括步骤:
获取坩埚的第一结构参数和物料的第二结构参数;
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、相变材料节点和物理约束条件;
设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
2.根据权利要求1所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,其特征在于,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:
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所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,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、相变材料节点和物理约束条件,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和相变材料节点;
设置所述坩埚模型和所述物料模型的物理约束条件。
4.根据权利要求3所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,其特征在于,设置所述坩埚模型和所述物料模型的物理约束条件,包括:
为所述坩埚模型和所述物料模型添加固体力学物理场的设置;
在所述坩埚模型底部设置固定约束。
5.根据权利要求1所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,其特征在于,设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件,包括:
在所述坩埚模型和所述物料模型中添加固体和流体传热模块的设置;
设置所述坩埚模型和所述物料模型的辐射条件为通过上下加热源的辐射作用对所述坩埚模型进行加热以及通过水冷壁的辐射作用对所述坩埚模型进行冷却。
6.根据权利要求1所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,其特征在于,所述预设的温度条件为在上下加热源的作用下将加热温度提升到足以使所述物料模型熔化成液态的预设温度后,撤销所述上下加热源的加热设置,使所述坩埚模型在水冷壁的作用下冷却到室温;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计算所述物料模型与所述坩埚模型之间的应力分布。
7.根据权利要求1所述的坩埚熔液冷凝应力分析方法,其特征在于,基于所述黏附接触关系、所述材料参数、所述塑性节点、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝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、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,结合所述预设的温度条件、所述预设的模型划分条件和所述预设的求解器设置,计算所述坩埚的应力数据,得到坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述坩埚模型的形状,并计算在坩埚形状不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚形状不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述物料模型的高度,并计算在物料高度不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料高度不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述物料模型的材质,并计算在物料材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到物料材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据;
调节所述坩埚模型的材质,并计算在坩埚材质不同的情况下的坩埚应力数据,得到坩埚材质不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
8.一种坩埚熔液冷凝应力分析装置,用于分析坩埚熔液冷凝应力的影响因素,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物料的第二结构参数;
构建模块,用于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、相变材料节点和物理约束条件;
设置模块,用于设置所述坩埚模型和所述物料模型在加热过程和冷却过程中的传热条件和辐射条件;
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、所述相变材料节点、所述物理约束条件、所述传热条件和所述辐射条件,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,分别计算坩埚形状不同情况下、物料高度不同情况下、物料材质不同情况下和坩埚材质不同情况下所述坩埚的应力数据,得到各不同情况对于坩埚熔液冷凝应力的影响分析结果数据。
9.一种电子设备,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1-7任一项所述坩埚熔液冷凝应力分析方法中的步骤。
10.一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1-7任一项所述坩埚熔液冷凝应力分析方法中的步骤。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311060860.XA CN116956635A (zh) | 2023-08-22 | 2023-08-22 | 坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311060860.XA CN116956635A (zh) | 2023-08-22 | 2023-08-22 | 坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116956635A true CN116956635A (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=88453051
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202311060860.XA Pending CN116956635A (zh) | 2023-08-22 | 2023-08-22 | 坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116956635A (zh) |
-
2023
- 2023-08-22 CN CN202311060860.XA patent/CN116956635A/zh active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hu et al. | Experimental and numerical study on the thermal behavior of phase change material infiltrated in low porosity metal foam | |
Dong et al. | Determination of interfacial heat-transfer coefficient during investment-casting process of single-crystal blades | |
JP3848602B2 (ja) | 樹脂成形品の設計支援装置および方法 | |
NUMERI et al. | Setting a numerical simulation of filling and solidification of heavy steel ingots based on real casting conditions | |
CN105653779B (zh) | 基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法 | |
Upadhya et al. | Modelling the investment casting process: a novel approach for view factor calculations and defect prediction | |
Qiu et al. | Dimensional control of nickel-based single crystal turbine blade investment casting by process control optimization | |
Olleak et al. | Efficient LPBF process simulation using finite element modeling with adaptive remeshing for distortions and residual stresses prediction | |
CN116306058B (zh) | 坩埚热应力的影响分析方法、装置、电子设备及存储介质 | |
CN108446505B (zh) | 一种漏斗结晶器内铸坯凝固传热计算方法 | |
JP2006205740A (ja) | 樹脂成形品の設計支援装置および方法 | |
Mirbagheri et al. | Simulation of melt flow in coated mould cavity in the casting process | |
Huang et al. | Bi-objective optimization design of heterogeneous injection mold cooling systems | |
CN116956635A (zh) | 坩埚熔液冷凝应力分析方法、装置、电子设备及存储介质 | |
Chow et al. | An enthalpy control‐volume—unstructured‐mesh (cv—um) algorithm for solidification by conduction only | |
CN109702931A (zh) | 计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法 | |
Gan et al. | Prediction of residual deformation and stress of laser powder bed fusion manufactured Ti-6Al-4V lattice structures based on inherent strain method | |
CN106407547A (zh) | 针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法 | |
CN112182908A (zh) | 一种用于铸造模具热平衡分析的温度求解器建立方法 | |
Tu et al. | An integrated procedure for modeling investment castings | |
M'Hamdi et al. | Thermo-mechanical analysis of directional crystallisation of multi-crystalline silicon ingots | |
WO2019065597A1 (ja) | 樹脂成形体の破壊箇所の予測方法、及び樹脂成形体の製造方法 | |
CN102236726B (zh) | 一种金属液凝固过程中预测缩松的方法及缩松连续预测方法 | |
Clark et al. | Novel cooling channel shapes in pressure die casting | |
JPH07236942A (ja) | 鋳造用金型の設計方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |