单晶炉结构有限元分析及优化设计

论文摘要

单晶炉是直拉法制备单晶硅的关键技术装备,其质量和稳定性对拉晶质量起着决定作用,设计开发时不但要了解单晶生长工艺要求,还要熟悉机械、电子、真空和热力等方面的专业技术。本文针对单晶炉设备的机械性能要求,对其结构进行系统分析及优化设计,对保证设备性能有重要的作用。本文在分析直拉式单晶炉结构和拉晶工艺过程的基础上,以TDR-120型单晶炉为研究对象,使用Pro／E软件建立了结构实体三维模型。分析了单晶炉的工作过程和工况条件,研究了不同工况状态下设备底部的受力情况,选用SOLID45实体对简化后的设备结构进行单元划分,通过ANSYS有限元分析方法,获得了设备底部垫铁的应力分布云图,以此为条件,计算出三种不同工况下各个垫铁所受的反力大小,分析了各支撑点的受力特点和不同工况的作用力变化趋势,并对三种工况下重要接合面连接螺栓的强度进行了校核计算,为单晶炉的装配和现场安装提供了依据。论文分析了影响单晶炉炉体支承座结构重量的因素,采用正交试验法对对现有单晶炉炉体支承座结构进行仿真设计,研究了不同设计条件下炉体支承座的变形规律,找出了最大变形区域和变形量,基于最小二乘原理获得了炉体支承座结构重量、应变、位移的回归方程。以轻量化为目标,建立了炉体支承座结构优化的目标函数和约束条件,得到了可以满足强度和变形要求的最优化设计方案,实现了局部结构轻量化的目的,减重效果明显。针对单晶炉设备使用过程中的振动和稳定性问题,论文对炉体结构的振动特性进行了理论和实验研究。分析了设备整体结构的模态,获得设备前十阶固有频率和振型,得到了影响系统振动的因素和结构薄弱环节,通过激振实验获得了单晶炉的固有频率的实验值,验证了分析的正确性,并对设备运行过程进行了现场测试,得到了不同部位的振动信号,经过对比分析,排除了液压泵和真空泵对设备振动的影响,获得了工作中的振动主要是零件加工质量、安装精度和旋转偏心造成的结论,这为进行进一步设备振动分析、提高设备质量提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体硅工业发展现状
• 1.2 单晶硅制备方法
• 1.3 当前单晶炉结构设计与优化研究现状
• 1.4 本文主要工作内容
• 2 直拉式单晶炉结构及工况分析
• 2.1 直拉单晶炉结构
• 2.2 直拉法单晶硅生长的工艺过程
• 2.3 工况状态
• 2.4 本章小结
• 3 直拉式单晶炉支撑架结构静力分析
• 3.1 有限元方法基础
• 3.1.1 有限元法的基本思想及步骤
• 3.1.2 有限元法的特点
• 3.2 ANSYS软件的介绍
• 3.2.1 ANSYS软件的主要功能
• 3.2.2 ANSYS分析步骤
• 3.3 脚垫铁有限元分析
• 3.3.1 建立有限元模型时的简化原则
• 3.3.2 统一单位制
• 3.3.3 定义单元属性
• 3.3.4 模型的网格划分
• 3.3.5 边界条件加载及求解
• 3.4 主要连接螺栓的强度校核
• 3.4.1 第二种工况螺栓强度校核
• 3.4.2 第三种工况下的连接螺栓强度校核
• 3.5 本章小结
• 4 炉体支承座结构的优化设计
• 4.1 炉体支承座结构模型分析
• 4.2 正交试验的设计
• 4.2.1 正交试验的目的
• 4.2.2 确定因素水平和指标
• 4.2.3 试验结果及分析
• 4.2.4 多元线性回归函数的构造
• 4.3 优化求解
• 4.3.1 目标函数的建立
• 4.3.2 状态变量及约束条件
• 4.3.3 建立数学模型
• 4.3.4 轻量化计算
• 4.4 结果检验
• 4.5 结构改进
• 4.6 本章小结
• 5 单晶炉整体结构振动特性分析
• 5.1 模态分析概述
• 5.2 有限元模态分析方法
• 5.2.1 有限元模态分析原理
• 5.2.2 模态提取方法
• 5.3 计算过程与结果分析
• 5.3.1 单晶炉结构有限元模型
• 5.3.2 模态计算
• 5.3.3 计算结果分析
• 5.4 实验模态分析
• 5.4.1 实验原理
• 5.4.2 实验方法
• 5.4.3 测试系统
• 5.4.4 试验结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文