高频加热线圈台阶对区熔炉磁场的影响

区熔法是生长单晶硅的重要方法之一,针对区熔法生长单晶硅过程因多晶硅熔化表面热量不均匀而出现“冷针”的问题,利用有限元法对生长区熔硅单晶进行了数值模拟。区熔法生长单晶硅采用高频感应加热,高频加热线圈是区熔炉最为关键的部件之一,线圈的结构、尺寸直接影响到磁场及焦耳热的分布及熔区形状。基于此,建立了有台阶线圈和无台阶线圈下的两种模型,对比了两种模型下熔区附近磁场分布和焦耳热分布,着重分析了高频加热线圈的台阶对磁场及焦耳热分布的影响。研究结果表明,高频加热线圈的结构会直接影响到熔区附近磁场的分布,进而影响熔区生成的焦耳热分布,线圈台阶可使磁场在熔区附近分布得更均匀,从而有效地解决了“冷针”问题。     

面向FDM筒形件尺寸收缩特性的数值模拟研究

针对筒形件在熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)过程中产生的尺寸收缩问题,建立了筒形件成型过程的有限元模型,基于"生死单元技术"编写了成型过程的温度场、应力场仿真分析命令流,对筒形件熔融沉积成型过程进行了热力耦合数值模拟,探讨了3D打印及冷却过程中筒形件的尺寸收缩机理.结果表明,筒形件在径向的温度梯度分布很不均匀,且等效应力较大;而轴向的温度梯度分布较为均匀,等效应力较径向小.径向和轴向温度梯度的差异导致筒形件在径向收缩大、轴向变形小.     

65Mn钢圆锯片回火过程的有限元模拟及加热方法改进

针对大直径圆锯片采用径向加热方式进行回火热处理过程中由于锯片温度分布不均匀所产生的热应力分布不均匀、锯片回火变形较大等问题,提出了大直径锯片回火处理的轴向加热方法,建立了大直径锯片的有限元模型,模拟计算了大直径锯片在径向加热、轴向加热两种加热方式下锯片的温度场分布、应力场分布,对两种加热方式下锯片的回火质量进行了对比分析。计算分析结果表明:轴向加热方式下锯片的回火热处理质量显著优于径向回火加热方式。本文中提出的方法是可行的、有效的,可有效保证大直径锯片的回火质量。     

环坯温度分布状态对径轴向轧制变形遗传影响

径轴向轧制是制造大型无缝锻态组织环件的先进塑性成形工艺。径轴向轧制生产中,由于环坯锻造时不同部位的变形和传热条件不同,导致环坯温度分布不均匀,会对轧制过程环件变形和组织演变产生不同的遗传影响,而现有的研究都忽略了这一因素。为此,采用仿真模拟分析方法来研究环坯温度分布状态对径轴向轧制变形的遗传影响。基于SIMUFACT有限元分析软件平台,建立42CrMo大型环件径轴向轧制三维热-力-组织多场耦合仿真模型,并通过耦合环坯冷却模型建立6种不同环坯温度分布状态。通过模拟分析,研究6种环坯温度分布状态对轧制成形环件应变、温度及晶粒尺寸大小及分布的不同遗传影响规律。结果表明,环坯上下表面低温分布状态导致环件轴向应变、温度和晶粒尺寸均值减小,轴向应变均匀性增加、轴向温度和晶粒尺寸均匀性减小;环坯内外表面低温分布状态导致环件径向应变、温度和晶粒尺寸均值减小,径向应变均匀性增加,径向温度和晶粒尺寸均匀性减小。研究结果为径轴向轧制合理调控环坯温度分布状态从而提高成形环件质量提供科学依据。     

大直径高质量太阳能级硅单晶磁场直拉技术研究

直拉法易于制备大直径单晶,但在其拉制过程中,晶体生长系统中的熔体会产生自然对流、毛细对流以及强迫对流。在上述三种熔体对流的相互作用下,会使晶体中的氧、碳等杂质产生不均匀分布而影响晶体质量。通过在熔体空间中引入磁场可以有效抑制熔体各种对流,应用于硅单晶生长系统的磁场有横向磁场、纵向磁场和勾形磁场,其中勾形磁场在控制大直径硅单晶中的氧等杂质的含量以及径向分布均匀性方面效果较好。     

电子成果信息

L4375-2-ZE 型区熔单晶炉该项目由 L 4375-2-ZE 型区熔单晶炉和L5060-1-ZE 型高频感应加热设备两部分组成。区熔单晶炉由炉身,炉室,真空管道,上、下轴传动机构,主线圈,同轴线圈,仪表箱,操纵箱,电器箱和进水分配器等组成。它是完成悬浮区熔法生长硅单晶的主     

制动器摩擦片材料热物性参数对其温度场的影响

采用 Abaqus模拟盘式制动器制动过程的三维瞬态温度场,研究摩擦片材料的比热容和导热系数对其制动过程中温度分布的影响。结果表明：增大摩擦片材料导热系数可以降低摩擦片的轴向和径向温度梯度,但会增大摩擦面瞬时最高温度;增大摩擦片材料的比热容对降低摩擦面瞬时最高温度效果较好,但会增大摩擦材料轴向和径向的温度梯度;和导热系数相比,比热容变化对摩擦片瞬时最高温度的影响更为显著;同时增大比热容和导热系数可以达到既降低瞬时最高温度又减小轴向和径向温度梯度的作用。     

工程陶瓷高效深磨温度场的有限元仿真

运用有限元法对工程陶瓷氧化铝及部分稳定氧化锆进行了高效深磨磨削温度场的仿真研究。基于磨削温度的实验和传热学理论,得出了工程陶瓷工件的磨削热分配比;得出了干磨及湿磨两种状态下工程陶瓷磨削温度场的分布。分析了磨削温度梯度对工程陶瓷热裂纹的影响。表明随着砂轮线速度增加,磨削温度场温度梯度增大;随着磨削深度增大,不同材料的磨削温度梯度变化不同。磨削温度梯度与磨削热裂纹的产生有一定的对应关系．     

基于均匀压力法的某制动盘瞬态温度场研究

制动盘在紧急制动过程中的瞬态温度场及其分布情况对制动器的寿命及制动性能有着重大的影响。提出了使用分段二次插值法来确定摩擦副周向接触弧长及热流分配系数与径向位置的关系;在此基础上,使用均匀压力法来确定作用在摩擦面上的热流密度;比较了2种不同热载荷确定方法得到的温度场分布。计算结果表明:周向接触弧长随径向位置呈先增大后减小的变化规律,且变化量较大,而热流分配系数与其相反;在制动第13.307 s时,盘面温度达到最大值227.03℃;制动盘径向和轴向方向上温度梯度较大;较取平均摩擦半径处的周向接触弧长和热流分配系数,温度峰值要高出19.82℃;所设计的制动盘符合工程初始设计要求。     

风电主轴盘形制动器温度场的数值模拟

制动摩擦热对摩擦副的摩擦学特性有着重要影响。根据制动摩擦热分析理论,建立了风电主轴盘式制动器摩擦副的有限元模型,并模拟了风电制动过程的三维瞬态温度场,获得了风电主轴制动器紧急制动工况下的温度场分布。结果分析表明,制动盘表面温度场呈非对称分布,且温度高和温度低的区域区别显著,摩擦副径向、轴向和周向上存在较大的温度梯度并预测了制动盘可能存在安全隐患的部位。得到风电主轴单次制动120 s内的摩擦副热量产生与耗散曲线,预测了单次制动后摩擦副恢复常温所需时间。     

磁场分布对多磨头磁流变抛光材料去除的影响

为研究磁场分布对材料去除的影响,设计轴向充磁异向排布、轴向充磁同向排布、径向充磁异向排布、径向充磁同向排布4种磁铁充磁和排布方式,利用有限元软件Maxwell仿真不同磁场的磁力线分布及抛光轮表面的磁感应强度分布,并采用数字特斯拉计测量实际磁感应强度。对单晶硅基片进行定点抛光试验,检测抛光斑沿抛光轮轴向的去除轮廓及峰值点的表面形貌。仿真和实际磁感应强度检测结果表明,不同磁场分布方式对抛光区的磁场分布有很大影响,磁铁轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布时,具有较高的磁场强度和较好的多磨头效果。定点抛光试验表明,采用轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布这两种方式时,能实现多点加工,其中轴向充磁同向排布时加工效率较高;但采用径向充磁同向排布时,由于抛光区磁感应强度较低,磁流变微磨头无法对工件进行有效地抛光。峰值点表面形貌检测结果表明,采用不同磁场分布方式时,对工件表面均是以塑性去除方式去除。研究表明,通过优化磁铁充磁和排布方式,可实现多磨头磁流变抛光的加工原理。     

径向游隙对角接触球轴承两相流热特性的影响

径向游隙直接影响角接触球轴承内部两相流的分布以及热特性。为探究不同径向游隙下角接触球轴承油气润滑两相流热特性变化规律,基于两相流理论以及轴承换热机制,建立数值分析模型模拟轴承腔内油气两相流流动特性,分析径向游隙和轴承运行工况对轴承腔内流场分布以及温升的影响,并通过轴承温升试验验证了仿真结果。结果表明：油气两相流中油相受离心力影响主要分布在轴承外圈,径向游隙增大使得油相体积分数减少;轴承温升随着径向游隙增大而减少,一定程度上增大径向游隙可以减少轴承生热量。研究结果为探究角接触球轴承油气润滑热特性以及改善轴承腔结构参数提供了参考。     

单晶硅放电蚀除机理研究及有限元分析

提出了单晶硅电火花加工蚀除机理假设,认为热应力在放电蚀除过程中起主要作用。建立了单晶硅电火花线切割放电模型,利用有限元法模拟了在单脉冲放电条件下单晶硅的温度场及热应力场分布。分别计算了单晶硅在温度场和热应力场作用下的蚀除量,并与实际放电切割蚀除量进行了对比,结果表明,实际蚀除量近似等于模拟得到的温度场与热应力场蚀除量之和,验证了对单晶硅电火花加工蚀除机理所作假设的正确性。     

Effect of speed on material removal behavior in scribing of monocrystalline silicon

This paper investigates the effect of scribing speed on the surface morphology and material removal behavior in diamond wire sawing of monocrystalline silicon through specially designed high-speed diamond scribing experiments. High-speed scribing tests are performed on a (100) monocrystalline silicon wafer over a wide range of speeds. The results show that a higher scribing speed is prone to inducing more surface defects such as burrs and tearing in the ductile scribing region, and more radial cracks in the brittle scribing region. The critical scribing depth of ductile-to-brittle transition is found to decrease with increasing scribing speed. A strain rate hardening effect is evident in the experimental data, which explains the underlying mechanism for promotion of brittle fracture at higher scribing speeds.     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的特性

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,采用红外热像伪着色法测定了活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧电压与活性剂之间的关系进行了研究。研究结果表明：活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大。电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高。     

Impact of heat shield structure in the growth process of Czochralski silicon derived from numerical simulation

Further development of the photovoltaic industry is restricted by the productivity of mono-crystalline silicon technology due to its requirements of low cost and high efficient photocells. The heat shield is not only the important part of the thermal field in Czochralski（Cz） mono-crystalline silicon furnace, but also one of the most important factors influencing the silicon crystal growth. Large-diameter Cz-Si crystal growth process is taken as the study object, Based on FEM numerical simulation, different heat shield structures are analyzed to investigate the heater power, the melt-crystal interface shape, the argon flow field, and the oxygen concentration at the melt-crystal interface in the process of large Cz-Si crystal growth. The impact of these factors on the growth efficiency and crystal quality are analyzed. The results show that the oxygen concentration on the melt-crystal interface and the power consumption of the heater stay high due to the lack of a heat shield in the crystal growth system. Argon circumfluence is generated on the external side of the right angle heat shield. By the right-angle heat shield, the speed of gas flow is lowered on the melt free surface, and the temperature gradient of the free surface is increased around the melt-crystal interface. It is not conducive for the stable growth of crystal. The shape of the melt-crystal interface and the argon circulation above the melt free surface are improved by the inclined heat shield. Compared with the others, the system pulling rate is increased and the lowest oxygen concentration is achieved at the melt-crystal interface with the composite heat shield. By the adoption of the optimized composite heat shield in experiment, the real melt-crystal interface shapes and its deformation laws obtained by Quick Pull Separation Method at different pulling rates agree with the simulation results. The results show that the method of simulation is feasible. The proposed research provides the theoretical foundation for the thermal field design of the large diameter Cz-Si monocrystalline growth.     

光束诱导电压成像研究

在光束诱导电流（Light Beam Induced Current,简称LBIC）成像技术的基础上,我们从理论和实验上分析了光束诱导电压（Light Beam Induced Voltage,简称LBIV）成像的机理。通过建立光束诱导电压成像的理论模型,认为光束诱导电压成像的测量值是一个平衡电压值,而不是光照区域的局域开路电压,我们在一块复合分布不均匀的单晶硅太阳能电池上验证了这个结论。这为改进光束诱导成像技术奠定了基础。     

基于ExtendSim的单晶硅生产线仿真研究

针对单晶硅生产线生产工艺和生产工序之间的复杂性问题,研究了离散事件仿真方法,构建了单晶硅生产线仿真模型的评价分析指标体系,采用ECRS原则对某单晶硅生产线进行了无删减的生产简化,利用ExtendSim软件,采用层级仿真建模法,对该单晶硅生产线进行了仿真。仿真结果表明该单晶硅生产线仿真是符合现行生产方式的,完整全面地反映了现实生产情况,所建立的指标体系对仿真结果的评价分析是可信的,通过指标体系分析,发现了该单晶硅生产线存在的问题。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。