Программный комплекс удаленного доступа для численного решения сопряженных задач термомеханики Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.315.592:539.52: 004-42

ПРОГРАММНЫЙ комплекс удаленного доступа для численного решения

СОПРЯЖЕННЫХ ЗАДАЧ ТЕРМОМЕХАНИКИ

© Н.А. Верезуб, А.И. Простомолотов, Х.Х. Ильясов, В.С. Просолович

Ключевые слова: комплекс программ; удаленный доступ; сопряженное моделирование; термомеханика. Представлен комплекс программ CrystmoNet, который обеспечивает удаленный доступ для решения сопряженных задач термомеханики по схеме Клиент-Сервер и применяется в технологии выращивания кристаллов и преподавании.

Для большинства конкретных технологических задач требуется сопряженное моделирование различных физических процессов. Одной из таких задач является выращивание кристаллов из расплава методом Чох-ральского, в котором для адекватного расчета термонапряженного состояния (в т. ч. сложного - с учетом анизотропии и пластичности) и формирования микродефектов в кристалле требуется корректный расчет теплового поля с учетом гидродинамики в расплаве, процесса кристаллизации и теплообмена излучением в установке выращивания [1].

В данной работе представлен программный комплекс CrystmoNet, позволяющий решать такую и аналогичные сопряженные задачи термомеханики в режиме удаленного доступа. Данный комплекс применяется при совместной работе с технологическими организациями и с проходящими у нас практику студентами. Он использует разработанные нами модули Crystmo [2] и Defects [3] для расчета теплопереноса и дефектообразо-вания, а также коммерческие модули: Fluent - для механики жидкости (Ansys®Fluent® [4]), Marc и Mentat (MSC.Marc®Mentat® [5]) - для твердотельной механики и Tecplot (Tecplot®-360 [6]) - для графического представления результатов.

Программный комплекс CrystmoNet обеспечивает возможность дистанционной работы по схеме Клиент-Сервер на двух платформах: MS Wndows - на клиентском компьютере (Клиенте) и Unix-подобной - на удаленном серверном компьютере (Сервере). На Клиенте инсталлируется программа-оболочка CrystmoNet-Shell, управляющая работой комплекса, и пре/постпроцессор Mentat для ввода исходных данных и вывода результатов расчета. Сервер лицензий, расчетные модули Crystmo, Defects, Marc, Fluent и графический постпроцессор Tecplot инсталлируются на Сервере. Обмен данными между Клиентом и Сервером осуществляется по схеме, представленной на рис. 1.

Работа с комплексом начинается с запуска программы-оболочки на Клиенте и получения лицензии. CrystmoNet-Shell открывает окно Server.data (рис. 2), которое содержит входные данные, кнопки-команды для расчетных модулей и Tecplot. С ее помощью задаются данные о расположении отдельных компонентов и способа взаимодействия между ними. Контроль количества одновременно работающих приложений осу-

ществляется сервером лицензий. Для получения лицензии на удаленную работу задаются данные по идентификации пользователя, сервера лицензий, номера порта для взаимодействия, которые должны быть согласованы с системным администратором комплекса. Наличие флажка Remote work with PuTTY позволяет на экране Клиента создавать эмулятор терминала Сервера для контроля выполнения заданий.

Рис. 1. Диаграмма взаимодействия Клиент-Сервер с направлениями обмена между модулями для удаленной работы в рамках программного комплекса CrystmoNet

Рис. 2. Окно Server.data для регистрации пользователя при получении допуска к работе на удаленном компьютере

Модули Marc, Fluent, Tecplot имеют собственные окна для ввода входных данных, для Crystmo и Defects

1899

созданы окна Crystmo.data и Defects.data. Запуск расчетных модулей и Tecplot на Сервере с одновременным файловым обменом между Клиентом и Сервером начинается с нажатия на кнопку Run в окнах Marc+Crystmo, Crystmo.run, Defects.run, Tecplot.

расположены в центре слитка. Форма 1/К-границы микродефектов соответствует характеру изменению VP.

Рис. 3. Окно Marc+Crystmo для передачи файлов от Клиента к Серверу и обратно для работы Marc или Marc+Crystmo

В качестве примера на рис. 3 показано окно Marc+Crystmo с перечислением файлов и их форматов для пересылки от Клиента к Серверу и обратно. Возможны два варианта запуска Marc. В первом расчет проводится решателем Marc - тогда флажок Run Mentat отсутствует. Во втором случае выполняется сопряженный расчет по Marc и Crystmo. При этом в число файлов, копируемых на Сервер, включается Фортран-модуль Crystmo.f, который перед расчетом автоматически интегрируется в объектную среду Marc с образованием модуля Marc+Crystmo. Сопряженный расчет по модулям Marc и Fluent, Marc и Defects, Marc и Crystmo организуется на основе файлового обмена между ними. Графические построения в программе Tecplot выполняются на Сервере по данным расчета, которые могут быть скопированы в виде рисунков на компьютер Клиента.

Применительно к технологии выращивания кристаллов кремния диаметром 150 мм методом Чохраль-ского расчет проведен на основе сопряжения радиаци-онно-кондуктивной модели в Marc и моделей конвекции в Crystmo или Fluent. Температурное поле в ростовой установке «Редмет-90М» показано на рис. 4а. С его использованием по модулю Marc рассчитаны напряжения в кристалле с целью оценки возможностей возникновения критических напряжений, вызывающих пластическую деформацию и генерацию дислокаций (рис. 4б). Расчетные значения напряжений не превышают критические. Их максимальное значение (7,6 МПа) достигается на боковой поверхности кристалла вблизи фронта кристаллизации. При удалении от фронта напряжения уменьшаются. Тепловые условия также оказывают существенное влияние на рекомбинацию собственных точечных дефектов и образование микродефектов в кристалле. По модулю Defects рассчитано распределение микродефектов в кристалле с использованием его тепловой истории, учитывающей изменение скорости его вытягивания из расплава VP (рис. 4в, 4г). Микродефекты межузельного типа (I) сконцентрированы вблизи боковой поверхности, а вакансионные (V) -

Рис. 4. Пример сопряженного решения задач термомеханики при выращивании кристаллов кремния методом Чохральско-го: температурное поле в установке (а); поле напряжений Мизеса в кристалле (б); изменение скорости вытягивания кристалла (в); I/V-граница микродефектов в выращенном кристалле (г)

В течение ряда лет программный комплекс CrystmoNet используется в ОАО «ГИРЕДМЕТ» (Москва) при конструировании тепловых узлов установок для выращивания кристаллов методом Чохральского, а также в преподавании основ математического моделирования и выполнении дипломных работ студентов в двух московских вузах: на кафедре физики «МАТИ» и в Институте новых материалов и технологий «МИСиС». В настоящее время он также начал использоваться на кафедре физики полупроводников и наноэлектроники Белорусского госуниверситета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Miller W. Numerical simulation of bulk crystal growth on different scales: silicon and GeSi // Phys. Status Solidi B. 2010. V. 7. P. 885869.

2. Гончаров А.Л., Девдариани М.Т., Простомолотов А.И., Фрязи-нов И.В. Аппроксимация и численный метод решения трехмерных уравнений Навье-Стокса на ортогональных сетках // Матем. моделирование. 1991. Т. 3. № 5. С. 89-109.

3. Prostomolotov A.I., Verezub N.A. Simplistic approach for 2D CZ grown-in microdefect modeling // Phys. Status Solidi C. 2009. V. 6. P. 1878-1881.

4. ANSYS FLUENT Tutorial Guide: Release 14.0. 2011. ANSYS Inc. 1146 p.

5. Introduction to MSC.Marc and Mentat: MAR101 course notes. 2007. Msc.Software Inc. 764 p.

6. Tecplot 360: User’s Manual. 2009. Tecplot Inc. 730 p.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-02-90027-Бел_а, 12-02-01126, 11-08-00966).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Verezub N.A., Prostomolotov A.I., Ilyasov H.H., Prosolo-vich V.S. REMOTE ACCESS CODE FOR NUMERICAL SOLUTION OF CONJUGATED THERMOMECHANICAL PROBLEMS

CrystmoNet code is presented, which provides the remote access for numerical solution of the conjugated thermomechanical problems by Client-Server scheme and has the applications in crystal growth technology and education.

Key words: program code; remote access; conjugated modeling; thermomechanics.

1900