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

ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ, т.18, вып.3, 2013
УДК 621.315.592:539.52: 004-42
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС УДАЛЕННОГО ДОСТУПА ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ
СОПРЯЖЕННЫХ ЗАДАЧ ТЕРМОМЕХАНИКИ
1)
 Н.А. Верезуб 1), А.И. Простомолотов1), Х.Х. Ильясов1), В.С. Просолович 2)
ФГБУН Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г. Москва,
Россия, verezub@ipmnet.ru
2)
Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь, prosolovich@bsu.by
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 Чохральского, в которой для адекватного
расчета термонапряженного состояния (в том числе
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 дефектообразования, 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 КлиентСервер 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, кнопкикоманды для расчетных модулей и Tecplot. С ее
помощью задаются данные о расположении
отдельных компонентов и способа взаимодействия
между ними. Контроль количества одновременно
работающих приложений осуществляется 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.
“Клиент”
Mentat
CrystmoNet-Shell
Yes
1
5
6 7
9
8
Stop
License
No
11
10
12
Crystmo
2
3
Tecplot
Fluent
Marc
4
Defects
“Сервер”
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.
1899
Модули Marc, Fluent, Tecplot имеют собственные
окна для ввода входных данных, для Crystmo и Defects
созданы окна Crystmo.data и Defects.data. Запуск
расчетных модулей и Tecplot на Сервере c
одновременным файловым обменом между Клиентом
и Сервером начинается с нажатия на кнопку Run в
окнах Marc+Crystmo, Crystmo.run, Defects.run, Tecplot.
сконцентрированы вблизи боковой поверхности, а
вакансионные (V) расположены в центре слитка.
Форма I/V-границы микродефектов соответствует
характеру изменению VP.
0.7
I
V
I
5.8E+12
-4.0E+13
-3.5E+ 13
Vp
мм/мин
5.0E+12
0.5
a
0 .3
0.3
б
7.6 МПа
1 . 4 2 .9 4 .7 7 .6
в
г
Рис. 4. Пример сопряженного решения задач термомеханики
при
выращивании
кристаллов
кремния
методом
Чохральского: температурное поле в установке (а); поле
напряжений Мизеса в кристалле (б); изменение скорости
вытягивания кристалла (в); I/V-граница микродефектов в
выращенном кристалле (г).
Рис. 3. Окно Marc+Crystmo для передачи файлов от Клиента
к Серверу и обратно для работы Marc или Мarc+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
Чохральского расчет проведен на основе сопряжения
радиационно-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,г). Микродефекты межузельного типа (I)
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Miller W. Numerical simulation of bulk crystal growth on different
scales: silicon and GeSi // Phys. Status Solidi B. 2010. V.7. P. 885869.
Гончаров А.Л., Девдариани М.Т., Простомолотов А.И., Фрязинов
И.В. Аппроксимация и численный метод решения трехмерных
уравнений Навье-Стокса на ортогональных сетках // Матем.
моделирование. 1991. Т. 3. № 5. С. 89–109.
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.
ANSYS FLUENT Tutorial Guide: Release 14.0. 2011. ANSYS Inc.
1146 p.
Introduction to MSC.Marc and Mentat: MAR101 course notes. 2007.
Msc.Software Inc. 764 p.
Tecplot 360: User’s Manual. 2009. Tecplot Inc. 730 p.
БЛАГОДАРНОСТИ:
Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментального исследования
(гранты:12-02-90027-Бел_а, 12-02-01126, 11-08-00966).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Prostomolotov A.I., Verezub N.A., Ilyasov H.H., Prosolovich
V.S. THE 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