大型泡生法蓝宝石晶体炉静动态性能分析及优化

作     者：李鑫 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨军良

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：蓝宝石 晶体炉 共振 静动态性能 结构优化 

摘      要：蓝宝石晶体的机械、化学和光学等方面的性能突出,在航空航天、军用装备、LED照明等领域有非常多的应用。近些年来随着蓝宝石晶体市场需求快速扩大,对于晶体尺寸和晶体质量的要求也越来越高,如何提高现有晶体生长设备的性能以满足使用需求成为了一个亟待解决的问题。蓝宝石晶体生长过程中的振动会造成纹路、散射颗粒、位错等多种晶体缺陷,因此蓝宝石晶体炉在运行过程中的稳定性对于晶体炉的性能有着非常重要的影响,本文就针对晶体炉在运行过程中的振动问题,以西安蓝晶机械有限公司生产的LJ-P200型号的泡生法蓝宝石晶体炉为研究对象,着力于提高设备的静动态性能,具体进行了以下几个方面的研究:(1)对生长蓝宝石晶体过程中出现过的晶体缺陷进行了总结和原因分析;针对晶体炉运行过程中产生的振动进行了原因调查与分析,并提出了解决各种振动的措施。(2)介绍了 LJ-P200型号泡生法蓝宝石晶体炉的组成部件及其各部分功能,并使用Solidworks三维建模平台进行了晶体炉整机建模,在ANSYS Workbench中完成了整机有限元模型的建立。(3)基于结构静力学分析理论,对晶体炉的重要承载部件底座和提拉系统分别进行了引晶和长晶结束两种工况下的静力学仿真分析,得到了提拉系统和底座在两种工况下的静力变形情况和等效应力分布情况,这些仿真分析的结果为后续晶体炉系统中薄弱环节的识别提供了一定的参考。(4)基于动力学分析理论,对晶体炉整机进行了模态分析,获得了整机前六阶的固有频率和模态振型,在此基础上,再对晶体炉整机进行了在前、左、右三个方向的简谐力作用下的谐响应分析。综合两方面的分析结果,确定了晶体炉整机中需要进行优化的部分。(5)基于优化设计理论,使用ANSYS Workbench中的结构优化模块对晶体炉提拉系统进行了多目标尺寸优化,确定了最优尺寸方案,达到了在降低静力变形的前提下,提高整机前两阶固有频率的目的,避免出现共振的问题。