纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法和装置

1.本发明涉及仿真模拟技术领域，具体涉及一种纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法和装置。


背景技术：

2.碳化硅(sic)材料是第三代半导体的代表材料之一，有着电子迁移率高、禁带宽度大及热膨胀系数高等优点。碳化硅材料是典型的硬脆材料，在晶体生成和粗加工过程中，易产生内部缺陷，如表面及亚表面损伤，空洞，裂纹，气泡等。想得到高质量的晶圆表面，必须进一步探究含缺陷碳化硅的纳米磨削材料去除机理。
3.目前，研究人员针对sic晶体缺陷对其性能进行了深入的研究，关于缺陷存在对碳化硅性能的影响的研究已有较为成熟的结果。但少有人研究缺陷在加工过程中的变化以及缺陷对加工结果和参数的影响。
4.因此，亟需提出一种成本低、参数可调控、柔性高的纳米磨削含缺陷的碳化硅的方法。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法和装置
6.根据本发明的一个方面，提供一种纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法，在计算设备中执行，该方法包括：构建分子动力学模型，分子动力学模型包括含缺陷的碳化硅工件模型和用于对工件模型进行磨削的刀具模型；确定分子动力学模型的仿真参数；根据仿真参数，利用刀具模型对含缺陷的碳化硅工件模型进行磨削仿真，以得到仿真结果。
7.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，构建分子动力学模型的步骤包括：基于预设的模型尺寸和原子数量，分别构建碳化硅工件模型和刀具模型；确定碳化硅工件模型和/或刀具模型的牛顿层、恒温层和边界层，所述恒温层设置在所述牛顿层和边界层之间；去除碳化硅工件模型中预定位置和数量的碳化硅原子，得到分子动力学模型。
8.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，刀具模型为金刚石磨粒模型。
9.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，确定所述分子动力学模型的仿真参数的步骤包括：确定分子动力学模型的相关算法、势函数、以及系宗。
10.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，还包括步骤：采用最速下降法，对所建立的分子动力学仿真模型进行能量最小化处理。
11.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，仿真结果至少包括磨削过程中的磨削力、等效应力和温度，以及该方法还包括：对仿真结果进行展
示。
12.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，构建分子动力学模型的步骤还包括：采用lammps软件建立分子动力学模型。
13.可选地，在根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法中，其中，碳化硅工件为长方体结构，刀具为半球形结构。
14.根据本发明的又一个方面，提供一种纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真装置，驻留在计算设备中，该装置包括：构建模块，适于构建分子动力学模型，分子动力学模型包括含缺陷的碳化硅工件模型和用于对工件模型进行磨削的刀具模型；确定模块，适于确定分子动力学模型的仿真参数；仿真模块，适于根据仿真参数，利用刀具模型对含缺陷的碳化硅工件模型进行磨削仿真，以得到仿真结果。
15.根据本发明的又一个方面，提供一种计算设备，包括：至少一个处理器；和存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行上述方法的指令。
16.根据本发明的又一个方面，提供一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行上述的方法。
17.根据本发明的方案，通过构建分子动力学模型来对含缺陷的碳化硅的纳米磨削机理进行研究，基于分子动力学思想，建立了合适的碳化硅纳米磨削仿真模型，具有成本低、参数可调控、柔性高等优势。
18.根据本发明的方案，通过所构建的分子动力学模型，仿真模拟纳米磨削含缺陷的碳化硅的过程，可以用于研究碳化硅内部缺陷在加工过程中的变化以及缺陷对加工结果和参数的影响。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
20.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
21.图1示出了根据本发明一个实施例的计算设备100的示意图；
22.图2示出了根据本发明一个实施例的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法200的流程图；
23.图3示出了根据本发明一个实施例的4h-sic结构参数示意图；
24.图4示出根据本发明一个实施例的碳化硅工件模型的结构示意图；
25.图5a示出了根据本发明一个实施例的金刚石磨粒模型的主视图；
26.图5b示出了根据本发明一个实施例的金刚石磨粒模型的俯视图；
27.图6示出了根据本发明一个实施例的分子动力学金刚石磨削碳化硅仿真模型示意图；
28.图7示出了根据本发明一个实施例的含缺陷的碳化硅工件模型；
29.图8示出了根据本发明一个实施例的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真装置800的结构示意图。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
31.在理想的晶体结构中原子有长程有序的特征，原子都会按照一个特定的结构排序，某些原子偏离原晶格位置的现象被称为晶体缺陷，碳化硅材料的晶体内部极易出现晶体缺陷。
32.有研究发现，碳化硅晶体生长时，材料内部会产生各种缺陷。在材料粗磨时，为了提高材料的去除效率，节省加工时间，通常会考虑使用大的加工深度、使用粒度大的砂轮或提高砂轮转速者等方式进行磨削加工，这种情况下去除方式一般是脆性去除，而这种方式容易导致加工后的表面产生由裂纹、破碎以及内部相变等表面损伤，这些损伤带来的缺陷对后续精磨以及抛光会带来一定的影响，而内部缺陷的存在对去除行为以及对加工的影响少有被研究。
33.为解决上述现有技术中存在的问题，提出本发明的方案。本发明的一个实施例提供了一种纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法，该方法可以在计算设备中执行。图1示出了根据本发明一个实施例的计算设备100的结构图。如图1所示，在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106 和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。
34.取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器(μp)、微控制器(μc)、数字信息处理器(dsp)或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元(alu)、浮点数单元(fpu)、数字信号处理核心(dsp核心)或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118 可以与处理器104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器118可以是处理器104的一个内部部分。
35.取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器(诸如ram)、非易失性存储器(诸如rom、闪存等) 或者它们的任何组合。计算设备中的物理内存通常指的是易失性存储器ram，磁盘中的数据需要加载至物理内存中才能够被处理器104读取。系统存储器 106可以包括操作系统120、一个或者多个应用122以及程序数据124。应用 122实际上是多条程序指令，其用于指示处理器104执行相应的操作。在一些实施方式中，在一些实施方式中，应用122可以布置为在操作系统上由一个或多个处理器104利用程序数据124执行指令。操作系统120例如可以是 linux、windows等，其包括用于处理基本系统服务以及执行依赖于硬件的任务的程序指令。应用122包括用于实现各种用户期望的功能的程序指令，应用122例如可以是浏览器、即时通讯软件、软件开发工具(例如集成开发环境ide、编译器等)等，但不限于此。当应用122被安装到计算设备100 中时，可以向操作系统120添加驱动模块。
36.在计算设备100启动运行时，处理器104会从存储器106中读取操作系统120的程序指令并执行。应用122运行在操作系统120之上，利用操作系统120以及底层硬件提供的接口来实现各种用户期望的功能。当用户启动应用122时，应用122会加载至存储器106中，处理器104从存储器106中读取并执行应用122的程序指令。
37.计算设备100还包括储存设备132，储存设备132包括可移除储存器136 和不可移除储存器138，可移除储存器136和不可移除储存器138均与储存接口总线134连接。
38.计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备(例如，输出设备142、外设接口144和通信设备146)到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由一个或者多个a/v端口152与诸如显示器或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外设接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于经由一个或者多个i/o端口158和诸如输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备)或者其他外设(例如打印机、扫描仪等)之类的外部设备进行通信。示例的通信设备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。
39.网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以这样的信号，它的数据集中的一个或者多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频(rf)、微波、红外(ir) 或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存储介质和通信介质二者。
40.计算设备100还包括与总线/接口控制器130相连的储存接口总线134。储存接口总线134与储存设备132相连，储存设备132适于进行数据存储。示例的储存设备132可以包括可移除储存器136(例如cd、dvd、u盘、可移动硬盘等)和不可移除储存器138(例如硬盘驱动器hdd等)。
41.在根据本发明的计算设备100中，应用122包括执行方法200的多条程序指令。
42.图2示出了根据本发明一个实施例的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法200的流程图。方法200适于在计算设备(例如前述计算设备100)中执行。
43.如图2所示，方法200的目的是实现一种运用分子动力学仿真模拟方法来对含有内部缺陷的碳化硅工件的纳米磨削记录进行研究方法，始于步骤 s202，在步骤s202中，构建分子动力学模型。分子动力学(moleculardynamics，md)是一套原子、分子模拟方法，主要依靠牛顿力学，融合了密度泛函理论和量子力学理论来模拟分子体系的运动，通过从分子体系的不同状态组成的系统合集中抽取样本，然后进行体系的构型积分的计算，并且以计算的结果为基础，进一步推算出体系的能量和其他宏观性质，目前在计算物理领域被广泛运用。分子动力学的基本思想是：建立一个符合牛顿经典力学规律的大规模原子体系，然后进行原子间的相互作用或者相对运动，最后通过物理学中许多经典的力学方程和统计物理学原理来求解仿真模拟中原子的运动状态和系统的宏观性质。
44.本技术构建的分子动力学模型包括含缺陷的碳化硅工件模型和用于对该碳化硅
工件进行磨削的刀具模型。以下对分子动力学模型的构建进行详细说明：
45.1、关于碳化硅工件模型。
46.碳化硅有很多种晶体结构，有结构为立方(cubic)晶型α-sic，有六方(hexagonal)晶型和菱形(rhomboidan)晶型结构的β-sic，这些碳化硅的同素异形体的命名方法一般是用数字加上其晶型结构的首字母，如15r-sic、4h-sic、3c-sic等。其中，4h-sic具有禁带宽度大、耐击穿等优势，在微电子芯片领域被大量使用，也是目前半导体产业应用较为广泛的一种碳化硅晶型。因此，本技术中的碳化硅模型主要以4h-sic为主。4h-sic 的圆桌子排列次数为abacabac。图3示出了根据本发明一个实施例的4h-sic 结构参数示意图。
47.基于图3所示的4h-sic的结构参数，预先构建单一的4h-sic单晶体。然后，基于预设的模型尺寸和原子数量，构建出碳化硅工件模型。其中，为了方便对碳化硅工件模型的磨削，本技术中所构建的碳化硅工件为长方体结构。
48.在一个具体示例中，预先设置碳化硅工件模型的模型尺寸为在一个具体示例中，预先设置碳化硅工件模型的模型尺寸为工件原子数目为241199。将4h-sic的晶体结构从数据库导入建模软件后，经过一些列操作(例如，分别在设定好的x y z方向不断复制该4h-sic单晶体直到达到预定尺寸为止)得到一个大的4h-sic工件模型，再经过后续算法处理导出的数据文件。得到如图4所示的碳化硅工件模型，图4示出根据本发明一个实施例的碳化硅工件模型的结构示意图。
49.在一些实施例中，采用lammps软件建立分子动力学模型。分子动力学应用于许多领域，能够进行分子动力学仿真模拟的软件有很多，但是在对材料加工的分子模拟研究上，lammps是一个最佳的选择，在本技术中，缺陷模型的处理和磨削过程的仿真计算均在分子动力学开源软件lammps上进行，生成的数据文件通过matlab以及python导入物理公式进行进一步的计算，从而得到想要的例如相互作用力、温度等参数，最后由开源软件ovito[]进行计算结果的可视化，方便观察结果。
[0050]
需要说明的是，lammps软件的数据库中一般预先存储有4h-sic单晶体结构，在需要构建碳化硅工件模型时，只需在lammps软件中设置好尺寸和原子数量，lammps会依据设定好的尺寸和原子数量自动构建碳化硅工件。倘若， lammps软件的数据库中未预先存储4h-sic单晶体结构，则用户可以通过图3 所示的结构参数预先构建一4h-sic单晶体结构，并将其存储至lammps软件的数据库中。
[0051]
之后，确定碳化硅工件模型的牛顿层、恒温层和边界层，恒温层设置在牛顿层和边界层之间。设置碳化硅工件模型的分层是为了更好的模拟实际的加工环境，其中牛顿层是用于参与原子运动和牛顿力学分析的、恒温层为用于模拟外部环境的(例如，设定恒温为300k)、以及边界层是用于模拟被模拟工件的约束，减小边界效应，保持晶体网格的均匀性的。
[0052]
2、关于刀具模型。
[0053]
本技术中选用金刚石磨粒作为刀具模型，同样，预先构建单一的碳原子，然后，基于预设的模型尺寸和原子数量，构建刀具模型。其中，该刀具模型为半球形结构。
[0054]
在一个具体事例中，预先设置金刚石的原子数量为9931。直接通过ms 软件画出c原子，然后重复复制、切割等操作，再进行数据处理，得到想要的磨粒模型。得到如图5所示
的金刚石磨粒模型(刀具模型)，图5a图5b分别示出了根据本发明一个实施例的金刚石磨粒模型的主视图和俯视图。
[0055]
需要说明的是，在本技术的仿真中，将磨粒视为刚体，仿真加工在极其微观的场景下进行，而且加工时间非常短，因此不考虑磨粒的磨损。
[0056]
之后，确定金刚石磨粒模型的牛顿层、恒温层和边界层。
[0057]
3、初始分子动力学模型。
[0058]
将构建好的碳化硅工件模型和刀具模型通过数据编辑软件进行整合，便可得到一个如图6所示的完整的分子动力学金刚石磨削碳化硅仿真模型。图6示出了根据本发明一个实施例的分子动力学金刚石磨削碳化硅仿真模型示意图。
[0059]
4、分子动力学模型。
[0060]
通过软件人为地在4h-sic内部制造空洞缺陷，得到含缺陷的分子动力学模型。具体地，去除碳化硅工件模型中预定位置和数量的碳化硅原子，得到分子动力学模型。
[0061]
在一个具体示例中，图7示出了根据本发明一个实施例的含缺陷的碳化硅工件模型。如图7所示，其中，通过对待设定的缺陷在碳化硅工件模型中的具体位置和缺陷的深宽度(即缺陷尺寸)，可知道需删除的原子的位置和数量，用户可以通过lammps代码删除4h-sic工件中对应的该部分原子，得到含缺陷的碳化硅工件模型。
[0062]
另外，为了研究是否碳化硅含不同缺陷在加工时缺陷的变化情况不一致，用户可根据需要在工件模型中设置缺陷，例如，用户可设置缺陷在工件模型中的方向(例如，竖直、横向、45
°
斜缺陷和135
°
斜缺陷)，也可设置缺陷据工件模型表面的距离也可设置缺陷的尺寸大小等属性，本技术在此不再枚举。
[0063]
至此，完成分子动力学模型的构建。
[0064]
另外，为了方便后续lammps读取数据，需要对建立的分子动力学模型进行能量最小化处理，能量最小化主要有拟修正牛顿法(hessian-freetruncatednewtonalgorithm，hftn)、共轭梯度法(conjugategradientalgorithm，cg)及最速下降法(steepestdescentalgorithm，sd)。经过综合考虑，本技术的分子动力学仿真主要使用最速下降法实现能量最小化，其处理公式如下：
[0065]
e(r1，r2，
…
，rn)＝∑
i，jepair
(ri，rj) ∑
ijebond
(ri，rj) ∑
ijkeangle
(ri，rj，rk) ∑
ijkledihedral
(ri，rj，rk，r
l
) ∑
ijkleimproper
(ri，rj，rk，r
l
) ∑
iefix
(ri)(2.11)
[0066]
式中，r1，r2，...，rn代表模型中的所有原子，t
gair
(ri，rj)为非键对相互作用的能量，e
bond
(ri，rj)为键的相互作用的能量，e
angle
(ri，rj，rk)为角的相互作用的能量，e
improper
(ri，rj，rk，r
l
)为二面角的相互作用的能量，e
improper
(ri，rj，rk，r
l
)为不恰当相互作用产生的能量，e
fix
(ri)为因固定作用而产生的约束原子运动的作用的能量。
[0067]
需要注意的是，模型经过能量最小化后，还需要经过弛豫对模型进行动态调整，因为能量最小化仅调整原子位置使模型静态调整。
[0068]
随后，进入步骤s20，确定分子动力学模型的仿真参数。仿真参数具体包括分子动力学模型的相关算法、势函数、以及系宗。
[0069]
需要说明的是，lammps进行分子模拟时，需要通过代码调用许多基本算法，这些算法主要是热力学、统计学的算法，例如等概率原理、经典牛顿力学方程、积分算法等，最后lammps将他们集成到库，然后实现了现在的分子动力学模拟，这些算法毋庸置疑对分子动
力学模拟起到决定性作用，是分子动力学发展起来的基础。
[0070]
其中，相关算法包括：
[0071]
1、热力学与统计力学方程
[0072]
分子动力学是体系是建立在符合牛顿力学基础之上的，并且不考虑量子响应。
[0073]
在牛顿力学中，一个系统的总能量等于该系统所有成员的总动能和总势能之和，如式2.1所示：
[0074]
e＝ev e
p
ꢀꢀ
(2.1)
[0075]
式2.1中，e为系统总能量，ev为系统内所有成员的动能之和，e
p
为系统内所有成员的势能之和，在分子动力学所建立的体系内，所有成员就是许多个原子，想要得到原子的动能以及势能，就需要知道原子本身的速度和受力，原子速度和受力的计算公式如下，
[0076][0077][0078]
i表示分子体系中的某个原子，式2.2为该原子在x方向上的加速度a
ix
公式，式2.3为此原子在x方向上的受力f
ix
公式，v为计算所选定势能函数， xi和mi分别为该原子x方向上的位移和原子的质量，对牛顿方程进行积分，得到粒子的位置和速度，如下式所示：
[0079][0080][0081]
式中，分别为分子动力学系统中第i个粒子的位置和速度，δt表示时间微分，及为第i个粒子在经历δt后新的速度和位置。
[0082]
分子动力学运用牛顿力学公式计算能量，而在大量原子及分子的微观体系中，描述体系内平衡态以及非平衡态的能量传递常用的方法为统计力学方法，这样能够让体系中部分可测量值的平均值被得到，在后续的可视化中体现出来。如在熵s的定义中，如果体系的粒子数、体积、能量恒定，该体系同等于ω特征态中的任一态，等同于等概率原理：
[0083]
s(n,v,e)≡kblnω(n,v,e)
ꢀꢀ
(2.6)
[0084][0085]
上式中，s为熵，ω为体积中能量的特征态，n为体系的粒子数、v为体系的体积、e为体系的能量，kb表示玻尔兹曼常数，t为体系温度。
[0086]
2、积分算法
[0087]
进行分子动力学仿真模拟时，一般体系内的原子数量较大，同时对计算的精度有一定的要求。从数值的计算方法来看，分子动力学模拟计算其实是一个初值问题，给出了一定个数的附加条件，来确定微分方程的通解。适用于分子动力学仿真的时间积分算法常用的有如下几种rahman算法
[i]
、 gear算法
[ii]
、verlet算法
[iii]
和beeman算法
[iv]
等，其中，verlet算法是实现对数目巨大的体系运算的最适合的时间积分算法，其计算复杂度较低，计算精度良好。
[0088]
时间积分算法中，δt表示时间微分，即一个时间步长，给定粒子t时刻的位置r和速度v，得到t δt时刻的位置r(t δt)和速度v(t δt)。首先，将 r(t δt)和r(t-δt)用泰勒公式展开：
[0089][0090][0091]
式2.8和式2.9相加得到：
[0092][0093]
我们可以通过上式计算r(t δt)时刻的粒子的坐标。verlet算法虽然在精度上的优势并不突出，但也能满足分子动力学基本要求，并且其最大的优势是计算量小，能够减少计算量，保证模型足够大，粒子数目足够多的情况下也能得出结果。
[0094]
3、加速算法
[0095]
在分子动力学模拟计算中，计算机的工作量取决于模型中的原子数目，原子数目越多，计算机的工作量越大，当同时计算的原子数目太多的时候，计算机往往需要很长的时间才能得到计算结果，因为按照分子动力学理论，每一个原子都会受到来自其他所有原子作用力，同时也会给所有原子施加反作用力。为了提高运算效率，学者们对如何进行加速计算进行了一系列研究，得到了许多分子动力学常用的加速算法，这里仅介绍本文需要使用的截断半径法
[v]
，截断半径法的中心思想是无视离中心原子较远的其他原子的相互作用，仅考虑中心原子某一个范围内的原子的相互作用，这个范围一般是球形的区域，该球形区域的半径叫截断半径rc，若某个原子距离模拟计算中心原子的距离rij大于截断半径rc，那么计算时将不考虑该原子对中心原子的作用，这样就极大地减少了计算量。
[0096]
势函数的选择：
[0097]
分子动力学模拟中，势函数是决定一个模拟体系能否进行合理计算的核心，它涉及到能否正确描述原子与原子之间的力学行为，因此势函数的选择往往非常需要。仿真体系一般是由数目较大的原子群构成，体系较为复杂，常用的确定势函数的从头计算(abinitio)法，通过该方法求出的势函数也被称为理论势函数，理论势函数的参数精度较高，但在高复杂度的系统中，理论势函数的计算非常复杂，计算量非常大，为了加快计算的效率，通过实验验证来获得势函数参数成为了一个合适的方法，得到的势函数被称为经验势函数，但经验势函数的精度不如理论势函数，为了同时追求精度和获得参数的效率，需从头计算与实验相结合来获得势函数，这种势函数称为半经验势函数，这样的势函数通过实际实验的指导和理论计算，更快地得到势函数的各个经验参数的同时，也保证了参数的精度，满足实际需求，也是目前势函数的主流。本技术针对碳化硅晶体和金刚石磨粒这种共价键材料进行纳米磨削的仿真，主要考虑碳原子与碳原子、碳原子与硅原子、硅原子与硅原子之间相互作用，合适的势函数有多种，例如，tersoff势函数和vashishta 势函数。
[0098]
在一个具体示例中，对tersoff势函数和vashishta势函数进行详细分析，分析过程如下：
[0099]
tersoff势函数的计算公式如下：
[0100][0101]
式2.12中，ei表示原子i的位势，e
ij
代表原子i与原子j之间的交互作用能。
[0102]vi,j
＝fc(r
ij
)[ζ
ijfr
(r
ij
) b
ij
fa(r
ij
)]
ꢀꢀ
(2.13)
[0103][0104][0105]
在上述公式中，fr与fa分别代表着排斥及吸引作用，斥力和引力的表达形式和对势相似，a
ij
、b
ij
、λ
ij
及μ
ij
为势函数中的特征参数，r
ij
为i原子与j 原子间的距离。由上述公式可以看出，邻近的原子数目和原子间共价键的强弱成反比。
[0106][0107]
式2.16中，fc为光滑截断函数，r
ij
为一个原子的最近邻截断半径，d
ij
为势能有效作用的截断半径，r
ij
是i原子与j原子间的距离。
[0108]
ζ
ij
与b
ij
分别为两种原子之间的排斥作用和吸引作用的系数，包含了多体相互作用和对健角的依赖关系：
[0109][0110][0111][0112]
式2.20为上列公式中a
ij
、b
ij
、λ
ij
、μ
ij
、r
ij
、d
ij
的补充：
[0113][0114]
表1中详细给出个tersoff势函数各个参数：
[0115]
表1
[0116][0117]
(2)vashishta势函数
[0118]
vashishta势具体计算公式如下：
[0119][0120]
式2.21中，e是系统的总体势能，r
ij
代表i和j两原子的距离，cosθ
jik
代表i、j两原子间的距离矢量和i、k两原子间距离矢量的夹角的余弦值，是二体项，是三体项，二体项如下：
[0121][0122]
式2.22中,h
ij
为空间斥力强度，zi、zj为有效电荷，d
ij
为电荷偶极子吸引力的强度，w
ij
为范德华力相互作用强度，η
ij
为空间斥力项的指数，ke为库仑常数，λ和ζ分别为库仑项和电荷偶极项的屏蔽长度。三体项的公式为：
[0123][0124]
vashishta势函数出现得比较晚，和tersoff势函数相比各有优势，但是运算量非常大。
[0132]
通过对两种势函数进行了对比，对不同平面冲击强度下纳米晶体sic陶瓷的建模方法进行了综合比较，并与现有的实验数据进行了比较，相比而言，使用tersoff势函数的模型在冲击载荷的作用下，特别是在粒子速度较高的高冲击强度下，对应力、波速和温度的估计过高，在其他参数上，tersoff 势函数表现更加优秀。在实际的计算中，对于几十万原子级别规模的运算，使用vashishta势函数运算量过大，所花费的时间成本和运算成本极高，经过综合考虑，本文选择使用发展比较成熟且被使用得更广泛的tersoff势函数。
[0133]
系宗的选择：
[0134]
在分子动力学中，系综是用统计学的方法来表征热力学系统的统计规律性时引入的一个基本概念，系综，在一定的宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自互不干扰且独立的系统的集合，全称统计系综。其具体原理涉及到数学与物理学中的相宇、维度坐标、概率密度函数等理论。
[0135]
分子动力学中常用的三种系综：正则系综(nvt)、微正则系综(nve)、等温等压系综(npt)，n代表系统中的原子数目，v代表系统体积，t代表系统温度，e代表系统能量，p代表系统压强，t代表系统温度，系综英文缩写的三个参数即为所约束的参数，这三个参数在仿真过程中是固定不变的，因此需要根据宏观条件来选择合适的系综，不同的系统类型所施加的约束条件不一样，系综还会影响仿真过程中的材料性能。为了保证仿真的结果更加准确，本技术选择了nve系综来对金刚石磨料纳米磨削碳化硅工件的仿真过程进行约束，使用nvt系综进行弛豫。
[0136]
最后，进入步骤s206，根据仿真参数，利用刀具模型对所述含缺陷的碳化硅工件模型进行磨削仿真，以得到仿真结果。其中，仿真结果至少包括磨削过程中的磨削力、等效应力和温度。具体地，通过lammps运行仿真算法，对模型进行仿真加工，设置金刚石磨粒逐渐接近碳化硅工件模拟实际加工中的磨削行为，最后导出计算结果并进行可视化。
[0137]
根据本发明的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真方法，通过构建分子动力学模型来对含缺陷的碳化硅的纳米磨削机理进行研究，基于分子动力学思想，建立了合适的碳化硅纳米磨削仿真模型，具有成本低、参数可调控、柔性高等优势。
[0138]
根据本发明的方案，通过所构建的分子动力学模型，仿真模拟纳米磨削含缺陷的碳化硅的过程，可以用于研究碳化硅内部缺陷在加工过程中的变化以及缺陷对加工结果和参数的影响。
[0139]
图8示出了根据本发明一个实施例的纳米磨削含缺陷的碳化硅的仿真装置800的结构示意图，装置800驻留在计算设备中，如图8所示，该装置800 包括依次耦接的构建模块802、确定模块804和仿真模块806。其中，构建模块802适于构建分子动力学模型，分子动力学模型包括含缺陷的碳化硅工件模型和用于对工件进行磨削的刀具模型。确定模块804适于确定分子动力学模型的仿真参数。仿真模块806适于根据仿真参数，利用刀具模型对含缺陷的碳化硅工件模型进行磨削仿真，以得到仿真结果。
[0140]
需要说明的是，本实施例提供的装置800的工作原理和流程与上述方法 200相似，相关之处，可参考对上述200的说明，在此，不再赘述。
[0141]
这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如可
移动硬盘、u盘、软盘、cd-rom或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被所述机器执行时，所述机器变成实践本发明的设备。
[0142]
在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的所述程序代码中的指令，执行本发明的方法。
[0143]
以示例而非限制的方式，可读介质包括可读存储介质和通信介质。可读存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在可读介质的范围之内。
[0144]
在此处所提供的说明书中，算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与本发明的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的较佳实施方式。
[0145]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0146]
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0147]
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
[0148]
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0149]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例
中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0150]
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
[0151]
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
[0152]
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。