薄基片应力状态求解方法及其装置、仪器、终端、介质

本发明涉及精密测量与分析中的一种薄基片应力状态求解方法、与所述求解方法相对应的薄基片应力状态求解装置、采用所述求解方法的应力状态求解仪器、实现所述求解方法功能的计算机终端、存储实现所述求解方法功能程序的计算机可读存储介质，特别是涉及一种薄基片变形后的应力状态求解方法、与所述求解方法相对应的薄基片变形后的应力状态求解装置、采用所述求解方法的薄基片变形后的应力状态求解仪器、实现所述求解方法功能的计算机终端、存储实现所述求解方法功能程序的计算机可读存储介质。

背景技术：

1、薄基片是力学中薄板，几何特征是圆形，其厚度远小于直径，经机械加工的圆板产生亚表面损伤后，也属于薄基片的一种。薄基片经过加工之后会在表面损伤层留有残余应力，薄基片产生变形，需要求解其应力状态。薄基片通常用于制造微电子器件、光学元件和传感器等，其性能往往受到应力的影响。通过对薄基片的应力分析，可以帮助优化制造工艺，控制生产过程中的应力水平，从而改善产品的质量和性能。同时应力是导致微电子器件和光学元件失效的主要原因之一。通过对薄基片的应力分析，可以评估器件在不同应力条件下的可靠性，并设计出更可靠的产品。在科学研究领域，薄基片的应力分析对于理解材料的力学行为、表征材料性质以及探索新的应用具有重要意义。通过对薄基片的应力分析，可以推断材料的力学性质、应力状态和变形机制，为材料研究和应用提供重要参考。目前检测应力的方法有(1)应力检测仪器、(2)超声波检测、(3)光学方法、(4)有限元分析等方法。

2、(1)应力检测仪器由拉力计、压力计和应力仪等，这些仪器直接用于测量物体的受力情况和应力状态，有些仪器也可以提供实时的应力检测。但是应力测量仪的性能直接影响测量结果的准确性和可靠性，不同类型的应力测量仪的适用范围也不同，某些特定情况下可能无法满足使用要求。

3、(2)超声波技术可以用于检测物体内部的应力状况和结构变化。通过发射超声波信号测量其在材料中的速度和反射情况推断出材料的应力状态和结构特性。但是超声波检测对于不同的材料需要不同的校准和调整，而且超声波检测需要专门的设备和技术，操作复杂度比较高。

4、(3)光学方法包括全息干涉技术、数字图像相关、数字光栅等技术，用于通过光学原理检测物体的形变和应力状态。光学方法是非接触式的测量技术，可以在不破坏物体表面的情况下进行测量，测量的精度也比较高。光学设备通常需要较高的投资成本，不适用于所有场所。某些光学方法对环境条件比较敏感，如光线和温度，需要精密的控制和校准。

5、(4)有限元分析是一种数值模拟方法，用于模拟和分析物体的应力状态。通常将无图分解为小的有限单元，并在每个单元上求解力学方程，可以推断出整个物体的应力分布状态。有限元分析可以适用于不同的材料和结构，有很高的适用性。有限元分析通常需要大量的计算资源和时间，特别是对大型模型或者高精度要求的分析。有限元分析需要建立准确的有限元模型和对模型进行校准也需要一定的专业知识和经验。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有技术求解薄基片应力状态较为繁琐，拘泥于薄基片的材料和尺寸的技术问题，本发明提供一种薄基片变形后的应力状态求解方法、与所述求解方法相对应的薄基片变形后的应力状态求解装置、采用所述求解方法的薄基片变形后的应力状态求解仪器、实现所述求解方法功能的计算机终端、存储实现所述求解方法功能程序的计算机可读存储介质。

2、本发明采用以下技术方案实现：一种薄基片变形后的应力状态求解方法，其包括以下步骤：

3、获取薄基片变形后的曲率k；

4、根据曲率k通过计算模型得到曲率系数a和b；其中，所述计算模型设计为：

5、

6、式中，d为薄基片变形前的直径，h为薄基片变形前的整体厚度，v为薄基片的泊松比，e为薄基片的弹性模量；

7、根据曲率系数a和b通过应变方程得到径向应变εr和周向应变εθ；

8、根据径向应变εr和周向应变εθ通过物理公式得到薄基片变形后的应力状态：径向应力σr和周向应力σθ。

9、本发明通过设计了特定的关于曲率k的曲率系数a和b的计算模型，因此只要知道薄基片变形后的曲率k，就可以方便快捷的求解得到薄基片变形后的应力状态。本发明给出的是一种全新的思路创意，不再拘泥于薄基片的材料和尺寸，而是通过薄基片变形后的曲率k得到特定的曲率系数a和b，再用这样的曲率系数a和b去求取径向应变εr和周向应变εθ，最后根据径向应变εr和周向应变εθ得到薄基片变形后的应力状态：径向应力σr和周向应力σθ。因此，本发明解决了只能通过传统方法获得薄基片应力状态的问题，通过本发明的“测量薄基片的变形并对其变形进行球拟合得到的曲率，代入计算模型直接得到曲率系数，再求解薄基片各处的应力状态”，能够相对快速方便地得到薄基片的应力状态，而且不拘泥于薄基片的材料和尺寸。本发明为薄基片的研究工作提供了方便快捷的方式，对关于薄基片的研究具有一定的帮助。

10、作为上述方案的进一步改进，曲率k的获取方法包括以下步骤：

11、测量薄基片变形后的坐标信息；

12、通过所述坐标信息对变形后的薄基片进行球拟合得到其曲率半径；

13、取所述曲率半径的倒数得到曲率k。

14、进一步地，用激光测量仪测量薄基片变形后的坐标信息。

15、进一步地，以所述薄基片的圆心为原点o，以所述薄基片所选平面建立x-y坐标系，以垂直于x轴和y轴所在平面的垂直向为z轴，建立o-xyz坐标系；

16、所述坐标信息包括薄基片径向坐标的坐标位置和垂直于所选平面的z轴变形数据；所述薄基片径向坐标指以原点o为圆心、半径为变量的采集点的集合，所述所选平面指所述薄基片在变形前处于所述坐标系下的平面，且所述坐标位置处于相同半径的所有采集点在所选平面上均匀分布。作为上述方案的进一步改进，所述应变方程设计为：

17、

18、式中，以薄基片的圆心为原点、以薄基片中应力平衡的面为基准面建立用来描述薄基片中任一位置应变和应力的坐标系，所述薄基片径向坐标r指以薄基片的原点为圆心、半径为变量的采集点的集合，z为其在建立的坐标系中的垂直于所述基准面的坐标轴的坐标，所述应力平衡的面为距薄基片变形后的损伤层2/3h并与所述损伤层平行的面。作为上述方案的进一步改进，所述物理公式设计为：

19、

20、本发明还提供一种薄基片变形后的应力状态求解装置，其采用了上述任意的薄基片变形后的应力状态求解方法，所述应力状态求解装置包括：

21、曲率获取模块，其用于获取薄基片变形后的曲率k；

22、曲率系数计算模块，其用于根据曲率k通过计算模型得到曲率系数a和b；其中，所述计算模型设计为：

23、

24、式中，d为薄基片变形前的直径，h为薄基片变形前的整体厚度，v为薄基片的泊松比，e为薄基片的弹性模量；

25、周径向应变计算模块，其用于根据曲率系数a和b通过应变方程得到径向应变εr和周向应变εθ；

26、应力状态计算模块，其用于根据径向应变εr和周向应变εθ通过物理公式得到薄基片变形后的应力状态：径向应力σr和周向应力σθ。

27、本发明还提供一种应力状态求解仪器，其采用了上述任意的薄基片变形后的应力状态求解方法。

28、本发明还提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现上述任意的薄基片变形后的应力状态求解方法的步骤。

29、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行上述任意的薄基片变形后的应力状态求解方法的步骤。

30、与现有薄基片变形后的应力状态的四种应力检测方法相比，本发明具备如下有益效果：

31、1.本发明通过设计了特定的关于曲率k的曲率系数a和b的计算模型，因此只要知道薄基片变形后的曲率k，就可以方便快捷的求解得到薄基片变形后的应力状态。本发明给出的是一种全新的思路创意，不再拘泥于薄基片的材料和尺寸，而是通过薄基片变形后的曲率k得到特定的曲率系数a和b，再用这样的曲率系数a和b去求取径向应变εr和周向应变εθ，最后根据径向应变εr和周向应变εθ得到薄基片变形后的应力状态：径向应力σr和周向应力σθ。因此，本发明解决了只能通过传统方法获得薄基片应力状态的问题，通过本发明的“测量薄基片的变形并对其变形进行球拟合得到的曲率，代入计算模型直接得到曲率系数，再求解薄基片各处的应力状态”，能够相对快速方便地得到薄基片的应力状态，而且不拘泥于薄基片的材料和尺寸。

32、2.本发明还通过所在团队设计的应变方程，相比业内已知的应变方程，能够让求解的应力状态值更为准确，极大的缩小了误差。

33、3.本发明为薄基片的研究工作提供了方便快捷的方式，对关于薄基片的研究具有一定的帮助。