超高磁记录密度硬盘可靠性的仿真研究

摘要

随着物联网、云计算、互联网和人工智能等新技术的迅猛发展与应用普及，信息数据量呈现爆炸式增长，大数据作为一种重要的战略资产已经不同程度地渗透到各行各业。国家信息基础设施和重要机构，尤其是金融、军事和科研院所等，承载着庞大的信息数据量，并且对信息安全有着极高的要求。半导体存储和光存储已经不能满足如此海量数据的增长需求，以硬盘为典型代表的磁存储仍然是解决这一矛盾的重要途径。硬盘存储器正朝着高密度、稳定可靠、低成本和安全等目标发展，实现10Tb/in2超高磁记录密度的存储目标，对促进我国乃至全球经济社会发展及保障大数据基础环境的安全具有重要意义。 为了实现10Tb/in2超高磁记录密度的存储目标，必须使用磁记录新技术，但同时更低的磁头飞行高度、更高的盘片转速和更精确的寻道定位给硬盘的工作可靠性带来了巨大挑战:(1)10Tb/in2超高磁记录密度硬盘的磁头飞行高度将小于5nm，悬臂梁沿盘片垂直方向的振动将会极大增加磁头与盘片（以下简称“头-盘”）碰撞的可能性，威胁头-盘系统的可靠性;(2)头-盘碰撞产生的磨损颗粒在高速旋转气流带动下与硬盘内壁面发生接触刮擦，并最终吸附在盘片和磁头等关键部件的表面，威胁头-盘系统可靠性;(3)在更快速的寻道中，悬臂梁沿盘片水平方向的振动将会增加磁道定位误差和定位时间，极大影响数据读写可靠性。 本论文以一款2.5英寸硬盘作为研究对象，以提高头-盘系统和寻道定位可靠性为研究目的，围绕减小超高磁记录密度硬盘悬臂梁的振动和硬盘内部颗粒运动轨迹与吸附开展仿真研究，研究内容具体包括: (1)基于声压的硬盘磁头超微振动的主动抑制:基于ANSYS Workbench(版本16.0)协同仿真环境，运用流-固耦合方法分析硬盘内部高速气流引起磁头超微振动的特性;分析基于声压的硬盘磁头超微振动的主动抑制机理;运用压电-固-声多物理场耦合方法，仿真计算从压电换能器（Piezoelectric Transducer，PZT）的激励电压到声压引起悬臂梁振动的关系式，确定有效抑制悬臂梁振动的PZT激励电压。 (2)硬盘磁头的寻道定位误差:基于ANSYS Workbench(版本16.0)协同仿真环境，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）三维动网格和流-固耦合方法模拟硬盘的寻道运动，研究寻道时间(10ms和5ms)和寻道加速方式（方波、三角波和正弦波）对磁头沿盘片水平方向振动的影响。 (3)硬盘内部颗粒的运动轨迹与吸附:根据颗粒-壁面碰撞理论模型，建立硬盘内壁面的颗粒吸附边界条件;基于流体计算软件ANSYS Fluent的离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)，二次开发ANSYS Fluent软件定义硬盘内壁面的颗粒吸附边界条件，分析吸附条件、温度和寻道运动对颗粒运动轨迹和吸附位置的影响。

目录

声明

摘要

1．1硬盘的介绍

1．1．1硬盘存储的特点

1．1．2硬盘的历史

1．2硬盘的主要组成

1．2．1磁头和盘片

1．2．2定位驱动机构

1．3硬盘的数据访问

1．3．1磁道与扇区

1．3．2寻道和磁道跟踪

1．4硬盘的发展趋势

1．4．1面存储密度

1．4．2磁记录新技术

1．4．3面临的问题

1．5国内外研究现状

1．5．1硬盘悬臂梁振动及其抑制的研究

1．5．2寻道运动对磁头动态特性的影响研究

1．5．3硬盘内部颗粒运动轨迹的研究

1．6论文的研究意义及其结构

1．6．1论文的研究意义

1．6．2论文的结构

第2章磁头超微振动特性及基于声压的硬盘磁头超微振动的主动抑制

2．1 磁头超微振动的原因

2．2磁头超微振动的抑制方法

2．2．1被动的抑制方法

2．2．2主动的抑制方法

2．3 基于声压主动抑制磁头超微振动的模型

2．3．1 反馈控制理论模型

2．3．2流-固-声-压电多物理场耦合仿真模型

2．4流-固-声-压电多物理场耦合仿真计算结果

2．4．1 内部流场和悬臂梁的流致振动仿真结果

2．4．2 PZT引起悬臂梁的声致振动仿真结果

2．4．3悬臂梁的流致振动与声致振动的叠加

2．5本章小结

第3章寻道运动对磁头定位精度的影响

3．1硬盘寻道运动特点

3．2硬盘寻道定位的工作模式及误差

3．3 基于动网格和流固耦合方法模拟寻道运动中磁头的振动

3．3．1 运用CFD三维动网格方法模拟硬盘寻道运动

3．3．2 运用流-固耦合方法模拟寻道运动后的磁头振动

3．4寻道运动后磁头的振动

3．4．1 寻道运动后磁头沿水平方向振动的峰-峰值小于6．3 nm所需的时间

3．4．2 寻道运动后磁头沿水平方向的振动谱

3．5本章小结

第4章吸附条件及温度对硬盘内部颗粒运动轨迹的影响

4．1 硬盘内部颗粒的产生及危害

4．2硬盘内部颗粒运动轨迹的研究

4．3硬盘壁面的吸附条件对颗粒运动轨迹的影响

4．3．1吸附条件的建立

4．3．2颗粒运动的仿真条件

4．3．3 考虑吸附条件时硬盘内部颗粒的运动轨迹

4．4硬盘内部温度场对颗粒运动轨迹的影响

4．4．1 仿真条件

4．4．2硬盘内部温度场和流场

4．4．3考虑温度时硬盘内部颗粒的运动轨迹

4．5本章小结

第5章寻道运动对硬盘内部颗粒运动轨迹的影响

5．1硬盘寻道运动中颗粒轨迹

5．2运用CFD三维动网格方法模拟硬盘寻道运动

5．3硬盘寻道过程中气流场的动态特性

5．4硬盘寻道运动对颗粒运动轨迹的影响

5．4．1 空气硬盘中颗粒的运动轨迹

5．4．2氦气硬盘中颗粒的运动轨迹

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢