硬盘驱动器头盘系统冲击动态特性研究

摘要

作为计算机最重要的存储设备，硬盘驱动器在个人电脑、便携设备和电子产品等领域都得到了广泛的应用，已经成为最重要的数据和程序载体之一。头盘系统是硬盘驱动器中最关键、最敏感的系统，对硬盘驱动器的容量扩展、微体积化、高存取效率以及可靠性等方面都起到了决定性作用，其动态性能直接决定了硬盘驱动器的整体性能。
　　本文以2.5英寸接触/起停式硬盘驱动器的头盘系统为研究对象，从头盘系统悬臂组件冲击理论分析和实验测试、头盘系统悬臂多目标优化设计、头盘系统不同初始条件下的冲击动态特性以及硬盘驱动器头盘系统跌落冲击动态特性几个方面进行了研究。主要研究工作如下:
　　(1)将硬盘驱动器头盘系统冲击下的悬臂组件简化为半正弦加速度脉冲作用下的悬臂梁振动，考虑冲击极值情况并应用准静态理论建立了悬臂组件位移响应方程，应用模态叠加法求解了悬臂组件最大位移响应，搭建了基于LDV的悬臂组件实验系统。
　　(2)基于头盘系统悬臂内外部工作环境和有限元分析，采用了正交实验设计和随机实验设计获取样本数据，应用支持向量机建立了悬臂代替模型，应用遗传算法求解了最大化头盘系统悬臂一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横向频率的多目标优化设计模型。
　　(3)综合考虑头盘系统空气轴承效应和悬臂预应力，基于LS-DYNA建立了工作状态下的硬盘驱动器头盘系统动力学有限元模型，分析了不同磁盘片约束和悬臂预应力对工作状态下的硬盘驱动器头盘系统冲击位移动态响应特性的影响。
　　(4)基于LS-DYNA对工作状态下硬盘驱动器不同姿态下的跌落冲击头盘系统响应进行了分析，通过研究头盘系统浮动块飞行高度、俯仰角、翻滚角、应力等关键参数响应，提出了工作状态下的硬盘驱动器头盘系统跌落冲击动态响应评价指标，分析了不跌落面和不同跌落角度对头盘系统跌落冲击动态响应的影响，探讨了跌落高度、外壳厚度和悬臂材料对头盘系统跌落冲击动态响应的影响。
　　本文的研究可为硬盘驱动器的抗振结构设计与控制、故障预测与诊断提供基础理论，对提高硬盘驱动器抗振性能和工作寿命具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 硬盘驱动器简介

1．2．1 硬盘驱动器的结构

1．2．2 硬盘驱动器的工作原理

1．3 国内外研究现状

1．3．1 硬盘驱动器头盘系统理论分析

1．3．2 硬盘驱动器头盘系统实验研究

1．3．3 硬盘驱动器头盘系统数值仿真

1．4 本文主要研究内容

第二章 头盘系统悬臂组件冲击动态特性分析

2．1 悬臂组件冲击动态特性理论分析

2．1．1 悬臂组件冲击建模描述

2．1．2 悬臂梁模型振动分析

2．1．3 悬臂组件的位移动态响应

2．2 悬臂组件冲击动态响应测试

2．3 理论求解与实验数据结果分析

2．4 本章小结

第三章 头盘系统悬臂多目标优化设计

3．1 头盘系统悬臂多目标优化设计建模

3．1．1 悬臂多目标优化设计模型

3．1．2 悬臂多目标优化设计流程

3．2 头盘系统悬臂有限元模态分析

3．3 头盘系统悬臂设计变量和实验设计

3．3．1 设计变量

3．3．2 实验设计

3．3 头盘系统悬臂多目标优化结果分析

3．4 本章小结

第四章 头盘系统冲击响应有限元分析

4．1 工作状态下的硬盘驱动器头盘系统受力分析

4．2 硬盘驱动器头盘系统有限元建模

4．2．1 有限元模型

4．2．2 预应力加载

4．3 硬盘驱动器头盘系统动态特性分析

4．3．1 磁盘片不同约束条件下的头盘系统动态特性

4．3．2 悬臂不同预应力条件下的头盘系统动态特性

4．4 本章小结

第五章 硬盘驱动器头盘系统跌落冲击动态特性分析

5．1 硬盘驱动器跌落冲击有限元建模

5．1．1 有限元模型

5．1．2 跌落状态设置

5．1．3 硬盘驱动器头盘系统跌落冲击动态响应评价

5．2 不同跌落条件下头盘系统跌落冲击动态特性分析

5．2．1 不同角跌落下的头盘系统跌落冲击动态特性分析

5．2．2 不同面跌落下的头盘系统跌落冲击动态特性分析

5．3 硬盘驱动器头盘系统跌落冲击动态特性影响因素分析

5．3．1 跌落高度对头盘系统跌落冲击动态特性的影响

5．3．2 外壳厚度对头盘系统跌落冲击动态特性的影响

5．3．3 悬臂材料对头盘系统跌落冲击动态特性的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文