磁頭-磁盤系統(tǒng)沖擊響應(yīng)數(shù)值分析及實(shí)驗研究.pdf

1、硬盤(Hard Disk Drive，HDD)是一種重要的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，主要由磁盤、磁頭、滑塊、懸臂、轉(zhuǎn)軸、主軸電機(jī)等組成。其中，磁頭附著在滑塊尾部，當(dāng)硬盤工作時，磁頭滑塊在懸臂和轉(zhuǎn)軸的作用下飛行在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤上方，實(shí)現(xiàn)讀/寫功能。為了提高儲存密度，磁頭滑塊與磁盤之間的距離即磁頭滑塊的飛行高度已經(jīng)小于10nm。在工作的過程中，硬盤可能由于移動、碰撞和跌落而導(dǎo)致磁頭滑塊與磁盤之間的相對位置發(fā)生改變，影響硬盤的工作性能。因此，研究工作中的

2、硬盤遭受外界干擾情況下磁頭/磁盤系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性（即磁頭滑塊與磁盤之間的相對位置隨時間的變化規(guī)律），對于控制和改善硬盤的工作性能有著重要意義。針對磁頭/磁盤界面FK-Boltzmann氣膜潤滑方程表達(dá)式較為復(fù)雜、求解困難的問題，本文用一個分段線性函數(shù)去逼近FK-Boltzmann模型中的流率函數(shù)，推導(dǎo)了一個表達(dá)式相對比較簡單的模型，即線性化流率模型(Linearized Flow Rate，LFR)，通過算例表明:線性化流率模型與FK

3、-Boltzmann模型計算結(jié)果相對誤差很小，計算效率提高了大約20％。
　　采用有限體積法離散氣膜潤滑方程，引入控制體積邊界高度不連續(xù)因子，成功解決了高度不連續(xù)帶來的流量問題，并通過線高斯迭代法和追趕法求解了離散后形成的方程組。同時，以磁頭滑塊壓力梯度為網(wǎng)格密度函數(shù)，通過自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)在壓力梯度大的區(qū)域分布較多網(wǎng)格、在壓力梯度小的區(qū)域分布較少網(wǎng)格，從而保證在網(wǎng)格總數(shù)一定的情況下獲得較為合理的網(wǎng)格分布。多重網(wǎng)格法用于提高求解氣膜潤

4、滑方程的計算效率，因為在研究磁頭/磁盤系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性過程中需要反復(fù)求解氣膜潤滑方程，如果計算效率過低，會導(dǎo)致整個計算過程效率下降。文中采用了5層網(wǎng)格，迭代初值在第3層網(wǎng)格賦值。數(shù)值結(jié)果顯示，這種結(jié)合了有限體積法、自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)、多重網(wǎng)格法的數(shù)值計算方法，有效地提高了計算氣膜潤滑方程的計算效率，為研究磁頭/磁盤系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性節(jié)省了許多計算時間。
　　為了模擬磁頭/磁盤系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性，需要在Ansys中建立一個包括磁盤、磁頭滑塊

5、、懸臂、轉(zhuǎn)軸、外殼等的有限元模型。其中，磁頭/磁盤界面氣膜承載力隨著時間發(fā)生變化，需要通過自己編寫的程序反復(fù)求解氣膜潤滑方程獲得氣膜承載力，并把該力作用到硬盤系統(tǒng)有限元模型上。因此，需要在Ansys軟件與求解氣膜潤滑方程程序之間進(jìn)行相互調(diào)用，并傳遞計算參數(shù)。本文通過LS-DYNA的重啟動功能成功解決了這個問題，并模擬了硬盤外殼遭受不同波形、不同振幅、不同周期的加速度載荷時磁頭/磁盤系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性。模擬結(jié)果顯示，沖擊載荷振幅的增加會導(dǎo)

6、致飛行參數(shù)變化幅度增加，周期的增加會延遲飛行參數(shù)的變化，而波形對飛行參數(shù)的影響較小。
　　基于硬盤讀回電壓信號與磁頭/磁盤之間距離的關(guān)系，搭建了實(shí)驗平臺。以數(shù)值模擬中采用的硬盤為被測試對象，開展實(shí)驗測量研究。把位移載荷施加到硬盤的外殼上，獲取不同振幅、不同周期情況下的磁頭與磁盤之間的距離，并與相同條件下的數(shù)值模擬值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明:磁頭/磁盤之間距離變化的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗測量結(jié)果的變化頻率幾乎相同，大多數(shù)區(qū)域的相對誤差很小，