冲击载荷下硬盘驱动器飞高动态响应与抗振性设计研究

硬盘驱动器对外界最敏感的是头盘系统，外界振动冲击引起的头盘碰撞是造成硬盘驱动器损坏的主要原因。本项目将运用机械动力学、空气动力学、计算流体动力学、信息处理和测试技术等相关理论和方法，分析磁头与磁盘之间的悬浮气膜形成机理，建立硬盘驱动系统流固耦合动力学模型；在综合考虑气膜特性、磁盘组件和磁头组件等机械部件的形状、材料以及运动副关系的基础上，发展硬盘驱动系统的有限元数值模型和动态模拟方法；研究硬盘驱动器头盘位移（飞高）、应变和加速度的精密动态试验测量方法，建立硬盘驱动系统动力学模型和有限元数值模拟；研究多种典型冲击载荷下的系统飞高动态响应，进而优化硬盘驱动器关键零部件结构形状和参数，提高抗振性能。该项目的研究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，对提高硬盘抗振性能和工作寿命具有重要意义。

本项目以硬盘驱动器为研究对象，深入研究冲击载荷下的硬盘驱动器头盘系统动态响应，提出和发展硬盘驱动器抗振性设计理论和方法，旨在为硬盘驱动器的抗振结构设计与控制提供理论依据。具体研究内容如下：（1）基于准静态理论建立悬臂组件动态响应模型，建立悬臂组件振动测试系统，获得磁头悬臂组件、传动臂组件的模态参数及振型；综合考虑头盘系统空气轴承效应和悬臂预应力，基于LS-DYNA建立工作状态和非工作状态下的头盘系统动力学有限元模型，分析悬臂结构特性和运动特性，提出基于SIMP法的悬臂一阶弯曲、一阶扭转、一阶弯曲的单目标拓扑优化模型；分析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；进行不同的冲击波形、脉冲幅值、脉冲宽度载荷下的磁头传动臂组件动态响应分析，获得典型冲击载荷下的磁头传动臂组件冲击响应谱。（2）基于硬盘驱动器各零部件相互装配关系，采用对称罚函数接触算法建立硬盘驱动器工作状态和非工作状态下整体跌落有限元模型；提出基于虚拟跌落试验的综合产品外在形貌和内在功能的耐撞性能评价指标；重点考察硬盘驱动器外壳应力、磁盘盘面接触面应力、头盘间距等跌落冲击动态响应，探讨传动臂材料、传动臂形状以及跌落角度对硬盘驱动器耐撞性能的影响，为硬盘驱动器耐撞性能优化设计提供理论依据。（3）基于硬盘驱动器整体跌落有限元模型，采用有限元分析与试验设计相结合方法，建立硬盘驱动器关键零件的结构参数与跌落冲击响应之间的非线性映射关系，兼顾不同的优化目标函数，发展神经网络与遗传算法相结合的硬盘驱动器耐撞性能多目标优化算法，通过结构参数优化提高硬盘驱动器的耐撞性能。针对硬盘驱动器跌落冲击条件的多样性和随机性，引入稳健设计理论，应用田口方法分析硬盘驱动器耐撞性能设计中的可控因素和噪声因素，并对减小地面硬度噪声的影响进行稳健设计，获得关键零件结构参数的最佳匹配，提高硬盘驱动器耐撞性能的稳健性。本项目发表国内外学术论文11篇，申请国家发明专利1项，培养硕士研究生四名；获湖南省自然科学优秀学术论文二等奖1项。