产品跌落冲击动力学分析与耐撞性能稳健设计

发布时间：2020-10-17 00:18

　　 跌落冲击是许多小型机电产品在其寿命周期内失效的常见原因。目前,小型机电产品设计开发一般遵循初步设计、样机跌落试验、再改进设计的传统模式。为确保产品的耐撞性能,产品批量生产前须按相关标准通过跌落试验的检验。然而,即使在产品开发中通过了样机跌落试验检验,产品在使用过程中跌落损坏仍是这类产品失效的主要原因之一,而且传统的产品耐撞性设计模式费钱费时,已越来越不适应于小机电、特别是数字产品个性化、多样化和快速响应的市场要求。因此,如何突破传统的产品跌落冲击耐撞性设计模式、提高产品的耐撞性与稳健性就成为亟待研究的课题。 本文从产品跌落冲击动态响应、跌落冲击耐撞性能分析、结构参数优化以及耐撞性能稳健设计优化几个方面进行了理论分析与试验研究。主要研究工作如下: 针对小型产品跌落冲击耐撞性能设计的特殊性以及产品跌落冲击耐撞性动态设计中存在的不确定性,在总结了产品跌落冲击动态响应以及稳健设计的研究进展基础上,提出了基于数值模拟耐撞性综合评价体系的产品跌落冲击耐撞性能稳健设计优化方法。并以目前常用便携式电子产品---移动硬盘和存在液固耦合作用的弹性储液容器为研究对象,借助数值模拟技术,进行了移动硬盘和弹性储液容器的跌落冲击动力学特性分析和耐撞性能稳健优化设计。 建立了移动硬盘关键部件---磁头传动臂组件有限元模型,通过理论分析、有限元模态分析和模态试验,获得了磁头传动臂组件的模态参数。进行了不同冲击波形、不同脉冲幅值、不同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。基于移动硬盘各零部件相互装配关系,采用对称罚函数接触算法建立了移动硬盘整体跌落有限元模型,通过移动硬盘跌落冲击实验验证了有限元模型的可行性,提出了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,探讨了传动臂材料、传动臂形状以及跌落角度对移动硬盘耐撞性能的影响,为移动硬盘耐撞性能优化设计提供了理论依据。 基于移动硬盘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,建立了移动硬盘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,发展了神经网络与遗传算法相结合的移动硬盘耐撞性能多目标优化算法,通过结构参数优化提高了移动硬盘的耐撞性能。针对移动硬盘跌落冲击条件的多样性和随机性,引入稳健设计理论,应用田口方法分析了移动硬盘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了稳健设计,获得了关键零件结构参数的最佳匹配,提高了移动硬盘耐撞性能的稳健性。 针对生活中广泛运用的弹性储液容器的跌落冲击特性,考虑跌落冲击存在的不确定性和液固耦合作用,采用ALE算法建立了弹性储液容器的跌落冲击液固耦合动力学有限元模型。探讨了不同冲击参数、结构参数对饮水桶桶体等效应力分布的影响,采用有限元和人工神经网络相结合方法来计算储液容器跌落冲击接触点最大应力值,避免了探求储液容器跌落冲击下数学模型建立的复杂过程,为储液容器耐撞性评价与优化设计提供理论支撑。 本文通过提出产品跌落冲击耐撞性能稳健设计优化方法,对移动硬盘和弹性储液容器的跌落冲击动态响应进行了定量分析和稳健优化设计,提高了产品跌落冲击耐撞性能,验证了所提产品跌落冲击耐撞性能稳健设计优化方法的正确性和有效性,为产品跌落冲击动力学分析和耐撞性能稳健设计提供了新的理论依据和实践参考。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH113
【部分图文】：

图 1-6 四种跌落方向Figure 1-6 Four drop direction域的稳健设计研究，考虑到产品跌落冲击耐撞撞性评价和优化设计的思想，实现产品耐撞性如下：①产品跌落冲击参数、设计参数分布随落角度、跌落高度、地板刚度、冲击摩擦系数产品的材料、产品的工作条件等设计参数分布耐撞性性能函数的数学模型建立。产品跌落冲常用的一阶或二阶响应面来构成数值仿真评价能设计是一个多因素多性能、复杂的技术经济设计变量、多性能设计中，各性能之间因受相在设计优化模型中，一些可能作目标，另一些定性传递时，稳健性设计优化问题就变得更为评价指标的选取、评价指标之间的折中、评价

硬盘驱动器独特的机械工作方式和部件结构。动硬盘的内部结构与工作原理的基础上，通验，分析磁头传动臂组件的模态参数和模态过分析不同波形、不同脉冲幅值、不同脉冲究系统的冲击响应谱，为磁头传动臂组件的器的结构和工作原理（Configuratiord Disk）器的典型结构类繁多，但在电路和结构上均大同小异，主 HDA(Head Disk Assembly)、印制电路板 面板、减震安装支架及其他附件。图 3-1 是

可以算出该悬臂梁的前三阶固有频率如表 3-1 所示，图3-3 为前三阶模态振型。表 3-1 各阶固有频率理论值Table 3-1 Natural frequency theoretical value固有频率阶数理论分析值（Hz）1 1.6252 6.5503 14.738图 3-3 悬臂梁前三阶模态振型Figure 3-3 The first three mode types of cantilever beam3.4 传动臂组件有限元模态分析(FEM Modal Analysis of ActuatorArm Assembly)模态分析作为机械和结构动力学中一种极为重要的分析方法，在工程实际中得到了广泛的运用。模态分析的基本思想是将描述机械、结构动态性能的矩阵方程解耦，从而使 N 自由度系统的动力学特性可以用单自由度系统来表示。模态分析通过每一个模态具有的固有频率、阻尼比和模态振型，展示了结构的固有振动形态，为人们提供了一种直观的分析结构振动状态的方法。通过对模态振型的分析，易于找出结构的薄弱环节，易于判别振动的原因，易于提出对结构进行改进的修改意见。当移动硬盘受到振动或冲击时，盘片、磁头、悬臂、传动臂等机械部件都会发生不同程度的振颤，从而造成磁头与盘片的碰撞和损坏。因此，由悬臂、传动臂等零件组成的传动臂组件的动力学特性是决定移动硬盘的耐撞性能的重要
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本文编号：2843991