涉及气体稀薄效应的磁头磁盘空气轴承动力学特性分析

发布时间：2017-04-28 00:02

  本文关键词：涉及气体稀薄效应的磁头磁盘空气轴承动力学特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：硬盘驱动器已经成为电子信息数据的主要存储媒介，其工作原理是不接触的磁头和磁盘通过电磁信号传递而实现数据的存储和交换。磁头和磁盘间距离的不断减小，使头盘界面间产生不稳定的风险大大增加。当磁头的飞行高度在几个纳米量级时，气体稀薄效应对该方面的动力学特性影响愈发显著。因此，研究磁头/磁盘界面在稳定工作时的动力学特性及稳定性，对延长硬盘驱动器的使用寿命，实现硬盘驱动器组件的优化设计，尤其是浮动块表面形貌和磁头结构的设计，具有重要的参考意义。 本文主要对硬盘驱动器磁头在纳米级飞行高度时的浮动块表面压力分布和磁头组件动力学特性进行研究。对磁头/磁盘界面上空气轴承作用机理及稳定性影响因素的研究现状进行了分析，提出了一种计及气体稀薄效应和范德华力作用的空气轴承动力学特性分析方法。考虑稀薄效应的影响，，建立了磁头/磁盘间范德华力作用模型，并推导出了作用力表达式。基于修正的雷诺方程和板间范德华力，计算出了不同形貌浮动块工作表面的压力分布，分析了表面形貌对压力分布造成的影响，对磁头浮动块表面形貌、接触区形成机理、接触面压力分布、空气轴承的形成等因素对磁头及浮动块动力学特性的影响进行了理论研究和仿真分析。 提出了基于COMSOL软件薄膜气流模块的磁头/磁盘界面超薄气膜润滑雷诺方程和范德华力的数值求解方法，对硬盘驱动器中磁头/磁盘系统浮动块表面上压力分布和空气轴承力进行了分析，得出了平板型空气轴承、双轨型空气轴承和复杂运动状态双轨型空气轴承在稳定工作状态时浮动块工作表面压力分布。 考虑了浮动块和磁盘、浮动块和悬臂之间的接触和碰撞等因素的影响，建立了磁头悬臂组件及硬盘片系统三自由度的动力学模型，在此基础上建立了动力学方程，并对方程中的主要参数（等效刚度、等效质量、等效阻尼转动惯量等）进行了逐一计算；利用MATLAB软件编程求解动力学方程，得到了不同浮动块表面形貌和不同运动状态下的磁头浮动块的振动特性和其恢复稳定状态的时间。研究表明，对于飞行高度为纳米量级的硬盘驱动器，磁头浮动块表面形貌结构设计和运动形态对硬盘驱动器工作性能影响很大，在研究中引入范德华力对空气轴承力的影响会使研究结果更接近于实际工作情况。
【关键词】：硬盘驱动器 空气轴承 稀薄效应 范德华力 动力学特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.35
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 硬盘驱动器技术的发展10-14
• 1.2.1 磁头技术发展11-12
• 1.2.2 磁盘技术发展12-13
• 1.2.3 浮动块技术发展13-14
• 1.3 磁头浮动块国内外研究现状14-17
• 1.3.1 国外研究现状14-15
• 1.3.2 国内研究现状15-17
• 1.4 本文研究的主要内容17-18
• 第2章 头盘界面空气轴承及范德华力作用分析18-30
• 2.1 空气轴承形成与修正雷诺方程推导18-20
• 2.2 修正的雷诺方程20-23
• 2.3 磁头/磁盘简化模型间范德华力表达式的推导23-26
• 2.4 求解方法选择和 CFD 模块中公式简化26-29
• 2.4.1 求解方法的选择27
• 2.4.2 求解器的选择27-28
• 2.4.3 软件中 CFD 模块公式的简化28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 磁头磁盘空气轴承动压特性仿真分析30-44
• 3.1 模型的建立及求解30-39
• 3.1.1 平板滑块几何模型30-32
• 3.1.2 双轨滑块几何模型32-35
• 3.1.3 复杂飞浮姿态下的双轨模型35-38
• 3.1.4 三个模型在不同条件时求解38-39
• 3.2 仿真结果分析39-43
• 3.3 本章小结43-44
• 第4章 头盘系统动力学特性及影响因素分析44-61
• 4.1 头盘系统动力学模型的建立44-46
• 4.2 建立动力学方程46-47
• 4.3 动力学方程中参数确定47-53
• 4.3.1 等效刚度、等效质量和转动惯量47-49
• 4.3.2 阻尼系数的计算49-51
• 4.3.3 磁头/磁盘系统中作用力的求解51-53
• 4.4 动力学方程的求解53-54
• 4.5 动力学方程求解结果分析54-60
• 4.5.1 平板浮动块的振动响应曲线54-55
• 4.5.2 双轨模型在飞行高度 h=10nm 时振动响应曲线55-57
• 4.5.3 复杂运动双轨模型在 h=10nm 时的振动响应曲线57-58
• 4.5.4 硬盘系统加载时浮动块受到冲击后的稳定时间58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果67-69
• 致谢69

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