计算机光盘驱动器高速旋转盘片的解析动力学研究

发布时间：2017-05-02 21:09

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【摘要】：旋转盘片作为旋转机械中的基本元器件,广泛应用于计算机数据存取设备、圆盘锯片、旋转圆盘干燥机、盘式制动器和发动机与液力变矩器间的弹性连接盘等领域。计算机光盘驱动器中光盘旋转时的振动会造成数据读取错误、光驱和光盘寿命降低等问题,因此对光盘驱动器高速旋转盘片动力学特性进行研究具有重要的科学意义和实用价值。 本文首先对光驱的内部结构和工作原理进行了分析,根据实际测量结果在CATIA中建立光驱和盘片的三维模型。使用ANSYS有限元软件对光驱进行了受力分析和刚度计算,并求解了支架装置及盘片在无转速和高转速(7200转／分,15000转／分)下的振动模态和固有频率。接下来,考虑电机的发热量,并分析计算盘片热对流系数和盘片内径处热流密度,利用ANSYS有限元获得盘片及支架装置的温度分布,研究在热应力和离心应力的共同作用下盘片及支架装置的振动模态和固有频率。这一部分ANSYS有限元研究为下文解析开展盘片动力学特性分析提供数据支持和结果验证参照。其次,基于板壳振动力学基本原理,考虑盘片旋转离心应力,根据盘片的力平衡方程及实际边界条件获得盘片上任意点的应力分布函数,通过旋转盘片的动能和势能应用汉密尔顿原理推导旋转盘片的横向振动变形偏微分方程及其边界条件。采用伽辽金法对偏微分方程进行离散处理获得其常微分方程组模型,通过特征值计算,研究转速和盘片固有频率间的变化关系,.得出盘片的临界转速,同时分析盘片厚度、外径和内径对其临界转速和固有频率的影响。再次,分析旋转盘片的传热学特性,建立盘片的热传导方程模型及其边界条件,并将内径处的边界条件分为温升和热流密度两种情况进行求解和讨论。对温度影响下的盘片进行热弹性内力分析,应用达朗伯原理得出热弹性盘片力平衡和弯矩平衡方程,建立旋转盘片热弹性横向振动方程模型及对应的边界条件。对温度场和热应力函数进行解析求解,并使用伽辽金法对热弹性盘片振动方程进行离散化处理,进而研究盘片内径处的温升和热流密度对高速旋转热弹性盘片动力学特性的影响。最后,在盘片内径处考虑其五自由度简化支撑模型,重新确立旋转盘片的动能和势能,根据汉密尔顿原理得出盘片的横向振动控制方程,同样应用伽辽金法对方程离散,进而分析各支撑刚度对旋转盘片动力学特性的影响。 在国家自然科学基金项目“超临界转速旋转圆盘热弹性耦合动力学和减振机理研究(51105164)”的资助和支持下,本文以计算机光盘驱动器为应用背景所开展的高速旋转盘片解析动力学研究工作,可为计算机光驱以及旋转盘片其它应用领域的发展奠定理论基础和提供技术参考。
【关键词】：旋转盘片 计算机光驱 热弹性耦合 支撑刚度 固有频率 临界转速
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333.4;TH113
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究目的和意义12-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 旋转盘片自身的动力学特性15-18
• 1.2.2 旋转盘片与工作环境中空气间的耦合振动18
• 1.2.3 旋转盘片温度分布的变化对其动力学特性的影响18-20
• 1.3 研究内容20-24
• 1.3.1 盘片及支架装置的有限元分析20
• 1.3.2 旋转盘片自身解析动力学研究20-21
• 1.3.3 考虑热影响的旋转盘片解析动力学研究21
• 1.3.4 考虑支撑刚度的旋转盘片解析动力学研究21
• 1.3.5 解析法与有限元法的优缺点21-24
• 第2章 盘片及支架装置的有限元分析24-46
• 2.1 光驱的内部结构、材料及工作原理24-28
• 2.1.1 光驱的内部结构24-26
• 2.1.2 托盘结构及工作原理26-28
• 2.1.3 结构材料28
• 2.2 支架装置的静力学分析28-31
• 2.2.1 支架装置的模型建立及网格划分29
• 2.2.2 支架装置受力分析及刚度计算29-31
• 2.3 盘片及支架装置模态分析31-38
• 2.3.1 无转速盘片及支架装置模态31-34
• 2.3.2 转速对盘片及支架装置模态的影响34-38
• 2.4 热应力下盘片及支架装置模态38-44
• 2.4.1 电机发热量分析38-39
• 2.4.2 盘片及支架表面热对流系数39-40
• 2.4.3 盘片及支架装置热应力分布及模态40-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第3章 旋转盘片自身解析动力学分析46-68
• 3.1 旋转盘片动力学方程的建立46-52
• 3.1.1 旋转盘片内力分析46-51
• 3.1.2 旋转盘片能量计算及振动方程的推导51-52
• 3.2 旋转盘片动力学分析52-58
• 3.2.1 旋转盘片横向位移函数的建立53-57
• 3.2.2 推导旋转盘片动力学方程57-58
• 3.2.3 盘片固有频率分析58
• 3.3 数值计算及结果讨论58-67
• 3.3.1 S_n,L_n,k_(m,n)C_(m,n)的计算58-59
• 3.3.2 转速对盘片固有频率的影响59-63
• 3.3.3 盘片厚度对固有频率和临界转速的影响63-64
• 3.3.4 盘片外径对固有频率和临界转速的影响64-65
• 3.3.5 盘片内径对固有频率和临界转速的影响65-67
• 3.4 本章小结67-68
• 第4章 考虑热影响的旋转盘片解析动力学分析68-92
• 4.1 考虑热影响的盘片动力学方程的建立68-72
• 4.1.1 旋转盘片热弹性内力分析68-69
• 4.1.2 旋转盘片热弹性动力学建立及边界条件69-72
• 4.2 考虑热影响的盘片动力学分析72-82
• 4.2.1 温度场的求解过程72-76
• 4.2.2 应力函数的求解过程76-80
• 4.2.3 盘片位移的求解过程80-82
• 4.3 数值计算及结果讨论82-90
• 4.3.1 盘片内径处温升边界条件对盘片振动的影响83-86
• 4.3.2 盘片内径处热流密度边界条件对盘片振动的影响86-90
• 4.3.3 盘片内径处温升和热流边界条件对比分析90
• 4.4 本章小结90-92
• 第5章 考虑支撑刚度的旋转盘片解析动力学分析92-110
• 5.1 考虑支撑刚度的旋转盘片模型建立及动力学分析92-101
• 5.1.1 坐标系建立92-94
• 5.1.2 旋转盘片动能和势能94-96
• 5.1.3 控制方程及分析96-101
• 5.2 数值计算及结果讨论101-108
• 5.2.1 在给定支撑刚度下转速对盘片固有频率的影响102-105
• 5.2.2 在无转速下支撑刚度对盘片固有频率的影响105-106
• 5.2.3 在高转速下支撑刚度对盘片固有频率的影响106-108
• 5.3 本章小结108-110
• 第6章 结论与展望110-112
• 6.1 结论110-111
• 6.2 不足与展望111-112
• 参考文献112-120
• 作者简介120-122
• 致谢122

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本文编号：341697