楊書(shū)儀 劉德順 趙繼云 文澤軍

1.湖南科技大學(xué)，湘潭，411201 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州，221116

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用于各行各業(yè)，作為各種文本、數(shù)據(jù)和媒體儲(chǔ)存、交互的存儲(chǔ)介質(zhì)——硬盤(pán)已不僅局限于臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，其使用范圍已擴(kuò)展到便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域。在多種信息存儲(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，超微型和大容量是以硬盤(pán)為代表的磁存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。由于跌落沖擊耐撞性能是衡量移動(dòng)硬盤(pán)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，因而如何提高移動(dòng)硬盤(pán)自身的耐撞性和可靠性以避免其在使用中跌落損壞的問(wèn)題吸引了眾多研究者的興趣。文獻(xiàn)［1］運(yùn)用有限元方法探討了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器頭盤(pán)系統(tǒng)在不同接觸剛度下的跌落沖擊響應(yīng)。文獻(xiàn)［2－4］運(yùn)用理論計(jì)算和數(shù)值仿真的方法探討了空氣軸承剛度在不同脈沖激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及軸承剛度對(duì)傳動(dòng)臂在跌落沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響。文獻(xiàn)［5］運(yùn)用有限元仿真和試驗(yàn)研究的方法從機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，探討了系統(tǒng)如何獲取最小的振動(dòng)。文獻(xiàn)［6］建立了頭盤(pán)系統(tǒng)工作狀態(tài)下浮動(dòng)磁頭和磁盤(pán)的沖擊響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)工作狀態(tài)下頭盤(pán)系統(tǒng)的沖擊特性進(jìn)行了理論計(jì)算。文獻(xiàn)［7］利用數(shù)值模擬方法分析了在正弦半波激勵(lì)條件下頭盤(pán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程。文獻(xiàn)［8－9］分析了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)器懸架和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器整體的模態(tài)，為懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)和硬盤(pán)隔振設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

綜上所述，很多文獻(xiàn)對(duì)硬盤(pán)磁頭組件、頭盤(pán)組件等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真。但在移動(dòng)硬盤(pán)整體跌落沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)研究方面鮮見(jiàn)報(bào)道。由于移動(dòng)硬盤(pán)結(jié)構(gòu)的特殊性和跌落沖擊的瞬時(shí)性，給試驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)了困難。在各大生產(chǎn)廠商的實(shí)際生產(chǎn)中，往往只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，難以對(duì)移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。同時(shí)，樣機(jī)跌落沖擊試驗(yàn)是根據(jù)規(guī)范的（有限的）跌落沖擊試驗(yàn)（仿真）進(jìn)行，并沒(méi)有考慮產(chǎn)品實(shí)際使用中多樣的（無(wú)限的）跌落沖擊條件和由此引發(fā)的隨機(jī)不確定性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬建立某品牌6.35cm（2.5in）的移動(dòng)硬盤(pán)整體跌落沖擊的有限元模型，引入穩(wěn)健設(shè)計(jì)理論，分析影響移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能穩(wěn)健性的可控因素和噪聲因素；基于磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力的望小特性，運(yùn)用Taguchi參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以地面硬度作為噪聲因素，對(duì)移動(dòng)硬盤(pán)關(guān)鍵零件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，尋求外殼厚度、傳動(dòng)臂厚度、懸臂厚度以及軸承剛度的最佳匹配。

1 移動(dòng)硬盤(pán)跌落沖擊有限元建模

移動(dòng)硬盤(pán)是一個(gè)精密的微機(jī)電系統(tǒng)，主要由外殼、芯片（PCB）和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成，其中硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器封裝在移動(dòng)硬盤(pán)的凈化腔體內(nèi)，主要由磁頭組件和磁盤(pán)組件兩大部分組成。磁頭組件包括浮動(dòng)磁頭、懸臂、傳動(dòng)臂、樞軸軸承和音圈電機(jī)等；磁盤(pán)組件包括磁盤(pán)、驅(qū)動(dòng)軸承和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件。

移動(dòng)硬盤(pán)跌落地面是一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的過(guò)程，其跌落地面時(shí)與地面的接觸和沖擊載荷影響著跌落沖擊的全過(guò)程，系統(tǒng)除具有幾何非線性和材料非線性以外，還有接觸界面的非線性［10］。本文建立的數(shù)值仿真模型是移動(dòng)硬盤(pán)在非工作狀態(tài)下的整體跌落有限元模型，主要由移動(dòng)硬盤(pán)和剛性地面兩部分組成，采用實(shí)體建模方法生成。在有限元模擬分析中，對(duì)于跌落沖擊載荷的施加通常采用自由落體法，結(jié)合能量守恒，將外殼、磁盤(pán)盤(pán)片、傳動(dòng)臂組件等作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)模擬自由跌落的整個(gè)過(guò)程?；陲@式動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS／LS－DYNA建立移動(dòng)硬盤(pán)自由落體的有限元模型如圖1所示（為了能全面觀察到移動(dòng)硬盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該有限元模型圖中去除了部分外殼和零件）。

圖1 自由落體有限元模型

移動(dòng)硬盤(pán)的跌落高度為800mm、跌落角度為移動(dòng)硬盤(pán)軸線與地面夾角30°。離散單元采用3節(jié)點(diǎn)或4節(jié)點(diǎn)殼單元及8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。模型中任何正在接觸及跌落沖擊后可能發(fā)生接觸的部件都定義了接觸界面，如外殼與地面、磁頭與磁盤(pán)盤(pán)片、懸臂與磁盤(pán)盤(pán)片等。在計(jì)算時(shí)主要使用了3種材料模型，即彈塑性材料模型、剛性材料模型以及線彈性彈簧模型，數(shù)值模型采用mm－ms－kg單位制。移動(dòng)硬盤(pán)跌落沖擊有限元模型中part組數(shù)為14、單元數(shù)為29 558，節(jié)點(diǎn)數(shù)為42 515。

2 移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型

穩(wěn)健設(shè)計(jì)的一個(gè)基本概念是：設(shè)計(jì)變量和噪聲因素的變差都將傳遞給設(shè)計(jì)函數(shù)，引起質(zhì)量指標(biāo)和約束的變差，同時(shí)變差的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律也將影響設(shè)計(jì)函數(shù)的概率統(tǒng)計(jì)性質(zhì)［11］。移動(dòng)硬盤(pán)跌落沖擊動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)模型的基本要素包括信號(hào)因素（輸入）y0、設(shè)計(jì)變量（參數(shù)）x、噪聲因素z和質(zhì)量特性（輸出因素）y，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)健設(shè)計(jì)圖解

圖2所示的圖解設(shè)計(jì)模型表明，跌落沖擊動(dòng)態(tài)特性（輸出）y是設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出，由于它受到設(shè)計(jì)變量x和噪聲因素z的影響，所以y是x和z的線性、非線性、顯式或隱式的隨機(jī)函數(shù)。

3 基于Taguchi方法的關(guān)鍵零件參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 可控因素的選取

根據(jù)移動(dòng)硬盤(pán)的工作原理和設(shè)計(jì)條件，一些參數(shù)是可以預(yù)先確定下來(lái)的，如外殼、PCB板、磁頭、磁盤(pán)盤(pán)片、主軸軸承、傳動(dòng)臂、懸臂等零件所用材料是根據(jù)設(shè)計(jì)要求提前確定下來(lái)的，還有傳動(dòng)臂、懸臂等零件外形尺寸也是根據(jù)設(shè)計(jì)要求提前確定的。本文選取外殼厚度W、傳動(dòng)臂厚度D、懸臂厚度H以及軸承剛度K作為可控因素。

3.2 噪聲因素的選取

移動(dòng)硬盤(pán)系統(tǒng)性能的干擾主要來(lái)源于跌落沖擊參數(shù)的隨機(jī)性而導(dǎo)致作用在移動(dòng)硬盤(pán)上脈沖激勵(lì)的波動(dòng)。原則上，應(yīng)該選擇所有跌落沖擊參數(shù)作為噪聲因素。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文選取地板彈性模量E作為噪聲因素。在有限元分析中，通過(guò)選取不同的地面本構(gòu)關(guān)系參數(shù)值來(lái)描述軟、中、硬三種地面的性質(zhì)，本文選取普通碳素鋼的彈性模量210GPa作為硬地面的彈性模量值，而中、軟地面的彈性模量分別為190GPa、170GPa，其各參數(shù)水平值如表1所示。

表1 因素水平表

（3）磁頭傳動(dòng)臂與磁盤(pán)的間距（兩點(diǎn)位移差）變化量。間距變化量越小，工作狀態(tài)時(shí)磁頭飛行于磁盤(pán)上方的高度（飛高）變化越小，工作越穩(wěn)定；非工作狀態(tài)時(shí)磁頭對(duì)磁盤(pán)盤(pán)面的沖擊越小。也就是說(shuō)，間距變化量越小，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案耐撞性能越好。

3.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本算例中假設(shè)各參數(shù)之間沒(méi)有交互作用，確定內(nèi)表采用正交表L9（34）制定，外表采用正交表L3（31）制定，從而獲得試驗(yàn)可控參數(shù)的取值如表2所示。

表2 可控因素水平／數(shù)據(jù)表

3.3 質(zhì)量特性的確定

移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能是其直接抵抗沖擊造成的外形美感喪失和內(nèi)在功能失效的能力。在跌落沖擊作用下，具有懸臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的磁頭傳動(dòng)臂組件會(huì)使得磁頭偏離盤(pán)片或上下振蕩敲擊、劃傷盤(pán)片，甚至損壞磁頭；磁盤(pán)盤(pán)片在沖擊力作用下也會(huì)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致磁頭讀寫(xiě)數(shù)據(jù)困難。引起磁頭磁盤(pán)損壞的主要原因是磁盤(pán)盤(pán)片上應(yīng)力和磁頭傳動(dòng)臂組件變形太大。顯然，單一的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)是不能較好地表征產(chǎn)品耐撞性能。這里選擇移動(dòng)硬盤(pán)跌落沖擊過(guò)程中如下動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為質(zhì)量特性來(lái)評(píng)價(jià)其設(shè)計(jì)方案的耐撞性能：

（1）移動(dòng)硬盤(pán)外殼上受到的最大應(yīng)力。應(yīng)力越小，外殼產(chǎn)生劃痕、塑性變形、斷裂和聯(lián)接松動(dòng)等的可能性越小，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案耐撞性能越好。

（2）磁盤(pán)盤(pán)片接觸面上受到的最大應(yīng)力。應(yīng)力越小，磁盤(pán)盤(pán)片發(fā)生損壞的可能性越小，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案耐撞性能越好。

式中，n為噪聲因素的水平數(shù)；yi為第i組的試驗(yàn)結(jié)果值。

3.5 信噪比計(jì)算

從上述分析可知，在移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)中希望外殼最大應(yīng)力、磁頭與磁盤(pán)間距、磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力越小越好，均為望小特性。對(duì)于表2中的每個(gè)試驗(yàn)，將表3中的試驗(yàn)結(jié)果值根據(jù)下式計(jì)算出每一組實(shí)驗(yàn)方案信噪比的SN值：

表3 試驗(yàn)結(jié)果表

以方案1中外殼應(yīng)力最大時(shí)的計(jì)算為例，計(jì)算結(jié)果為再類(lèi)似由3個(gè)不同噪聲因素水平下的y值求得9個(gè)方案中外殼最大應(yīng)力、磁頭與磁盤(pán)間距以及磁盤(pán)接觸面最大等效應(yīng)力的信噪比η，結(jié)果如表4所示。

表4 可控因素信噪比

4 基于磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力望小特性的參數(shù)最優(yōu)結(jié)果與驗(yàn)證

本文以磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力越小越好為目標(biāo)，進(jìn)行各可控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，由直觀分析法可得，表4中方案9的磁盤(pán)應(yīng)力信噪比（－5.5064）最大，其設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化組合為W3D3H2K1，即W＝1.32mm，D＝1.02mm，H＝0.08mm，K＝4.75kN／m。表5為各因素水平組合信噪比的平均效應(yīng)響應(yīng)，并將其表示在圖3中。

表5 SN平均效應(yīng)響應(yīng)

圖3 SN平均效應(yīng)圖

從圖3中可見(jiàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合是 W2D3H2K1，它與直觀分析所得方案W3D3H2K1基本一致。

將優(yōu)化組合 W2D3H2K1，即W＝1.3mm，D＝1.02mm，H＝0.08mm，K＝4.75kN／m，進(jìn)行三種硬度地面情況下的跌落仿真，對(duì)應(yīng)的磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力如表6所示。

表6 方案比較

由表6可見(jiàn)，在相同跌落角度、跌落高度條件下穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)比原設(shè)計(jì)參數(shù)，即W＝1.3mm，D＝1.0mm，H＝0.08mm，K＝4.8kN／m，無(wú)論對(duì)減小磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力，還是減小其波動(dòng)，都理想得多。因此，該組參數(shù)是使磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力對(duì)地面硬度變化具有穩(wěn)健性的最優(yōu)組合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了基于有限元法的移動(dòng)硬盤(pán)耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用Taguchi方法進(jìn)行了移動(dòng)硬盤(pán)關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，獲得了使磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力對(duì)地面硬度變化具有穩(wěn)健性的最優(yōu)參數(shù)水平組合是W2D3H2K1。通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)健優(yōu)化值對(duì)提高磁盤(pán)盤(pán)片接觸面等效應(yīng)力動(dòng)態(tài)性能具有明顯的作用。這表明通過(guò)Taguchi參數(shù)設(shè)計(jì)方法可以減少噪聲因素影響，從而保證移動(dòng)硬盤(pán)跌落沖擊耐撞性能的穩(wěn)健可靠。

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