基于有限元法和Taguchi方法的移動(dòng)硬盤耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)

楊書儀 劉德順 趙繼云 文澤軍

1.湖南科技大學(xué)，湘潭，411201 2.中國礦業(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)的競爭中，超微型和大容量是以硬盤為代表的磁存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。由于跌落沖擊耐撞性能是衡量移動(dòng)硬盤質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，因而如何提高移動(dòng)硬盤自身的耐撞性和可靠性以避免其在使用中跌落損壞的問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驅(qū)動(dòng)器頭盤系統(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］建立了頭盤系統(tǒng)工作狀態(tài)下浮動(dòng)磁頭和磁盤的沖擊響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，對工作狀態(tài)下頭盤系統(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)條件下頭盤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程。文獻(xiàn)［8－9］分析了硬盤驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)器懸架和硬盤驅(qū)動(dòng)器整體的模態(tài)，為懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)和硬盤隔振設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

綜上所述，很多文獻(xiàn)對硬盤磁頭組件、頭盤組件等進(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)研究方面鮮見報(bào)道。由于移動(dòng)硬盤結(jié)構(gòu)的特殊性和跌落沖擊的瞬時(shí)性，給試驗(yàn)測量帶來了困難。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)來改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，難以對移動(dòng)硬盤耐撞性能設(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，并沒有考慮產(chǎn)品實(shí)際使用中多樣的（無限的）跌落沖擊條件和由此引發(fā)的隨機(jī)不確定性。

針對上述問題，本文擬建立某品牌6.35cm（2.5in）的移動(dòng)硬盤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)硬盤耐撞性能穩(wěn)健性的可控因素和噪聲因素；基于磁盤盤片接觸面等效應(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，對移動(dòng)硬盤關(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)硬盤跌落沖擊有限元建模

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

移動(dòng)硬盤跌落地面是一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的過程，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、磁盤盤片、傳動(dòng)臂組件等作為一個(gè)系統(tǒng)來模擬自由跌落的整個(gè)過程?；陲@式動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS／LS－DYNA建立移動(dòng)硬盤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)硬盤的跌落高度為800mm、跌落角度為移動(dòng)硬盤軸線與地面夾角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、磁頭與磁盤盤片、懸臂與磁盤盤片等。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)先確定下來的，如外殼、PCB板、磁頭、磁盤盤片、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)硬盤系統(tǒng)性能的干擾主要來源于跌落沖擊參數(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。為簡化起見，本文選取地板彈性模量E作為噪聲因素。在有限元分析中，通過選取不同的地面本構(gòu)關(guān)系參數(shù)值來描述軟、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)磁頭對磁盤盤面的沖擊越小。也就是說，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)使得磁頭偏離盤片或上下振蕩敲擊、劃傷盤片，甚至損壞磁頭；磁盤盤片在沖擊力作用下也會(huì)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致磁頭讀寫數(shù)據(jù)困難。引起磁頭磁盤損壞的主要原因是磁盤盤片上應(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)硬盤跌落沖擊過程中如下動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為質(zhì)量特性來評價(jià)其設(shè)計(jì)方案的耐撞性能：

（1）移動(dòng)硬盤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）磁盤盤片接觸面上受到的最大應(yīng)力。應(yīng)力越小，磁盤盤片發(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、磁頭與磁盤間距、磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力越小越好，均為望小特性。對于表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、磁頭與磁盤間距以及磁盤接觸面最大等效應(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 基于磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力望小特性的參數(shù)最優(yōu)結(jié)果與驗(yàn)證

本文以磁盤盤片接觸面等效應(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，通過統(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，對應(yīng)的磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力如表6所示。

表6 方案比較

由表6可見，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，無論對減小磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力，還是減小其波動(dòng)，都理想得多。因此，該組參數(shù)是使磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力對地面硬度變化具有穩(wěn)健性的最優(yōu)組合。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)敘述了基于有限元法的移動(dòng)硬盤耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用Taguchi方法進(jìn)行了移動(dòng)硬盤關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，獲得了使磁盤盤片接觸面等效應(yīng)力對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。通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)健優(yōu)化值對提高磁盤盤片接觸面等效應(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)硬盤跌落沖擊耐撞性能的穩(wěn)健可靠。

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