基于有限元法和Taguchi方法的移動硬盤耐撞性能穩健設計

楊書儀 劉德順 趙繼云 文澤軍

1.湖南科技大學，湘潭，411201 2.中國礦業大學，徐州，221116

0 引言

隨著信息技術的發展，計算機普遍應用于各行各業，作為各種文本、數據和媒體儲存、交互的存儲介質——硬盤已不僅局限于臺式計算機上，其使用范圍已擴展到便攜式電子產品領域。在多種信息存儲技術的競爭中，超微型和大容量是以硬盤為代表的磁存儲技術發展的重要趨勢。由于跌落沖擊耐撞性能是衡量移動硬盤質量的重要標準，因而如何提高移動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［1］運用有限元方法探討了硬盤驅動器頭盤系統在不同接觸剛度下的跌落沖擊響應。文獻［2－4］運用理論計算和數值仿真的方法探討了空氣軸承剛度在不同脈沖激勵下的動態響應以及軸承剛度對傳動臂在跌落沖擊下的動態響應影響。文獻［5］運用有限元仿真和試驗研究的方法從機械結構和動力學的觀點，探討了系統如何獲取最小的振動。文獻［6］建立了頭盤系統工作狀態下浮動磁頭和磁盤的沖擊響應數學模型，對工作狀態下頭盤系統的沖擊特性進行了理論計算。文獻［7］利用數值模擬方法分析了在正弦半波激勵條件下頭盤系統的動力學響應過程。文獻［8－9］分析了硬盤驅動器致動器懸架和硬盤驅動器整體的模態，為懸架優化設計和硬盤隔振設計提供了理論基礎。

綜上所述，很多文獻對硬盤磁頭組件、頭盤組件等進行了較為系統的試驗研究和數值仿真。但在移動硬盤整體跌落沖擊的動態響應、耐撞性能穩健設計研究方面鮮見報道。由于移動硬盤結構的特殊性和跌落沖擊的瞬時性，給試驗測量帶來了困難。在各大生產廠商的實際生產中，往往只是根據經驗來改進設計方案，難以對移動硬盤耐撞性能設計提供理論指導。同時，樣機跌落沖擊試驗是根據規范的（有限的）跌落沖擊試驗（仿真）進行，并沒有考慮產品實際使用中多樣的（無限的）跌落沖擊條件和由此引發的隨機不確定性。

針對上述問題，本文擬建立某品牌6.35cm（2.5in）的移動硬盤整體跌落沖擊的有限元模型，引入穩健設計理論，分析影響移動硬盤耐撞性能穩健性的可控因素和噪聲因素；基于磁盤盤片接觸面等效應力的望小特性，運用Taguchi參數設計方法，以地面硬度作為噪聲因素，對移動硬盤關鍵零件進行參數設計，尋求外殼厚度、傳動臂厚度、懸臂厚度以及軸承剛度的最佳匹配。

1 移動硬盤跌落沖擊有限元建模

移動硬盤是一個精密的微機電系統，主要由外殼、芯片（PCB）和硬盤驅動器組成，其中硬盤驅動器封裝在移動硬盤的凈化腔體內，主要由磁頭組件和磁盤組件兩大部分組成。磁頭組件包括浮動磁頭、懸臂、傳動臂、樞軸軸承和音圈電機等；磁盤組件包括磁盤、驅動軸承和驅動電機等部件。

移動硬盤跌落地面是一個動態、復雜的過程，其跌落地面時與地面的接觸和沖擊載荷影響著跌落沖擊的全過程，系統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］。本文建立的數值仿真模型是移動硬盤在非工作狀態下的整體跌落有限元模型，主要由移動硬盤和剛性地面兩部分組成，采用實體建模方法生成。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，結合能量守恒，將外殼、磁盤盤片、傳動臂組件等作為一個系統來模擬自由跌落的整個過程。基于顯式動力學分析軟件ANSYS／LS－DYNA建立移動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硬盤內部結構，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

移動硬盤的跌落高度為800mm、跌落角度為移動硬盤軸線與地面夾角30°。離散單元采用3節點或4節點殼單元及8節點實體單元。模型中任何正在接觸及跌落沖擊后可能發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。在計算時主要使用了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，數值模型采用mm－ms－kg單位制。移動硬盤跌落沖擊有限元模型中part組數為14、單元數為29 558，節點數為42 515。

2 移動硬盤耐撞性能穩健設計模型

穩健設計的一個基本概念是：設計變量和噪聲因素的變差都將傳遞給設計函數，引起質量指標和約束的變差，同時變差的統計分布規律也將影響設計函數的概率統計性質［11］。移動硬盤跌落沖擊動態特性設計模型的基本要素包括信號因素（輸入）y0、設計變量（參數）x、噪聲因素z和質量特性（輸出因素）y，如圖2所示。

圖2 穩健設計圖解

圖2所示的圖解設計模型表明，跌落沖擊動態特性（輸出）y是設計結果的輸出，由于它受到設計變量x和噪聲因素z的影響，所以y是x和z的線性、非線性、顯式或隱式的隨機函數。

3 基于Taguchi方法的關鍵零件參數試驗設計

3.1 可控因素的選取

根據移動硬盤的工作原理和設計條件，一些參數是可以預先確定下來的，如外殼、PCB板、磁頭、磁盤盤片、主軸軸承、傳動臂、懸臂等零件所用材料是根據設計要求提前確定下來的，還有傳動臂、懸臂等零件外形尺寸也是根據設計要求提前確定的。本文選取外殼厚度W、傳動臂厚度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

移動硬盤系統性能的干擾主要來源于跌落沖擊參數的隨機性而導致作用在移動硬盤上脈沖激勵的波動。原則上，應該選擇所有跌落沖擊參數作為噪聲因素。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關系參數值來描述軟、中、硬三種地面的性質，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，其各參數水平值如表1所示。

表1 因素水平表

（3）磁頭傳動臂與磁盤的間距（兩點位移差）變化量。間距變化量越小，工作狀態時磁頭飛行于磁盤上方的高度（飛高）變化越小，工作越穩定；非工作狀態時磁頭對磁盤盤面的沖擊越小。也就是說，間距變化量越小，產品設計方案耐撞性能越好。

3.4 試驗方案設計

本算例中假設各參數之間沒有交互作用，確定內表采用正交表L9（34）制定，外表采用正交表L3（31）制定，從而獲得試驗可控參數的取值如表2所示。

表2 可控因素水平／數據表

3.3 質量特性的確定

移動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在功能失效的能力。在跌落沖擊作用下，具有懸臂結構特點的磁頭傳動臂組件會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發生變形，從而導致磁頭讀寫數據困難。引起磁頭磁盤損壞的主要原因是磁盤盤片上應力和磁頭傳動臂組件變形太大。顯然，單一的動態響應指標是不能較好地表征產品耐撞性能。這里選擇移動硬盤跌落沖擊過程中如下動態響應作為質量特性來評價其設計方案的耐撞性能：

（1）移動硬盤外殼上受到的最大應力。應力越小，外殼產生劃痕、塑性變形、斷裂和聯接松動等的可能性越小，產品設計方案耐撞性能越好。

（2）磁盤盤片接觸面上受到的最大應力。應力越小，磁盤盤片發生損壞的可能性越小，產品設計方案耐撞性能越好。

式中，n為噪聲因素的水平數；yi為第i組的試驗結果值。

3.5 信噪比計算

從上述分析可知，在移動硬盤耐撞性能穩健設計中希望外殼最大應力、磁頭與磁盤間距、磁盤盤片接觸面等效應力越小越好，均為望小特性。對于表2中的每個試驗，將表3中的試驗結果值根據下式計算出每一組實驗方案信噪比的SN值：

表3 試驗結果表

以方案1中外殼應力最大時的計算為例，計算結果為再類似由3個不同噪聲因素水平下的y值求得9個方案中外殼最大應力、磁頭與磁盤間距以及磁盤接觸面最大等效應力的信噪比η，結果如表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力望小特性的參數最優結果與驗證

本文以磁盤盤片接觸面等效應力越小越好為目標，進行各可控參數優化設計。首先，由直觀分析法可得，表4中方案9的磁盤應力信噪比（－5.5064）最大，其設計參數優化組合為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響應，并將其表示在圖3中。

表5 SN平均效應響應

圖3 SN平均效應圖

從圖3中可見，通過統計分析得到的最優參數組合是 W2D3H2K1，它與直觀分析所得方案W3D3H2K1基本一致。

將優化組合 W2D3H2K1，即W＝1.3mm，D＝1.02mm，H＝0.08mm，K＝4.75kN／m，進行三種硬度地面情況下的跌落仿真，對應的磁盤盤片接觸面等效應力如表6所示。

表6 方案比較

由表6可見，在相同跌落角度、跌落高度條件下穩健設計優化后的結構參數比原設計參數，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力，還是減小其波動，都理想得多。因此，該組參數是使磁盤盤片接觸面等效應力對地面硬度變化具有穩健性的最優組合。

5 結束語

本文詳細敘述了基于有限元法的移動硬盤耐撞性能穩健設計方法，運用Taguchi方法進行了移動硬盤關鍵零件結構參數設計，獲得了使磁盤盤片接觸面等效應力對地面硬度變化具有穩健性的最優參數水平組合是W2D3H2K1。通過仿真試驗驗證，穩健優化值對提高磁盤盤片接觸面等效應力動態性能具有明顯的作用。這表明通過Taguchi參數設計方法可以減少噪聲因素影響，從而保證移動硬盤跌落沖擊耐撞性能的穩健可靠。

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