高转速大容量充气硬盘磁头/盘系统跨尺度动力特性研究

Read and write speed, storage capacity and working stability are important performances of a hard disk drive (HDD). The head/disk system in a sealing gas environment of HDD with high disk speed and large storage capacity is main research object considering the micro scale effect of nanometer spacing between the head slider and the disk in present project. A combined method of gas film lubrication research, high performance computation technology of gas film lubrication equation, finite element analysis and experiment testing technology, is used to analyze the dynamics characteristics of the head/disk system, which is in the loading/unloading process or suffered from the external shock vibration. Dynamics characteristics of the head/disk system include the vibration characteristics of the disk, the flying characteristics of the slider and the colliding characteristics between the disk and the slider. Effects of various Influencing parameters, including physical properties of the filled gas, thickness and rotational speed of the disk, surface geometry of the slider, geometrical parameters of the suspension, on dynamics characteristics of the head/disk system, are studied. These effects are analyzed and understood from the macro and micro scale aspects. A relationship database between various Influencing parameters and dynamics characteristics of the head/disk system is constructed. A set of optimization parameters is obtained under the condition of the head/disk system with high disk speed, ultra-thin disk and low colliding probability between the disk and the slider. A designing criterion of the head/disk system with high disk speed and large storage capacity is established to provide a scientific basis and technical reference for the development and production of the high performance hard disk drives.

读写速度、存储容量和工作稳定性是硬盘重要的性能指标。在硬盘密封充气环境下，以高转速大容量硬盘磁头/盘系统为研究对象，考虑磁头滑块与磁盘之间纳米间隙微观尺度的影响，采用气膜润滑理论研究、气膜润滑方程高性能求解技术、有限元分析和实验测量相结合的方法，分析硬盘在加载/卸载过程中和遭受外界冲击振动时磁头/盘系统动力特性（磁盘振动特性、磁头滑块飞行特性、磁头滑块与磁盘接触碰撞特性），研究各种影响参数（气体物理特性、磁盘转速、磁头滑块表面几何形状、磁盘厚度、悬臂几何尺寸）对磁头/盘系统动力特性的影响，从宏观和微观尺度对这些影响规律进行分析和认识，构建各种影响参数与磁头/盘系统动力特性参数的关系数据库，获得在高转速、超薄磁盘、低磁头滑块与磁盘碰撞几率条件下磁头/盘系统的优化设计参数，建立高转速大容量硬盘的磁头/盘系统设计准则，为高性能硬盘的研发和生产提供科学依据和技术参考。

为了减小磁盘高速旋转所承受的气体阻力、降低硬盘内部结构所承受的气流冲击和振动、以及提高硬盘存储密度和工作稳定性，人们正考虑向硬盘内部填充低密度气体。本项目研究了充气硬盘磁头滑块飞行特性的影响因素、材料和几何尺寸对充气硬盘磁头滑块飞行特性的影响、头/盘界面均匀化Reynolds方程及其高效数值求解、硬盘磁头滑块动态飞行特性等内容。研究结果如下：1）相对于修正Reynolds方程，求解均匀化Reynolds方程只需要很少的离散网格，从而节省了大量计算时间，大幅提高了计算效率，且两者压力分布、压力中心和承载力的最大相对误差都小于3.5%。2）磁盘材料和厚度对磁头滑块飞行特性参数影响较小，悬臂材料和厚度对磁头滑块飞行特性参数影响最大；对于各种不同材料，当硬盘外壳材料为ABS塑料时，磁头滑块飞行特性参数的变化幅度相对最小。3）扰动速度会导致磁头滑块向磁盘表面作竖直方向的移动，增加了与磁盘接触碰撞的风险；扰动俯仰角或侧倾角的增加都会导致磁头滑块振动幅度的增加，但扰动俯仰角更容易引起磁头滑块的振动。4）磁盘转速的增加、飞行高度的降低、俯仰角的减小和氦气在氦气-空气混合气体中的比重下降，都会导致磁头滑块承载力的增加；磁盘转速的增加、飞行高度的增加、俯仰角的减小，都会导致压力中心的减小；对于不同的磁盘转速、飞行高度、俯仰角、氦气在氦气-空气混合气体中的比重，压力中心都几乎保持不变；粗糙度高度对承载力、压力中心和的影响，在不同粗糙度方向时，呈现出不同的影响规律。科学意义和应用前景如下：1）均匀化Reynolds方程能高效地用来求解硬盘磁头滑块/DTR磁盘界面磁头滑块压力分布、压力中心和承载力，这为新一代硬盘技术——离散磁道磁盘技术，打下了重要理论基础。2）为减小磁盘高速旋转所承受的气体阻力、降低硬盘内部结构所承受的气流冲击和振动、以及提高硬盘存储密度和工作稳定性，提供了重要的理论基础。3）Ansys 软件与 Matlab 程序相互调用和传递参数的方法，可以用于类似的其他科学研究和工程应用。