硬盤振動的有限元分析

摘要：本文硬盤為研究對象，在介紹硬盤的發展歷史及現狀后，深入討論當前硬盤行業的主要技術；介紹了硬盤的結構及其工作原理；文章的主要工作在于，根據綠色設計理論，提出綠色硬盤的概念和綠色硬盤的設計方案。綠色硬盤的新設計方案帶來了共振問題，文章采用了模態試驗平臺（動態測試平臺）對綠色硬盤結構進行模態測試，獲取模態頻率以及了解結構的振動特性；然后利用有限元軟件hypermesh，ansys，matlab等對硬盤結構進行模態仿真分析，獲取綠色硬盤結構的共振模態，結合實驗與仿真分析共振發生的原因。通過一系列的改良設計方案來驗證有限元分析方法的有效性，最終找出共振原因，然后設計出最理想的消除共振的結構，解決了綠色硬盤的共振問題。

關鍵詞：可拆卸性結構；共振；有限元分析；計算機輔助工程（CAE）

中圖分類號：TP333.35 文獻標識碼：A 文章編號：1006-6675（2013）15-

傳統硬盤的磁頭用UV膠直接粘結固化到suspension（飛機仔）的，一般情況下，如果硬盤壞了，就只能直接報廢，然后更換整個硬盤。為改變打破這種因小失大的局面，在設計時考慮產品的可拆卸性，設計出可以自由拆卸磁頭的硬盤結構。在硬盤的HGA（Head Gimbal Assembly）設計中，我們改變了傳統的粘結工藝，采取可拆卸性結構設計，在不銹鋼板上固定一個夾子，夾子設計成類似彈簧一樣的結構，由它和銅線的彈性變形，向磁頭提供夾緊力，引入夾子加止行塊結構提供的可靠夾緊力把磁頭夾緊。由于夾子和止行塊的尺寸都非常小，它的厚度只有0.064mm，為了提供足夠的夾緊力，又不至于產生塑性變形，普通的鋼板遠達不到要求，這里采用了高強度彈簧鋼板，其屈服應力達到1370MPa。另外夾子的夾緊力在1.8（±0.2）克力，不能太大，也不能過小，所以夾子的形狀必須通過精確的有限力計算和精確的測量工具檢驗確定。如圖1-1為其外形放大圖。

圖1-1 可拆卸性結構的硬盤HGA

通過硬盤結構的改進，并且獲得了重大收益和進步，同時也引進了更大的麻煩，這就是硬盤行業最畏懼的共振問題。從行業經驗來看，共振問題基本上是決定一個項目的存亡問題，以往很多項目的失敗都是因為共振問題無法解決。共振涉及的問題太多，領域太廣，往往需要花費大量的人力物力才能解決，有些項目甚至是研究了二三年而不了了之。可見研究硬盤的共振技術對機械硬盤行業意義重大。

隨著計算機的發展，人們目前已普遍采用計算機進行工程設計，其中計算機輔助設計（CAD）已被廣泛推廣，而計算機輔助工程（CAE）在近幾年也正逐步被人們所接受。本文主要論述了CAE方法中的動態仿真。

以往的產品設計，往往是根據設計經驗，確定產品的結構形式，待樣機產生后再根據環境試驗的要求做各種例行試驗，試驗過程中，機械振動常常會由于設計不當，出現多種多樣的問題，這樣只好重新設計。而采用CAE方法后，可以在設計的初期，樣機出來之前，在計算機上模擬出樣機的結構形式，并在計算機上進行動態模擬，這樣就可事先了解樣機在機械振動中可能會出現的問題，并于設計的初期進行修改，使樣機一次設計成功，縮短產品的研制周期。

一、有限元的基本概念

有限元單元是把連續彈性體看作有限個單元體，在有限個結點處聯結而成的結構，而每個單元又是一個彈性體，它具有合法的某些特征。有限單元法的特點在于其分析對象不是整個結構或子結構，而是以單元的特點位移，作為系統的廣義坐標，結點力一般則表示為結點位移的函數，由于各單元可根據需要取得很小，所以它們的函數關系可表達得非常簡單。

有限單元法，原則上適用于各種不同的結構問題，是一種適應性很強的數值方法，這種方法可將各種問題的分析結果歸結為求解線性代數方程組，就為利用計算機解題提供了便利條件。

二、軟件介紹

本文所采用的有限元分析中，使用了五個軟件分級進行軟件使用流程如下：

平面2D圖形，由設計部門設計或者由客戶直接提供。

三維立體建模，以便進行前處理

前處理，劃分網格

定義邊界條件與求解

數值計算和后處理

圖1-2軟件使用流程圖

三、有限元分析

進行有限元分析，首先第一步必須要產品的模型，如下圖為硬盤HGA的二維設計。

圖1-3 硬盤HGA結構

根據二維圖紙，在pro/e中，進行三維建模，如下圖5-3為其pro/e中的三維模型。

圖1-4 pro/e中的三維模型

（1）前處理

①網格劃分。把proe模型另存為stp格式，然后通過hypermesh的接口導hypermesh中，成為hypermesh中的體特征。在軟件有限元分析中，前處理幾乎占了全部分析時間的80%，它是決定計算精度的關鍵所在，如果分析精度要求不高，模型不大，計算機硬件配置高，可以采用四面體自由劃分網格，反之則應當考慮使用六面體網格劃分，本項目的模型比較大（至少數萬個單元），所采用的計算機為dell工作站（8核CPU，8G內存）進行運算，精度要求高，因此需要進行六面體網格劃分。從結構上看，一個完整的HGA，大部分零件都是鈑金件，除了loadbeam，夾子和止行塊之外，其余都可以先對面進行2D網格劃分，然后拉伸成3D模型。而對于loadbeam，夾子和止行塊則應當對其進行適當切割后再進行網格劃分，劃分好后，定義相應的component以便賦予零件相應的材料屬性。

②邊界定義。有限元分析中的邊界條件，即為進行有限元分析時的約束邊界，邊界條件會直接影響計算的結果，因此在進行有限元邊界條件確定時，必須保證與實際測試的邊界條件一致，才使得計算結果與測試結果具有可比性。根據圖5-6的測試夾具的約束，我們得出如圖5-7的有限元邊界條件。

圖1-5 測試夾具邊界條件

Fig.5-6 Test clamp boundary condition

圖1-6 有限元分析邊界條件

該模型的邊界條件是在ansys中定義的，那么就必須先要把hypermesh中的有限元模型，另存為ansys所接受的cdb格式，然后導入ansys中定義。

（2）ansys求解

把hypermesh導出的cdb文件導入ansys，定義好邊界條件（如圖1-6所示），然后設置相關的求解選項，進行模態求解，其中，由于模型較大，需要考慮的模態也比較多，因此，我們需要求解300階模態。

（3）后處理

為了評估該結構的振動特性，我們必須要確定好評估指標，因此，我們會在磁頭的中點處施加一個1mN.mm沿X方向的扭矩，然后觀察磁頭的角點，在這種激勵的擾動下的振動狀況（如圖1-7），通常，可以通過考量角點的ux，uy，uz這幾個方向的位移在時哉上的歷程來評估其振動特性，通過大量的研究和實驗，根據實驗結果與分析結果對比，我們確認，uy方向的輸出，最能評估該結構的好壞。因此，在模態求解完后，我們需要讀取相應的ansys APDL代碼，輸出磁頭角點各模態的特征值和特征向量，最后保存在eig文件中。該文件包含各振動模態的特征值（共振頻率）與特征向量。最后編寫matlab 的m文件代碼，讀取eig文件，提取狀態空間方程，求得磁頭在1mN.mm沿X方向的扭矩的擾動下的輸出并打印成圖形顯示出來。

圖1-7 輸入與輸出

（4）分析結果

圖1-8 matlab輸出的傳遞函數

從圖1-8輸出結果可知，第20階（16.48kHz），第34階（26.24kHz），第46階（33.8kHz）模態的幅值最高，也就是說，當激勵頻率為16.48kHz，26.24kHz，33.8kHz時，共振就越容易發生。我們再加到ansys中讀取第20，34和46階模態，觀察這些模態都是什么模態，從而了解導致該結構發生共振的原因。

圖1-9 第20階夾子左右擺動模態 圖1-10 第34階夾子前后擺動模態

圖1-11 第46階loadbeam扭擺模態

通過有限元模態分析可獲知，對整個結構振動影響最大的幾個模態分別是：第20階夾子左右擺動模態，第34階夾子前后擺動模態，第46階loadbeam扭擺模態。其對應的振動頻率分別為：16.48KHZ，26.24KHZ，33.8KHZ。由上面三個模態可知，引起共振的模態基本都是由夾子的模態引起的，對些我們對HGA的各部分質量進稱量，發現夾子的質量占了整個gimbal（HGA除去loadbeam和baseplate的部分稱為gimbal）的一半以上，如此輕的結構前端加裝了如此大質量的夾子，使整個懸臂梁結構變得非常不穩定，從而容易發生共振。

在共振問題發生后，我們設計了幾套改進方案，并把設計方案制造出來，用于進行試驗模態分析及有限元分析，并根據分析結果重新設計改良方案。

我們按照以往的經驗，設計了以下六組gimbal的設計方案：

表1-1 各方案的有限元分析與測試結果對照表

根據分析與實驗對照的結果，我們基本可以肯定，有限元分析方法的有效性和正確性。根據有限元分析的結果，case5和case11的幅值最小，而且測試結果也同樣顯示，所有方案中，case5和case11的共振最弱，甚至出現部分不發生共振的產品。可見，該有限元方法可以有效地預測設計方案的好壞，鑒于此，我們對有限元分析的結果進行深入分析，并設計出最合理的方案。

根據圖1-9、10、11以及測試結果對照，我們有理由認為，共振的發生的模態基本為夾子的模態，共振是因為，我們在HGA上添加了質量相當于整個gimbal質量一半的夾子，整個產品就相當于個懸臂梁結構，根據

W=

其中W為固有振動頻率，k為結構剛度，m為質量。load beam所提供的結構剛度有限，前端質量過高，導致共振頻率降低，容易發生共振。據此，我們認為，通過降低夾子的質量就可以提高共振頻率，甚至消除共振。

圖1-12 最終方案測試結果

本文是作者在讀工程碩士其間在東莞某科技公司實習的研究成果，文章采用了有限元與模態試驗相結合的方法，對硬盤結構同時進行了有限元模態分析和模態試驗，從而得知共振發生的原因，在此基礎上，設計出了合理的方案。最終的方案，通過了有限元分析及相關的動態測試，擁有較好的動態性能，目前該結構已經獲得了試產成功，正式投入了量產階段。為公司節省了大量人力物力。事實證明了，有限元與試驗模態分析相結合的方法解決共振問題的可行性，該方法不僅可以應用于硬盤行業，還可以推廣至工程生產的各領域。

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[作者簡介]

鄒志旺：男（1977.11-）漢族，廣東從化人，從化市職業技術學校機械組教師，主要研究方向：機械基礎。