HDD驱动臂结构拓扑与压电主动控制融合设计理论研究

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在微电子制造装备中,各种结构紧凑、高速和高精度运动的微小器件被广泛使用。这些在极端工作环境下运行的微小器件对动态精度和稳定性要求越来越高,从而使机械结构和控制系统间的耦合效应愈加明显,采用传统的先结构设计后控制设计的顺序方法,忽略了各子系统的相互耦合作用,制约了对系统动态特性的进一步提升。如何考虑机械结构和控制之间的相互作用,将结构动态性能设计和控制进行融合,特别是将大自由度、大计算量的结构拓扑设计和主动控制进行融合建模和求解是目前设计方法上的一大难题。磁头驱动臂是一种典型的柔性、高速和高精度运动的微小器件。由于空间限制,磁头驱动臂重量轻,厚度薄,柔性很大,在频繁的高加速起停和高动态精度等复杂工作环境中,寻道过程以及外部干扰产生的微小机械振动都会对数据的读写造成致命的错误。本论文受国家自然科学基金重大项目“面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操纵”(50390063)的资助,以磁头驱动臂为研究对象,对微小结构的动态拓扑设计理论、压电主动振动控制和结构拓扑/压电主动控制的融合建模技术和优化方法等进行了系统而深入的研究,并应用于磁头驱动臂拓扑结构形态、压电片的最优位置和控制参数等的融合优化设计。具体研究内容如下:1.首先介绍并分析了硬盘驱动器的工作原理和磁头驱动系统目前面临的主要问题,对结构的拓扑设计理论、压电主动控制技术和机电融合设计等相关的理论和方法、发展现状和趋势以及在磁头驱动臂设计中的应用进行了分析和总结。2.为提高二维柔性板结构的动态特性,研究了基于结构动态柔度、冲击动态响应和动态稳定性的拓扑设计建模理论,提出了二维柔性板基于冲击动态响应和动态稳定性的拓扑设计的建模和灵敏度分析方法等,推导了冲击动态响应和动态稳定性作为目标时优化模型的梯度分析表达式,解决了通常采用的数值方法或进化算法带来的大计算量问题,进一步拓展了结构拓扑设计的理论。在此研究的基础上,以硬盘驱动臂为对象,进行了基于动态响应特性、冲击特性和动态稳定性的硬盘驱动臂拓扑设计和优化结果的分析。通过研究,发现它们和静态拓扑、基于频率的拓扑设计结果具有一定的局部相似性,表明基于动态响应的拓扑设计具有更好的综合性能,为改善HDD(hard disk drive)驱动臂的动态性能提供了一个强有力的设计手段,同时为后面的结构拓扑/主动控制融合设计的研究打下了良好的基础。3.为抑制磁头驱动臂的振动,以柔性悬臂梁为研究对象,系统分析了PZT压电材料和悬臂梁的耦合关系,研究了PZT压电材料在梁上分布的优化建模理论,提出了多对压电片的尺寸、位置和主动控制优化的机电融合模型和灵敏度分析方法,导出了优化模型的梯度分析表达式,并对磁头驱动臂压电主动控制的压电片位置、长度和控制增益进行了优化。和通常采用的数值方法和进化算法相比,改善了优化收敛过程的稳定性,提高了计算效率。通过计算、分析和数值仿真,揭示了在梁的主动振动控制中压电片的位置、长度和控制参数之间存在的复杂耦合特性,说明了这些参数以及它们之间的耦合、甚至它们和结构本身的参数之间的相互作用对系统动态响应具有决定性的影响。因此,针对磁头驱动臂工作过程中宽频振动的特点采用多压电片对多阶模态进行结构/控制融合设计是非常必要和合理的选择。本章的研究为结构拓扑与PZT主动控制之间的耦合问题分析提供了一定的理论基础。4.为从方法论上进一步改善磁头驱动臂的动态性能,以智能柔性板梁为对象,将结构拓扑设计理论与振动主动控制相融合,研究了结构和压电材料的耦合关系,提出了智能柔性板梁结构拓扑形态和主动控制的融合设计模型、偏导数分析方法、压电片的重叠约束条件等完整的分析理论,建立了柔性板梁的结构拓扑、PZT压电驱动器/传感器单元在结构中的布置以及主动控制参数融合的优化设计模型。由于直接采用基于梯度的分析优化计算,保证了较高的计算效率,既克服了迭代算法静态耦合和设计域分解退化等问题,又解决了进化算法和数值计算在拓扑设计中的大计算量和数值不稳定问题。在此理论研究基础上,对HDD驱动臂的结构拓扑、PZT压电陶瓷片的位置以及主动控制参数进行了并行优化设计,并采用仿真和实验对计算结果进行了分析。计算结果和仿真分析表明,采用并行的融合建模优化比迭代优化设计方法效果更好。研究成果对于一般机电融合设计的研究和应用也有重要的参考价值。
摘要第5-8页
Abstract第8-10页
第一章 综述第13-33页
    1.1 课题来源第13页
    1.2 背景及研究意义第13-14页
    1.3 硬盘的工作原理与关键技术问题第14-17页
        1.3.1 硬盘的内部结构第14-16页
        1.3.2 影响硬盘性能的主要因素第16-17页
    1.4 目前国内外相关技术的研究现状第17-31页
        1.4.1 目前的结构设计技术及在磁头驱动臂中的应用第17-23页
        1.4.2 PZT 主动控制技术在结构振动控制和磁头驱动臂中的应用第23-30页
        1.4.3 智能结构拓扑设计与主动控制的融合设计第30-31页
    1.5 本文的研究内容第31-33页
第二章 基于动态特性优化的板梁结构拓扑设计理论及应用第33-55页
    2.1 引言第33-34页
    2.2 基于动态柔度的柔性板梁拓扑设计模型的建立与应用第34-42页
        2.2.1 基于动态柔度的柔性板梁拓扑设计模型第34-37页
         2.2.2 基于动态柔度的 HDD 驱动臂拓扑优化设计第37-42页
    2.3 基于结构冲击动态响应和动态稳定性的柔性板梁拓扑优化第42-53页
        2.3.1 冲击载荷作用下柔性板梁结构的动态响应和稳定性第43-45页
        2.3.2 基于结构冲击动态响应和动态稳定性的柔性板梁拓扑设计第45-49页
        2.3.3 基于结构冲击动态响应和动态稳定性的HDD 驱动臂拓扑优化设计第49-53页
    2.4 本章小结第53-55页
第三章 柔性梁结构/压电耦合分析与 PZT 位置优化第55-85页
    3.1 引言第55页
    3.2 PZT 压电材料的基本特性第55-60页
        3.2.1 压电陶瓷的弹性关系第56-57页
        3.2.2 正逆压电效应及其表达式第57-58页
        3.2.3 压电陶瓷的介电性质第58-59页
        3.2.4 压电方程第59-60页
    3.3 压电片与悬臂梁结构的耦合分析第60-65页
        3.3.1 梁横向振动的动力学分析第60-61页
        3.3.2 压电智能悬臂梁的传感与致动方程第61-63页
        3.3.3 压电智能悬臂梁的状态方程第63-64页
        3.3.4 压电智能悬臂梁振动控制器的设计第64-65页
    3.4 压电片尺寸、布置对控制性能的影响分析第65-69页
        3.4.1 系统的性能评价指标第65-66页
        3.4.3 压电片尺寸、布置对控制性能的影响分析第66-69页
    3.5 多对压电片布置与尺寸优化设计第69-83页
        3.5.1 多压电片悬臂梁的压电传感与致动方程第70-71页
        3.5.2 多对压电片智能悬臂梁的状态方程第71-72页
        3.5.3 悬臂梁振动控制器的优化设计第72-83页
    3.6 本章小结第83-85页
第四章 柔性板梁结构拓扑与主动控制融合设计理论研究第85-115页
    4.1 引言第85-86页
    4.2 压电材料与柔性板梁间的相互耦合分析第86-93页
        4.2.1 作动器和板梁的耦合模型第86-88页
        4.2.2 传感器和板梁的耦合模型第88-90页
        4.2.3 压电柔性板梁的运动方程第90-93页
    4.3 基于PZT 主动抑振的柔性板梁的响应分析第93-95页
    4.4 柔性板梁的拓扑与主动控制融合设计模型的建立第95-112页
        4.4.1 优化设计模型的建立第95-99页
        4.4.2 优化设计模型的一阶偏导数分析第99-112页
    4.5 本章小结第112-115页
第五章 柔性板梁结构拓扑与主动控制融合设计的应用与实验分析第115-141页
    5.1 引言第115-116页
    5.2 柔性板梁拓扑与主动控制融合设计在HDD 驱动臂设计中的应用第116-132页
        5.2.1 HDD 驱动臂拓扑设计问题的初始条件第116-118页
        5.2.2 HDD 驱动臂拓扑与主动控制融合优化设计模型第118-119页
        5.2.3 HDD 驱动臂拓扑设计结果第119-124页
        5.2.4 HDD 驱动臂拓扑优化结果分析第124-132页
    5.3 驱动臂结构性能的实验分析第132-140页
        5.3.1 实验试件的结构和尺寸第132-134页
        5.3.2 实验原理及实验装置第134-136页
        5.3.3 实验及结果分析第136-140页
    5.4 本章小结第140-141页
第六章 总结与展望第141-145页
    6.1 总结第141-142页
    6.2 创新点第142页
    6.3 进一步研究的建议第142-145页
参考文献第145-159页
在攻读博士学位期间发表的论文第159-161页
致谢第161页
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