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随着物联网、云计算、互联网和人工智能等新技术的迅猛发展与应用普及,信息数据量呈现爆炸式增长,大数据作为一种重要的战略资产已经不同程度地渗透到各行各业。国家信息基础设施和重要机构,尤其是金融、军事和科研院所等,承载着庞大的信息数据量,并且对信息安全有着极高的要求。半导体存储和光存储已经不能满足如此海量数据的增长需求,以硬盘为典型代表的磁存储仍然是解决这一矛盾的重要途径。硬盘存储器正朝着高密度、稳定可靠、低成本和安全等目标发展,实现10Tb/in2超高磁记录密度的存储目标,对促进我国乃至全球经济社会发展及保障大数据基础环境的安全具有重要意义。为了实现10Tb/in2超高磁记录密度的存储目标,必须使用磁记录新技术,但同时更低的磁头飞行高度、更高的盘片转速和更精确的寻道定位给硬盘的工作可靠性带来了巨大挑战:(1)10Tb/in2超高磁记录密度硬盘的磁头飞行高度将小于5nm,悬臂梁沿盘片垂直方向的振动将会极大增加磁头与盘片(以下简称“头-盘”)碰撞的可能性,威胁头-盘系统的可靠性;(2)头-盘碰撞产生的磨损颗粒在高速旋转气流带动下与硬盘内壁面发生接触刮擦,并最终吸附在盘片和磁头等关键部件的表面,威胁头-盘系统可靠性;(3)在更快速的寻道中,悬臂梁沿盘片水平方向的振动将会增加磁道定位误差和定位时间,极大影响数据读写可靠性。本论文以一款2.5英寸硬盘作为研究对象,以提高头-盘系统和寻道定位可靠性为研究目的,围绕减小超高磁记录密度硬盘悬臂梁的振动和硬盘内部颗粒运动轨迹与吸附开展仿真研究,研究内容具体包括:(1)基于声压的硬盘磁头超微振动的主动抑制:基于ANSYS Workbench(版本16.0)协同仿真环境,运用流-固耦合方法分析硬盘内部高速气流引起磁头超微振动的特性;分析基于声压的硬盘磁头超微振动的主动抑制机理;运用压电-固-声多物理场耦合方法,仿真计算从压电换能器(Piezoelectric Transducer,PZT)的激励电压到声压引起悬臂梁振动的关系式,确定有效抑制悬臂梁振动的PZT激励电压。(2)硬盘磁头的寻道定位误差:基于ANSYS Workbench(版本16.0)协同仿真环境,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)三维动网格和流-固耦合方法模拟硬盘的寻道运动,研究寻道时间(10 ms和5 ms)和寻道加速方式(方波、三角波和正弦波)对磁头沿盘片水平方向振动的影响。(3)硬盘内部颗粒的运动轨迹与吸附:根据颗粒-壁面碰撞理论模型,建立硬盘内壁面的颗粒吸附边界条件;基于流体计算软件ANSYS Fluent的离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),二次开发ANSYS Fluent软件定义硬盘内壁面的颗粒吸附边界条件,分析吸附条件、温度和寻道运动对颗粒运动轨迹和吸附位置的影响。