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中文摘要 高密度硬盘磁头形状优化设计 摘要 机械电子工程方文定 指导教师张传海陈云飞 东南大学机械工程学院 作为计算机主要存储设备的硬盘，无论是其存储容量，还是读写速度，正以不可思议的 速度在发展。硬盘信息的存储和回放主要是在磁头和磁盘之间的高速旋转运动中实现。降低 磁头磁盘间隙是磁存储密度复合增长率迅速提高的主要因素。推动硬盘向更大容量、更小 体积、更廉价方向发展的首要技术仍然是磁头磁盘界面技术。在温彻斯特技术中，磁头能 够悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触主要取决于磁头和磁盘间空气轴承的力 学性能。温式硬盘中磁读写头固定在空气轴承滑块的尾部，磁头飞行高度的降低可以减小磁 头和磁盘间的气隙，提高硬盘的存储密度，合理地设计空气轴承滑块承载面的形状可以达到 降低磁头飞行高度的目标。本文运用模拟退火算法对磁头承载面形状参数进行优化。模拟退 火算法是基于m o n t ec a r l o 迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理中固体 物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性。 气膜压强分布的求解是研究磁头磁盘系统静特性、动特性、磁头的飞行特性和磁头形 状优化的基础。首先对描述流体润滑性质的雷诺方程进行修正，以准确计算磁头极低飞行高 度时磁头磁盘问气膜承载特性。选用基于线性b o l t z m a n n 方程的f u k u i - k a n e k o 滑流修正 模型，采用控制体方法对修正雷诺方程进行离散，用交替方向迭代法求解离散后的线性方程 组，即可得到压强分布。求解磁头的稳态飞行姿态参数时，对待求参数施加约束，将参数求 解问题转化为优化问题。利用磁头稳态时所受力及力矩平衡的性质建立目标函数，用模拟退 火算法求解磁头的稳态飞行姿态参数：磁头最小飞行高度、磁头俯仰角和侧倾角。飞行参数 求解结果表明最终解的质量与初始解的选取无关，计算过程中无需确定搜索方向，最终解的 数值稳定。以降低磁头的稳态飞行高度为优化目标对磁头承载面形状进行优化设计。选取三 体负压磁头为物理模型，优化模型用模拟退火算法求解。优化后磁头最小飞行高度显著降低， 记录密度得到提高。优化结果表明在不增加预载力的情况下，可以调整磁头承载面尺寸和布 局，以改善气膜润滑特性，优化磁头飞行特性。 关键词：磁头磁盘系统雷诺方程飞行姿态模拟退火算法优化设计 英文摘要 o p t i m i z a t i o no fs l i d e ra i rb e a r i n gd e s i g ni nh a r dd i s kd r i v e r s f a n gw e n - d i n g s u p e r v i s o r ：z h a n gc h u a n - h a ia n dc h e ny u n - f e i c o u e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y h a r dd i s kd r i v e sc o n t i n u et oi n c r e a s et h ed a t as t o r a g ed e n s i t y t h ef l y i n gh e i g h t s ( f h ) o fa i fb e a r i n gs l i d e r s ( a b s ) s h o u l db el o w e ra n dl o w e rt om e e tt h er a p i d d e m a n d s t h ef ho fc u l t e n te o m m e r e i a ls l i d e r si sb e l o w3 0 姗t h ep a r a m e t e r so f t h es h d e rf l y i n ga t t i t u d et h a ti n c l u d ef l y i n gh e i g h t ，p i t c ha n dr o l la n g l e sm u s ts a r i s f y v e r ys t r i c tp e r f o r m a n c eg o a l s i ti sp o s s i b l et oa c h i e v et h em u l t i p l ed e s i g ng o a l sw i t h m o d e mo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s t k sp a p e rf o c u s e so nt h et o p i co ft h es i m u l a t e d a n n e a l i n g ( s a ) a l g o r i t h r na si ta p p l i e dt ot h ep r o b l e mo fa b sd e s i g ni nh a r dd i s k d r i v e s s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi sag e n e r a l i z a t i o no f am o n t ec a r l om e t h o df o r e x a m i n i n gt h ee q u a t i o n so fs t a t ea n df r o z e ns t a t e so fam u l t i b o d ys y s t e m i t sc o n c e p t i sb a s e do nt h em a n n e ri nw h i c hl i q u i d 行e e z eo rm e t a l sr e c r y s t a l l i z ei nt h ep r o c e s so f a n n e a l i n g 1 1 1 es t o c h a s t i cg l o b a lo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ec a ng e tg l o b a lo p t i m ai nt h e p r e s e n c eo fm a n y1 0 c a lo p t i m aw i t h o u tt h ec a l c u l a t i o no fg r a d i e n t st od e t e r m i n e s e a r c hd i r e c t i o n s i nt h i sp a d e r , as u b - a m b i e n tp r e s s u r et r i p a ds l i d e rw a sd e s i g n e df i r s t l y an e w r o o d 嫡e dr e y n o l d se q u a t i o ni su s e dt os o l v et h eu l t r a - t h i nf i l mg a sl u b r i c a t i o nw i t h t h ef u k u i k a n e k om o d e lc o n s i d e r i n gh i g hk n u d s e nn u m b e r s s ai sp r o p o s e dt og e t t h eo p t i m as t e a d yf l y i n ga t t i t u d eo ft h es l i d e r t h er e s u l t ss h o wt h a tr a i lw i d t h ，t a p e r l e n g t h , t a p e rh e i g h t , p r e l o a da n di t sp o s i t i o nc a l lb ec o n s i d e r e da sd e s i g nv a r i a b l e si n s l i d e rc o n f i g u r a t i o nd e s i g nt oo b t a i nab e l 凇f l y i n gp e r f o r m a n c e t h e n s ai s e m p l o y e df o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fa b ss u r f a c e t h et r i - d a ds l i d e rm e n t i o n e d a b o v ew a st a k e na st h ep r o t o t y p e t h es t r a i g h tr a i lw i d t ha n dl e n g t l l ，t h et a p e rh e i g h t a n dl e n g t ha n dt h et a i lr a i lw i d t ha n dl e n g t hw e r et a k e na sd e s i g nv a r i a b l e s r e s p e c t i v e l yw i t hg i v e ng e o m e t r i cc o n s t r a i n s a i s o ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sd o n e w h i l ea l lt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sw e r et a k e na sd e s i g nv a r i a b l e s r e s u i t ss h o wt h a t s ai se 佑c i e n tt op r o d u c et h eo p t i m i z e da b sd e s i g nw i t hi m p r o v e df l y i n g p e r f o r m a n c e t h ef hw a sl o w e r e ds i g n i f i e a n t l yw i t ht m i f o r i l lp i t c ha n dr o l l k e yw o r d s ：h a r dd i s kd r i v e ，r e y n o l d se q u a t i o n , f l y i n ga t t i t u d e ，s i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m , o p t i m a ld e s i g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：造日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：越导师签名：磕塑当日 期：。兰：i ：i ! 膨媲 第一章绪论 第一章绪论 科学技术的飞速发展带我们快步进入了信息化时代，信息量的爆炸式增长对信息存储 技术提出了更高的要求高存储容量，高数据读写速度，高性能价格比的需求进一步推进 了存储记录技术的发展近年来，传统存储技术的性能越来越高，新型存储记录技术不断 涌现。信息存储技术已经成为当前信息技术中最活跃的领域之一 磁记录技术从1 8 9 8 年诞生，已经跨越了一个世纪。作为一门传统的存储记录方式，磁 记录设备在消费电子领域和专业应用领域均有着广泛的应用尽管光记录技术的崛起和固 体存储技术的发展打破了磁记录技术一统天下的局面，但由于在记录介质、读写磁头、数 字信道等技术方面不断取得突破性进展，磁记录技术迄今依然焕发着盎然生机。随着性能 的不断提高，磁记录技术的应用领域越来越广在当今的各种信息存储技术中，磁记录技 术仍然是最重要的存储记录技术。 1 1 硬盘概述 随着科学技术的迅猛发展，计算机科学技术也在日新月异的进步。作为计算机主要存 储设备的硬盘，无论是其存储容量，还是读写速度，也以不可思议的速度在发展。从计算 机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。外部存储器汐 存) 与内部存 储器( 内存) 相对，这两者都是计算机中存储数据的设备。不同之处在于：内存中存储的数 据断电后即会消失，无法恢复，而外存中的数据即使断电也不会消失，可以做永久保存， 所以可以用来保存一些需要经常用到的数据，内存储器与c p u 直接联系，用来保存一些运 行时才需要的一次性数据，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带 机等。计算机中常用的存储器如图1 1 所示。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相 同，不同的是软盘与软盘驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在 使用时，二者速度差异很大”j 2 1 。 图1 1 计算机存储设备分类 1 1 1 硬盘组成与结构 硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口， 缓存等几个部分组成溷1 2 ) ”】。 硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储 面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头 控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片 每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬 盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封 硬盘外部结构包括接口、控制电路板、固定盖板及安装螺孔。 东南大学硕士学位论文 接口包括电源插口和数据接口两部分。其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提 供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方 式的差异，分为e i d e 接口和s c s i 接口e i d e 接口由于造价低廉，使用方便，为多数硬 盘采用而采用s c s i 接口则必须另配s c s i 卡才能使用，虽然其价格相对较高，但具有优 良的传输性能，多在计算机网络服务器和高档图形工作站等设备中使用 控制电路板采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读 写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机r o m 芯片，其固化的软 件可以进行硬盘的初始化。执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测 等。基于稳定运行和加强散热的原因，控制电路板是裸露在硬盘表面的。在电路板上还安 装有高速缓存芯片，通常为1 2 8 k b 或2 5 6 k b ，而目前最新产品为了获得更高的传输效率， 已逐步使用5 1 2 k b 甚至2 0 4 8 k b 的数据缓存。 固定盖扳是硬盘的面板，用以标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一 个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。 硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、头盘组件、接口及附件等几大部分组成，而 头盘组件是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机 构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。 浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂( 图1 3 1 3 1 ) 、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术 最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、 盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0 0 1 - 0 3 1 u n ，可以获得极高的 数据传输率。现在转速达7 2 0 0 r p m 的硬盘飞高都低于3 0 r i m ，以利于读取较大的高信噪比 信号，提供数据传输存储的可靠性。 磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防振动 机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内 精确定位到系统指令指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。磁头机构的电机有步进电机、 力矩电机和音圈电机三种，前两种应用在低容量硬盘中，现已被淘汰，大容量硬盘多采用 音圈电机驱动。音圈是中间插有与磁头相连的磁棒的线圈，当电流通过线圈时，磁棒就会 发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到 磁头移动的距离，达到准确定位的目的。音圈电机是密封型的控制系统，能够自动调整， 速度比早期的驱动电机要快而且安全系数高。 2 第一章绪论 图1 2 硬盘组成与结构 图1 3 浮动磁头传动手臂 盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之 软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机 等。随着硬盘容量的扩大，主轴电机的速度也在不断提升，导致了传统滚珠轴承电机磨损 加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响。因而生产厂商开始采 用精密机械工业的液态轴承电机技术，液态轴承电机使用黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠 可以避免金属面的直接摩擦，噪声和温度减小到最低。而油膜具有有效吸收震动的能力， 可以提高主轴部件的抗震能力，从理论上讲液态轴承电机无磨损，寿命无限长，是目前超 高速硬盘的发展趋势。 前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁 头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰。提高操作指令的准 确性。 硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作， 此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并高速旋转，装载磁头的小车 机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的o o 道，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收 3 东南大学硕士学位论文 到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感 应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大 控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态。在 反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心1 3 j w 1 1 2 硬盘发展历史 从第一块硬盘r a m 【a c 的产生到现在单碟容量高达1 0 0 g b 多的硬盘，硬盘也经历了 几代的发展，下面就介绍一下其历史及发展。 1 1 9 5 6 年9 月，m m 的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统m m3 5 0 r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do f a c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) ，其磁头可以直接移动到盘片 上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5 m b ，共使 用了5 0 个直径为2 4 英寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在 一起，绕着同一个轴旋转。此款r a m a c 在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断 及太空领域内。 2 1 9 6 9 年m m 公司首次提出“温彻斯特，w i n c h e s t e r 技术，探讨对硬盘技术做重大改 造的可能性。温彻斯特”技术的精髓是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片 径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数 硬盘的原型。 3 1 9 7 3 年i b m 公司制造出第一台采用“温彻期特”技术的硬盘，容量6 4 0 m b ，是现 在硬盘的开端，因为磁头悬浮在盘片上方，所以镀磁的盘片在密封的硬盘里可以飞速的旋 转，但有好几十公斤重。从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础。 4 1 9 7 5 年软接近层( s o f t - a d j a c e n tl a y e r ) 专利的m r 磁头结构产生。 5 1 9 7 9 年，i b m 发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速 度提供了可能。同年，m m3 3 7 0 诞生，它是第一款采用t h i n f i l m 感应磁头及 r a n - l e n g t h - l i m i t c d ( r l l ) 编码配置的硬盘，“2 7 ”r l l 编码能减小硬盘错误。 6 1 9 8 6 年i b m9 3 3 2 诞生，它是第一款使用更高效的1 7r u n - l e n g t h 1 i m i t e d ( r l l ) 代码 的硬盘。 7 1 9 8 9 年第一代m r 磁头出现。m m 对硬盘发展的又一项重大贡献，即发明了m r ( m a g n e t or e s i s t i v e ) 磁阻，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储 密度能够比以往2 0 m b 每英寸提高了数十倍。 8 1 9 9 1 年i b m 磁阻m r ( m a g n e t or e s i s t i v e ) 磁头硬盘出现。带动了一个g 的硬盘出现。 磁阻磁头对信号变化相当敏感，所以盘片的存储密度可以得到几十倍的提高。意味着硬盘 的容量可以作的更大。意味着硬盘进入了g 级时代。 9 1 9 9 3 年g m r ( e 磁阻磁头技术) 推出，这使硬盘的存储密度又上了一个台阶。 1 0 1 9 9 9 年9 月7 日，m a x t o r 宣布了首块单碟容量高达1 0 2 g b 的a t a 硬盘，从而把 硬盘的容量引入了一个新里程碑。 l i 2 0 0 0 年2 月2 3 日，希捷发布了转速高达1 5 ，0 0 0 r p m 的c h e e t a h x l 5 系列硬盘， 其平均寻道时间只有3 9 m s ，这可算是目前世界上最快的硬盘了，同时它也是到目前为止 转速最高的硬盘；其性能相当于阅读一整部s h a k e s p e a r e 只花1 5 秒。此系列产品的内部数 据传输率高达4 8 m b s ，数据缓存为4 - 1 6 m b ，支持u l t r a l 6 0 ms c s l 及f b r ec h a n n e l ( 光纤 通道) ，这将硬盘外部数据传输率提高到了1 6 0 m b - 2 0 0 m b s 。总得来说，希捷的此款( “捷 豹”) c h e e t a hx 1 5 系列将硬盘的性能提高到了一个新的里程碑。 1 2 2 0 0 0 年3 月】6 日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，这就是i b m 推出的d e s k s t a r7 5 g x p 及d e s k s t a r4 0 g v ，此两款硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片 材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性。另外玻璃材料在高转速时具有更高 4 第章绪论 的稳定性。此外d c s k s t a r7 5 g x p 系列产品的最高容量达7 5 g b ，而d e s k s t a r4 0 g v 的数据 存储密度则高达1 4 3 亿数据位每平方英寸，这再次刷新数据存储密度世界记录【6 1 进入上世纪9 0 年代，硬盘的发展步幅进一步加大，新技术不断涌现，其记录密度、存 储容量增长了几十倍，读写速度进一步加快，以图1 4 中的3 5 英时硬盘为例，在9 0 年代 中期其容量仍停留在1 0 g 以下，而当前商用应用中的硬盘容量普遍超过1 0 0 g 【7 】。目前记录 密度高达l o o g b l 秆的硬盘系统已经进入实验室研究阶段。 图1 4 硬盘容量的发展 东南大学硕士学位论文 1 2 磁头磁盘组件技术 硬盘是使用硬式的盘片作为记录媒介体，通过磁头的微小电流将盘片磁化成无数磁场 来存储数据的最常用的材料有铝合金、铬合金等。目前我们在市场上看到的硬盘，都是 所谓的温式硬盘，即温彻斯特硬盘f w m c h e s t e r k i g i d d i s c 功1 v c ) 。温式硬盘主要指的是它的 磁头构造，第一代的温式硬盘所使用的磁头被称为w i n c h e s t e rh e a d ( 温式磁头) 。硬盘厂商 的产品规格中标明的其硬盘是x x ( 如5 0 1 的磁头，这是指它的磁头大小与第一代温式磁 头的大小相比，5 0 即是指其磁头尺寸为第一代温式磁头的5 0 0 温彻斯特技术具有以下 特点：磁头、盘片及运动机构密封；固定并高速旋转的镀磁盘片表面平整光滑；磁 头沿盘片径向移动；磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态，不与盘片接触口】。 硬盘信息的存储和回放主要是在磁头和磁盘之间的高速旋转运动中实现。从机械学和 摩擦学的角度看，相对运动的磁头和磁盘构成了一对运动副，其涉及高精度、高速度运动 控制和定位、微摩擦与磨损、表面加工与改性等问题。 硬盘的关键部分是头盘组件0 a e a d & s ka s s e m b l y ，h a d ) ，它由盘片组和头堆( h e a d s t a c k a s s e m b l y ，h s a ) 构成。盘片由多层膜结构组成，从内到外一般为盘基、底层、衬层、 磁层、保护层和润滑层( 图1 5 【7 1 ) a r e n m a g n e t i c d l s k f 睁吨 盯r + l u b es l l d e r d e m h ， s p c 加g 0 t r c 眦 h e t 0 1 t n o i n 虮t l 0 珊r c o i 瞳 ( 铀，虹， 乜田1 )t h 蜘( i m l ) v a l u et h t c l m e s , ； 妇m ) ( n m ) 6 d4 0 1 55 ，2 s 43 8s 1 4 ，9 5 1。3 2 0 ： 4 79 2 。3 4 3 ；i 1 52 4 雪3 6l t 53 83 d 2 00 3 o 。， 1 3 4 ： 3 , 42 盘1 4 01 9 2 石l 乞23 ol $ 6 0 ， 1 8 12 41 1 7 。5 2 母 1 6： l l o d2 d6 dl ml d 图1 5 盘片的多层膜结构组成 计算机硬盘无论在尺寸上和存储量上，发展非常迅速。从1 9 8 0 年的1 4 时发展到现在 的1 时，存储量由5 m b 发展到现在的2 0 0 g b 以上，并逐步向1 0 0 0 g b 发展。1 9 9 1 年开始， 硬盘磁存储密度的复合增长率以每年6 0 的速度上升，在近几年里，甚至达到1 0 0 。高 技术密度越来越大。磁头的飞行高度随磁记录密度的升高而迅速下降，而飞行控制精度却 不断提高，目前1 0 0 g b 容量以上硬盘的飞行高度已降到1 0 n m 以下，飞行控制精度在l n m 左右。改进磁存储方式和降低磁头磁盘间隙是复合增长率这几年迅速提高的主要因素。 减小磁间隙的途径有两个：一是减薄保护膜和润滑膜的厚度，二是降低磁头磁盘间 的飞行高度。前者促进了基于研究磁介质保护膜的制备技术和材料学研究，后者使磁头 磁盘从近接触读写( p r o x i m i t yr e c o r d i n g ) 向准接触读写( p s e u d o - c o n t a c t r e c o r d i n g ) ，乃至直接接 触读写磁头磁盘技术的发展要求磁头和磁盘的磨损在“原子尺度”。为达到此目的，传统 的磁头磁盘接触起停( c o n t a c ts t a r t s t o p ，c s s ) 方式近年来已经向载入载, q 4 , ( 1 0 a d u n l o a d ) 方式发展。该项技术使磁头不再通过与磁盘接触而在磁盘上方直接起飞，避免了磁头磁 盘之间起停时的摩擦与磨损但是同时，它却增大了磁头载入时与磁盘撞击的几率。压电 陶瓷微驱动器( p z t m i c r o ，a t u a t o r ) 对磁头的寻道精度提高起到了极大的促进作用，前置信号 6 第一章绪论 芯片位于磁头支撑臂，其能提高硬盘的数据传输率。但是，它们都由于改变支撑臂的动态 特性，而对磁头的飞行特性和寻道稳定性产生了影响，而飞行姿态的不稳定性同样将引起 磁头磁盘界面的摩擦和碰撞。新技术的突破带来新的问题。随着磁记录技术的迅速发展， 磁头磁盘之间润滑分子的流失、润滑层的化学稳定及外界环境对界面润滑稳定性的影响， 以及在磁盘高速旋转下各种空气承载面( a i rb e a r i n gs u r f a c e ，a b s ) 磁头飞行运动的不稳定对 磁头磁盘界面摩擦学性能的影响等成为研究的关键。新的实验手段，如各种基于原子尺 度的表面分析测绘仪器以及理论分析方法的出现和完善，更促进了磁记录系统的纳米机械 学、纳米材料学和纳米摩擦学的研究向深度发展。硬盘驱动器的研究是集磁学、材料学、 摩擦学、稀薄气体动力学、高精度测量学、纳米级表面加工技术、高精度定位技术和控制 技术等现代化科学为一体的高科技学科存储容量的提高是多种技术进步的综合结果j 。 硬盘读写磁头安装在空气轴承滑块( s l i d e ra i rb e a r i n g ) 上，滑块是磁头的飞行载体。因此， 本文以滑块的飞行运动特性为研究对象，也即把磁头和滑块的力学特性等同。 空气轴承滑块的发展经历y j , 型( m i m ) 、微型( m i c r o ) 、纳米o q a n o ) 、皮米( p i e o ) 、飞米 ( f e m t o ) 等几个阶段，其表面形状也经历了两轨f 双体1 、三体、五体等阶段，飞行高度由最 初的5 0 0 r u n 降低到5 n m 以下。由图1 6 可以看出，磁头滑块的加工方法在进步，由传统的 机械加工方法到化学刻蚀方法。除了滑块尺寸不断减小，表面形状不断复杂以外，滑块的 自重显著降低。滑块上所安装的磁头经历了薄膜磁头( t h i nf i l mh e a d ) 、磁阻磁头( m a g n e t o r e s i s t i v eh e a d ) 、巨磁阻磁头( g i a n tm a g n e t or e s i s t i v e ) 的演进”j 。 e v o l u t i o no fs l i d e r a i rb e a r i n gs u r f a c e 2 $ x 2 2 4 x 0 ，6m m 1 6 2 m g 图1 6 空气轴承滑块的发展演变 硬盘工作时安装有磁头的滑块在气膜力作用下悬浮于盘片上方，避免了与盘片的摩擦， 但是悬浮的磁头也会对读写操作带来不利影响，因为存储密度进一步增大后，电磁信号会 变得更加微弱，并且相邻信号之间的干扰也更为严重，为了更精确地读写数据，必须降低 滑块在盘片上的飞行高度。磁头与盘片间隙越小，越有利于提高读盘的准确性和灵敏度。 因为磁头越靠近盘面，小磁极所产生的磁场感应到磁头的磁通量越大，读出的信号越强； 反之信号越弱( 图1 7 ) 。同时，滑块尺寸的缩小对降低磁头在盘片上方的飞行高度很有利， 因为越小的滑块就越容易对其及悬臂结构进行集成，也便于对飞行高度进行精确的设计。 7 东南大学硕士学位论文 滑块自重的减小，悬臂对其施加的预载力也随之下降，磁头与盘面发生碰撞的机率也将降 低。最新发布的硬盘的磁头飞行高度已经不到1 0 n m ，在实验研究阶段的飞行高度已达到 了纳米级，不再远远小于气膜厚度，连续介质的假设不再成立，经典雷诺方程须加以修正， 由此也带来了一系列静力学和动力学的问题。磁头与磁盘间隙越小，则盘面记录的信息越 多，对磁头组件的结构和静、动力学特性提出了更高的要求。因此分析磁头磁盘系统的 特性对硬盘的研究具有十分重要的意义。 图1 7 磁头飞行高度与记录位尺寸的关系 本文的研究对象是磁头磁盘系统，其中磁头和磁盘问空气轴承的力学性能和空气轴 承滑块表面形状的优化设计是本文的研究内容。推动硬盘向更大容量、更小体积、更廉价 方向发展的首要技术仍然是磁头磁盘界面技术，而支撑磁头磁盘技术发展，也使得以 基于磁头磁盘的表面与界面加工技术，改性技术，控制技术和纳米摩擦学的研究变得异 常活跃。技术的两大支柱一是磁头磁盘的磁学技术，另一个就是基于磁头磁盘界面的 机械学和摩擦学技术。在温彻斯特技术中，磁头能够悬浮在高速转动的盘片上方，而不与 盘片直接接触主要取决于磁头和磁盘问空气轴承的力学性能。温式硬盘中磁读写头固定在 空气轴承滑块的尾部，磁头飞行高度的降低可以减小磁头和磁盘问的气隙，提高硬盘的存 储密度，合理地设计空气轴承滑块承载面的形状可以达到降低磁头飞行高度的目标。 1 3 磁头空气轴承滑块的研究现状 1 3 1 磁头磁盘系统静力学研究 硬盘用空气作润滑介质工作时，磁头在气膜力的作用下离开磁盘，磁头和磁盘之间 形成气膜，气膜承载力使磁头工作在一个平稳高度上。对磁头磁盘系统进行静力学仿真 的一种传统方法是对雷诺方程进行修正并求解。磁头的飞行高度越来越低，要考虑分子稀 薄效应的影响，连续介质的假设不能成立，必须对描述润滑特性的经典雷诺方程加以修正。 f u k u i 和k a n e k o 以线性波尔兹曼方程为基础分析了超薄气膜润滑特性 9 1 ；并推导了任 意克努森数的广义气体润滑方程，采用变分法预先求解出一系列流量系数，给出了修正雷 诺方程中泊松流因子的基本数据，这些数据是基于线性波尔兹曼方程推导出的0 0 1 ：w e i d o n g h u a n g 和b o g y 研究了表面调节系数对磁头气膜力计算的影响，提高了气膜压强分布的仿 真精度 1 1 】。 修正雷诺方程为变系数、非线性的= 阶二维偏微分方程，它的数值求解是研究磁头， 磁盘系统的关键。c h a 和b o g y 用有限差分法对静态负压磁头的气膜压强进行了仿真1 1 ”； y 0 n gh u 采用多重网格控制体方法求解了稀薄气体润滑方程i l 目；l i nw u 在不规则三角网格 上使用多重向上残差分布策略对气膜的压强分布进行数值仿真1 ”】。吴建康采用算子分裂算 法和非结构三角网格的有限元法计算磁头的空气轴承载承面气膜压强分布，采用算子分裂 算法可以有效克服在高轴承数时的数值不稳定性，消除数值振荡i j “。 当磁头表面形状复杂和磁头磁盘有可能出现粗糙峰接触时，基于雷诺方程修正模型的 多重网格有限体积法就不再适用。a l e x a n d e r 运用蒙特卡罗方法( d i r e e ts i m u l a t i o nm o n t e c a r l o ，d s m c ) 蝴块空气轴承的模拟计算”“。磁头飞行高度小于5 n m 时，空气分子间 8 第一章绪论 作用力不可忽略，b o g y 系统分析了分子间作用力对飞高低于5 n m 的磁头的影响i l “。 静力学研究探讨了磁头低飞行高度时对磁头磁盘系统静力学特性进行模拟计算的方 法。描述润滑性质的经典雷诺方程的修正和对修正雷诺方程的求解，并用适当的数学模型 对气体润滑的剪膜和挤压膜性质、润滑膜承载力、系统摩擦力、摩擦系数和润滑膜压强中 心的计算等静力学问题作了仿真研究。 1 3 2 空气轴承滑块飞行特性研究 硬盘系统中，磁头相对磁盘的稳定飞行状态是决定系统性能的重要因素，磁头的飞行 特性直接影响硬盘对数据的读写。磁头磁盘间隙的减小提高了存储密度，但使磁头与磁 盘发生碰撞的几率加大，造成物理损坏，因此对磁头飞行特性的分析非常重要。在磁头的 设计阶段就应对其稳态飞行参数进行分析计算。 c h o i 采用传统的搜索算法对磁头的稳态飞行参数进行求解i l ”。础k e 运用有限元的方 法对三体磁头的飞行敏感性进行研究，并与实验结果相比较”。w h i t e 求解耦舍的雷诺方 程和磁头的运动方程，通过运动轨迹的渐进解得到磁头稳态飞行高度和稳态飞行角度“。 1 3 3 空气轴承滑块形状优化研究 硬盘及其组件尺寸小型化是其发展的主线，使得硬盘记录密度与容量增大、生产成本 下降、读取数据的速度加快。硬盘系统动作机理、读写方式相对稳定，而空气轴承滑块的 设计产生了很大的进步。硬盘记录密度的提高要求读写磁头与磁存储介质之间的间隙越来 越小，必须不断降低承载滑块的飞行高度，这就要求对滑块外形及其承载表面形状的设计 不断进改，通过调整滑块承载气膜力的大小和布局来满足要求。 s h a 采用模拟退火算法对飞高低于2 5 r i m 的磁头表面形状进行优化设计阱l 。y o o n 和 c h o i 对双轨磁头进行优化设计，优化目标是提高磁头的稳态飞行性能，即磁头稳态飞行时， 飞高的波动尽可能小，俯仰角尽可能大，侧倾角尽可能小，同时运行过程中要求磁头外轨 道的飞高要低于内轨道的飞高，优化求解采用增广拉格朗日乘子法计算优化模型 2 2 1 ；c h o i 和y o o n 对t p c ( t r a n s v e r s ep r e s s u r ec o n t o u r ) 磁头进行优化，使用序列平方程序求最优解“。 h a s h i m o t o 在双轨磁头优化中以系统在稳态和动态工作条件下，提高磁头的稳态飞行性能 作为设计目标，将直接搜索法和逐次平方程序结合起来进行优化计算，并应用于i b m 3 3 8 0 型磁头口。w a n g 提出了一种磁头形状的动态优化设计方法，优化目标使磁头磁盘系统有 较好的动力学特性，以磁头垂直方向的无量纲刚度系数最大作为优化模型，同时模型满足 尺寸约束条件和磁头稳定飞行的性能约束条件口“1 2 6 om a t t h e w 对近接触记录系统空气轴承 滑块的接触刚度进行优化设计，使磁头的接触刚度减小，从而减小磁头和磁盘问的接触力， 减小磨损，提高系统的摩擦性能j 。l u 采用遗传算法对磁头空气轴承滑块的形状作拓朴优 化，其不同于其他优化方法之处在于优化与初始形状无关，摆脱了原设计的限制口。z h u 对d i r e c t 算法( d i v i d i n gr e c t a n g l e s ) 进行改进，并用于空气轴承滑块形状的优化设计“。 m a t t h e w 对飞高2 5 a m 磁头的飞行敏感性进行优化设计，优化目标是保持飞行高度不变， 减小飞行倾角对外加负荷的敏感性p 。k a n g 对磁头飞行高度的波动进行优化，在稳态飞 行高度不变的情况下，减小飞高波动，同时提升飞行动态特性p ”。 优化设计过程中优化方法的选择非常重要，传统优化方法常常不能获得全局最优解， 模拟退火算法和遗传算法作为两种能够得到全局最优的算法受到人们的重视。m a t t h e w 将 模拟退火算法和遗传算法用于磁头的优化设计，求解了2 维和5 维优化问题，模拟退火算 法和遗传算法的共同特点是都不需要计算梯度来确定搜索方向p 2 1 为消除因空气轴承滑块 制造误差和外界环境变化带来的飞行高度误差，k u r i t a 设计了一种活动磁头空气滑块，即 在现有空气轴承滑块上集成制造了一个压电微驱动器，在滑块飞行到指定高度后，磁头可 在驱动器的驱动下进行高度的微调p j j l j q 。 1 4 课题来源与主要研究内容 9 东南大学硕士学位论文 本课题是国家自然科学基金“高密磁记录系统液膜润滑理论与试验研究”( 5 9 8 0 5 0 0 3 ) 、 “基于微驱动器的近接触高密磁盘系统关键技术研究”( 5 0 5 0 5 0 0 7 ) 和江苏省应用基础基金 “超薄液膜润滑理论与试验研究”( b j 9 7 0 0 2 9 ) 共同资助项目 本文主要由以下几个部分组成： 1 介绍计算机硬盘的组成结构与发展历史；讲述了硬盘的关键部分磁头磁盘组件的 工作过程，对促进硬盘存储容量增长的技术进行展望：引入空气轴承滑块的有关知识， 综述目前磁头磁盘系统研究现状。 2 介绍优化理论及算法，重点介绍模拟退火算法的原理和算法执行过程。 3 分析了磁头磁盘系统的静力学特性，对修正雷诺方程进行数值求解，模拟空气轴 承滑块受力情况：用优化的方法求解磁头的稳态飞行参数；采用模拟退火算法对空气 轴承滑块承载面的形状进行优化设计，以期降低磁头飞行高度，提高硬盘记录密度。 第二章优化理论及其算法 第二章优化理论及其算法 优化技术是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用技术，作为一个 重要的科学分支一直受到人们的广泛重视，并在诸多工程领域得到推广和应用，如系统控 制、人工智能、模式识别、生产调度、v l s i 技术、计算机工程等等。实现生产过程的最优 化，对提高生产效率、节省资源具有重要的作用。同时，优化方法的理论研究对改进算法 性能、拓宽算法应用领域、完善算法体系同样具有重要的作用。因此，优化理论与算法的 研究是一个同时具有理论意义和应用价值的重要课题。 2 1 优化理论介绍 2 1 1 最优化问题及其分类 优化方法涉及的工程领域很广，问题种类与性质繁多。根据目标函数与约束函数的不 同形式，可以把最优化问题分为不同的类型。若根据数学模型中有无约束函数分类，可分 为有约束的最优化问题和无约束的最优化问题。也可根据目标函数和约束函数的函数类型 分类，若目标函数和约束函数都是线性函数，则最优化问题称为线性规划，若其中至少有 一个为非线性函数，则称问题为非线性规划。根据目标函数的性质，最优化问题可分为函 数优化问题和组合优化问题两大类，其中函数优化的对象是一定区间内的连续变量，而组 合优化的对象则是解空间中的离散状态。 优化问题有三个基本要素：变量、约束和目标函数。在求解过程中选定的基本参数为 变量，对变量取值的种种限制称为约束，表示可行方案衡量标准的函数称为目标函数。 函数优化问题通常可描述为：令s 为上的有界子集(