本书是一本全面系统地论述纳米间隙气膜润滑理论及应用的专著。在微纳机电系统(MEMS/NEMS)设计、制造和使用过程中，存在的微纳米尺度效应等非常规物理机制，成为制约MEMS/NEMS设计、制造和应用水平提高的重要瓶颈。围绕这些关键共性学术难题，本书深入系统地阐述微纳米气体润滑基本理论、数值方法、气膜润滑静动态承载特性等微纳米气体润滑基础理论及其工程应用。全书共8章，内容主要包括绪论、气膜润滑理论、纳米间隙气膜润滑方程的数值计算方法、纳米间隙气膜非线性动力学分析方法、纳米间隙气膜静态特性研究、表面粗糙度和表面容纳系数对气膜静态特性的影响、纳米间隙气膜动态特性研究、磁头/磁盘系统冲击响应分析。
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前言
符号表
第一篇 基本理论
第1章 绪论 3
1.1 引言 3
1.2 硬盘及其工作原理 4
1.2.1 硬盘的结构 4
1.2.2 硬盘的工作原理 6
1.3 纳米间隙气膜润滑理论研究进展 8
1.3.1 气膜润滑方程及其修正 8
1.3.2 基于表面粗糙度和表面容纳系数的气膜润滑方程 10
1.3.3 气膜润滑方程的数值求解方法 11
1.4 纳米间隙气膜动态特性研究进展 14
1.4.1 纳米间隙气膜非线性动力学分析 14
1.4.2 磁头/磁盘系统冲击响应数值研究 15
1.4.3 磁头/磁盘系统冲击响应实验研究 17
1.5 本书的主要内容 19
第2章 气膜润滑理论 21
2.1 润滑气体的基本性质 21
2.1.1 气体的基本定律 21
2.1.2 气体的压缩性 22
2.1.3 气体的膨胀性 23
2.1.4 气体的传输性 23
2.1.5 分子平均自由程 26
2.2 润滑气体的流动特性 28
2.2.1 润滑气体的流动状态 28
2.2.2 气体的薄层流动 28
2.3 气体的润滑机理 33
2.3.1 气体动压润滑机理 33
2.3.2 气体静压润滑机理 36
2.4 气膜润滑方程的一般形式 38
2.4.1 磁头/磁盘界面 38
2.4.2 一般形式Reynolds方程的推导 39
2.5 纳米间隙气膜润滑方程及修正 42
2.5.1 稀薄效应 42
2.5.2 Reynolds方程的修正 43
2.5.3 两种新型修正模型的推导 46
第二篇 研究方法
第3章 纳米间隙气膜润滑方程的数值计算方法 55
3.1 最小二乘有限差分法 55
3.1.1 一维泰勒级数公式 55
3.1.2 二维泰勒级数公式 56
3.1.3 LSFD法求解一维Reynolds方程 59
3.1.4 LSFD法求解二维Reynolds方程 61
3.2 有限体积法 63
3.2.1 控制体的质量守恒 64
3.2.2 控制体的边界不连续性 65
3.2.3 线高斯迭代 68
3.3 基于压力梯度的自适应网格技术 70
3.3.1 磁头/磁盘界面自适应网格技术 70
3.3.2 网格密度函数 72
3.3.3 Ω浮动块自适应网格分布 73
3.4 多重网格法 75
3.4.1 多重网格法各层网格的生成 75
3.4.2 多重网格法的实施 76
3.5 修正的LSFD法 77
3.5.1 LSFD法的修正 77
3.5.2 边界离散点的处理 78
第4章 纳米间隙气膜非线性动力学分析方法 79
4.1 纳米间隙气膜动力学分析模型建立 79
4.1.1 物理参数分析模型 79
4.1.2 模态参数分析模型 80
4.1.3 磁头/磁盘系统分析模型 80
4.1.4 磁头/磁盘系统单自由度模型 81
4.1.5 磁头/磁盘系统二自由度模型 81
4.2 单自由度模型非线性动力学分析方法 83
4.2.1 逐步积分法-线性加速度法 83
4.2.2 Wilson-θ法 86
4.2.3 Newmark-β法 87
4.2.4 修正Newmark-β法求解单自由度磁头/磁盘系统动力平衡方程 88
4.3 二自由度模型非线性动力学分析方法 93
4.3.1 应用模态分析法求解动力平衡方程 94
4.3.2 动力平衡方程的坐标耦合与解耦 94
4.4 基于Reynolds方程的磁头/磁盘系统动态特性分析 98
4.4.1 浮动块平衡方程 98
4.4.2 牛顿迭代法 99
4.4.3 数学模型建立 100
第三篇 工程应用
第5章 纳米间隙气膜静态特性研究 105
5.1 基于LSFD法的气膜压力分布 105
5.1.1 二维平板浮动块 105
5.1.2 IBM3380浮动块 106
5.1.3 二轨道浮动块 108
5.1.4 三垫式浮动块 110
5.1.5 负压浮动块 112
5.2 基于有限体积法的气膜压力分布 114
5.2.1 IBM3380浮动块 114
5.2.2 TP1212浮动块 115
5.2.3 负压浮动块1 118
5.2.4 负压浮动块2 120
5.3 基于多重网格法的气膜压力分布 123
5.4 飞行参数对气膜静态特性的影响 125
5.4.1 飞行参数对气膜承载力的影响 125
5.4.2 飞行参数对气膜压力中心的影响 126
第6章 表面粗糙度和表面容纳系数对气膜静态特性的影响 129
6.1 基于表面粗糙度的气膜润滑方程 129
6.1.1 基本方程 129
6.1.2 数值求解 130
6.2 表面粗糙度对气膜静态特性的影响 133
6.2.1 表面粗糙度对气膜压力分布的影响 133
6.2.2 表面粗糙度对气膜承载力的影响 137
6.2.3 表面粗糙度对气膜压力中心的影响 140
6.2.4 几种模型的计算效率对比 143
6.3 基于表面容纳系数的分子气膜润滑方程 144
6.3.1 分子气膜润滑方程的多项式对数形式 144
6.3.2 分子气膜润滑方程的修正 145
6.3.3 修正模型精度验证 150
6.4 表面容纳系数对气膜静态特性的影响 151
6.4.1 表面容纳系数对气膜压力分布的影响 151
6.4.2 表面容纳系数对气膜承载力的影响 152
6.4.3 表面容纳系数对气膜压力中心的影响 153
6.4.4 不同磁盘转速时表面容纳系数对气膜压力分布的影响 154
6.5 表面粗糙度和容纳系数对气膜承载特性的复合影响 159
6.5.1 气膜压力分布影响分析 159
6.5.2 气膜承载力影响分析 161
6.5.3 气膜压力中心影响分析 162
第7章 纳米间隙气膜动态特性研究 164
7.1 单自由度系统非线性动力学分析 164
7.1.1 单自由度模型求解过程 164
7.1.2 浮动块运动特性的时域分析 164
7.1.3 浮动块运动特性的频域分析 166
7.1.4 磁头/磁盘系统浮动块瞬态动力响应分析 168
7.2 二自由度系统非线性动力学分析 170
7.2.1 求解流程 170
7.2.2 浮动块运动特性的时域分析 171
7.2.3 浮动块运动特性的频域分析 173
7.2.4 不同参数对浮动块运动特性的影响 174
7.3 预紧力和磁盘转速对浮动块飞行特性的影响 178
7.3.1 浮动块及其初始状态 178
7.3.2 预紧力对浮动块飞行特性的影响 179
7.3.3 磁盘转速对浮动块飞行特性的影响 183
7.4 空气/氦气混合气中浮动块的飞行特性 188
7.4.1 相关参数计算 188
7.4.2 飞行高度动态响应 190
7.4.3 飞行角度动态响应 193
7.4.4 浮动块受力分析 194
7.5 浮动块发生触盘时的动态特性分析 199
7.5.1 触盘现象 199
7.5.2 正常环境压力(Ps=1.0atm)时的触盘现象分析 200
7.5.3 较低环境压力(Ps=0.5atm)时的触盘现象分析 202
第8章 磁头/磁盘系统冲击响应分析 205
8.1 磁盘系统有限元模型 205
8.1.1 硬盘系统几何模型 205
8.1.2 硬盘系统有限元模型 208
8.1.3 连接、接触和边界条件设置 212
8.2 磁头/磁盘系统冲击响应计算模型 215
8.2.1 基本流程 215
8.2.2 LS-DYNA隐式-显式序列计算 216
8.2.3 重启动 219
8.3 磁头/磁盘系统冲击响应分析 220
8.3.1 硬盘在外壳、悬臂和磁盘的冲击响应 220
8.3.2 磁头/磁盘系统冲击响应 224
8.3.3 磁头/磁盘界面接触碰撞分析 230
8.4 磁头/磁盘系统冲击响应实验测量 231
8.4.1 原理和装置 231
8.4.2 测量和分析 235
参考文献 237
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