한국소음진동공학회논문집제 20 권제 10 호, pp. 915~922, 2010. DOI : 10.5050/KSNVE.2010.20.10.915 자이로스코픽효과와유체동압베어링에의한비대칭성을고려한회전유연디스크 - 스핀들시스템의유한요소강제진동해석 Finite Element Forced Response of a Spinning Flexible HDD Disk-spindle System Considering the Asymmetry Originating from Gyroscopic Effect and Fluid Dynamic Bearings 박기용 * 장건희 서찬희 * Kiyong Park, Gunhee Jang and Chanhee Seo (2010 년 7 월 22 일접수 ; 2010 년 9 월 20 일심사완료 ) Key Words : Eigenvalue Problem( 고유치문제 ), Adjoint Eigenvalue Problem( 수반고유치문제 ), Biorthogonality( 부직교성 ), Forced Response( 강제진동응답 ), Disk-spindle System( 디스크-스핀들시스템 ), Fluid Dynamic Bearings( 유체동압베어링 ) ABSTRACT This paper presents an efficient method for determining the forced response of a spinning flexible disk-spindle system supported by fluid dynamic bearings(fdbs) in a computer hard disk drive(hdd). The spinning flexible disk-spindle system is represented by the asymmetric finite element equations of motion originating from the asymmetric dynamic coefficients of the FDBs and the gyroscopic moment of a spinning disk-spindle system. The proposed method utilizes only the right eigenvectors of the eigenvalue problem to transform the large asymmetric finite element equations of motion into a small number of coupled equations, guaranteeing the accuracy of their numerical integration. The results are then back-substituted into the equations of motion to determine the forced response. The effectiveness of the proposed method was verified by comparing it with the responses from the classical methods of mode superposition with the general eigenvalue problems, and mode superposition with modal approximation. The proposed method was shown to be effective in determining the forced response represented by the asymmetric finite element equations of motion of a spinning flexible disk-spindle system supported by FDBs. * 1. 서론 컴퓨터 HDD(hard disk drives) 에적용된유연회전디스크- 스핀들시스템의동적거동은 HDD의진동소음특성뿐아니라, 자기디스크의 TPI(track- per-inch) 교신저자 ; 정회원, 한양대학교기계공학부 E-mail : ghjang@hanyang.ac.kr Tel : (02)2220-0431, Fax : (02)2292-3406 * 정회원, 한양대학교대학원기계공학과 로알려진정보저장밀도를결정하는중요한역할을한다. Fig. 1은유연회전디스크-스핀들시스템, 복잡한구조의베이스와커버, 디스크- 스핀들을지지하는유체동압베어링 (fluid dynamic bearings, FDB), 헤드와디스크사이의공기베어링, 액추에이터의볼베어링등으로구성된 HDD의기계적구조를나타낸다. HDD의구성요소들은회전체동역학과윤활분야의연구자들의관심연구대상으로구성되어있어, 이에관한많은연구가이루어지고있다. 그 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년 /915
박기용 장건희 서찬희 러나, 회전디스크-스핀들시스템의자이로스코픽효과로인한비대칭운동방정식과유체동압베어링의비대칭강성과감쇠계수는 HDD의자유및강제진동해석모델개발과이에대한해석을어렵게한다. HDD 디스크- 스핀들시스템의동특성을해석하기위하여주로가정모드법이나유한요소법을사용하였다. Shen과 Ku (1) 는가정모드법을사용하여여러장의디스크를가지는유연회전-스핀들의자유진동특성을해석하였다. Tseng (2) 등은디스크- 스핀들시스템에복잡한베이스구조를포함하여 Shen과 Ku의연구를확장하였다. 또한, Shen과 Yoon (3) 은유체동압베어링의비선형성을고려한디스크-스핀들시스템의강제진동을연구하였다. 가정모드법의장점은강제진동을표현하기위한적당한허용함수를사용할수있다면계산시간이적게소요된다. Lim (4) 이선형유연회전디스크-스핀들시스템에유한요소법과부분구조합성법을적용한이후로몇몇연구자들은유한요소법을사용하여 HDD 디스크-스핀들시스템의동특성을연구하였다. Jang (5) 등은회전디스크의비선형성을포함하는해석방법을제안하였고, Fig. 1과같이전체 HDD 모델을개발하기위해회전부요소의기하학적적합성을만족시키는유한요소와강체연결구속조건을이용하였다. Jang과 Seo (6) 와 Jang (7) 등은충격에대한디스크-스핀들시스템의강제진동응답을연구하기위하여유한요소모델에모드중첩법을적용하였으 나, 모달영역에서운동방정식의비대각요소를무시하는모드근사법을사용하였다. 한편, Liu (8,9) 등은 HDD의자유및강제진동을해석하기위하여유한요소법에다물체동역학을적용하였다. 유한요소법의장점은모드를가정하지않고 HDD 디스크- 스핀들시스템을모델링할수있다는점이다. 그러나, 회전디스크-스핀들시스템의자이로스코픽효과와유체동압베어링의비대칭강성및감쇠계수로인한비대칭유한요소방정식을해석하기에충분한수치방법이적용됨에도불구하고, 전체 HDD의유한요소모델은많은자유도를가지기때문에고유진동수와모드형상을계산하기위해긴계산시간을필요로한다. 또한모드중첩법을사용하여비대칭유한요소방정식의강제진동응답을해석하는데는더많은시간이걸린다. 기본적으로비대칭운동방정식은일반적인고유치문제를사용하여풀수있고, 고유벡터는고유치문제와수반고유치문제로부터구한우고유벡터와좌고유벡터로구성된다 (10). 우고유벡터와좌고유벡터사이의상호직교성은모달영역에서비대칭운동방정식을비연성화시키기위해적용된다. 이연구에서는복잡한지지구조와유체동압베어링으로지지되어회전하는유연디스크-스핀들시스템의비대칭운동방정식의강제진동응답을결정하기위한효과적인수치방법을제안하였다. 비대칭유한요소운동방정식을우고유벡터만을사용하여변환을한후, 직접수치적분하고, 그결과를 Fig.1 Mechanical structure of an HDD 916/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년
자이로스코픽효과와유체동압베어링에의한비대칭성을고려한회전유연디스크 - 스핀들시스템의... 물리영역으로변환하면강제진동응답을해석할수있다. 제안된방법의수렴성과정확성은고유치문제에모드중첩법과모드근사법을적용한방법과일반고유치문제에모드중첩법을적용한방법의결과와비교하여검증하였다. 2. 해석방법 2.1 유연회전디스크-스핀들시스템의유한요소정식화이연구에서는 Jang (11,12) 등이제안한방법을적용하여 Fig. 2와같은 HDD 유연회전디스크-스핀들시스템을유한요소모델링하였다. HDD 디스크- 스핀들시스템의각구조물에대한유한요소방정식은각부분구조의내부경계에서의기하학적적합성을만족시키도록유도하였다. Fig. 3은회전디스크-스핀들시스템의유한요소모델을나타낸다. 회전하는스핀들과축은축방향운동을포함하는 Timoshenko 보요소로표현하였다. 회전디스크의운동은고정좌표계로에서측정된디스크의강체운동과회전좌표계로에서측정된디스크의면내변위와면외탄성변형운동을중첩하였다. Fig. 4 는회전자유도를가지는사면체요소로모델링된하우징과스테이터를나타낸다. 2개의저널베어링과 1개의스러스트베어링은 HDD 스핀들시스템을지지하며, 저널베어링의빗살무늬그루브와스러스트베어링의나선형그루브는정지된슬리브에새겨져있다. 유체동압베어링의강성및감쇠계수는 x, y, z 방향변위와 x와 y축에대한회전변위에대한 5자유도를가지며 Reynolds방정식의섭동법과유한요소법을적용하여, 이연구실에서개발된 HYBAP(hydrodynamic bearing analysis program) 을사용하여계산하였다 (13). Fig. 5는슬리브와회전빔사이를연결한유체동압베어링의유한요소모델을보여준다. 유체동압베어링은강성과감쇠계수의베어링요소로구성될수있다. 강체연결구속조건과가상노드를사용하여베어링요소와정지부의사면체요소를연결하였다. (a) Rotating parts (b) Disk Fig. 3 Finite element model of a rotating diskspindle Fig. 2 Mechanical structure of a 3.5" HDD diskspindle system Fig. 4 Mechanical structure of a 3.5" HDD diskspindle system 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년 /917
박기용 장건희 서찬희 Fig. 5 Finite element model of a rotating diskspindle 2.2 유연회전디스크-스핀들시스템의고유진동해석 HDD의유연회전디스크-스핀들시스템의운동방정식은자유도가매우크고회전에따른자이로스코픽항과유체동압베어링의비대칭동특성계수로인해다음과같이비대칭유한요소운동방정식으로표현이된다. ( C + G) u + Ku 0 M u + = (1) 여기서 M 은전체유한요소시스템의질량행렬, C 는감쇠행렬, G 는자이로스코픽행렬, K 는강성행렬이다. 변위는조화운동으로가정할수있고, 비대칭행렬을포함하는유연회전디스크-스핀들시스템의고유치문제는 λt u = xe 로가정하면다음과같이표현할수있다. 2 λ Mx + λ( C + G) x + Kx = 0 고유치의수치해석을위해식 (2) 를상태방정식형태로바꾸면다음과같은행렬식을얻을수있다. G C λ M 또는 M x K = 0 λx 0 0 x M λx (2) λ Ay = By (3) 식 (3) 과같이표현된방정식의크기는매우크므로비대칭행렬에대한복소고유치문제를풀기위해 implicitly restarted deflation technique을포함하 는 Arnoldi 반복법을사용하여비대칭행렬식에대한고유치해석을수행하였다 (14). Arnoldi 반복법은 Hessenberg iteration을통해큰크기의행렬을주요한고유치를근사화시키면서작은사이즈로변환하여고유치를해석하는방법이다. 이연구에서는계산시간과메모리공간을절약하기위하여 Arnoldi 반복법에서행렬-벡터곱셈연산에 sparse matrix multiplication algorithm을사용하였고, 선형연산은 frontal technique를사용하여수행하였다. 2.3 우와좌고유벡터에의한강제진동해석가진력을포함한유연회전디스크-스핀들시스템의유한요소운동방정식은다음과같이표현된다. C + G M 또는 M u K + 0 u 0 0 u Q = M u 0 M * r + K * r = Y (4) 여기서 Q 는가진력이다. 식 (4) 의고유치문제를풀면우고유벡터 Φ 는복소켤레가되고모드중첩법에의해시간응답은저차 2n개의우고유벡터 Φ ~ 를사용하여다음과같이근사화할수있다. r ~ ( t) = Φz ( t) = [{ φ } 1 { φ } 2 { φ } 2n ] z ( t) (5) 모달영역에서비대칭유한요소운동방정식을비연성화하기위해서수반고유치문제로부터좌고 ~ 유벡터 Φ 를구하여야한다. 식 (3) 의고유치문제를수반고유치문제로나타내면다음과같이표현할수있다. T T λ A y = B y (6) 우고유벡터 Φ 와좌고유벡터 Φ 사이는상호직교성이성립한다. 식 (5) 를식 (4) 에대입하고양변 ~ 에 Φ T 를곱하면식 (7) 같이비연성된행렬식으로표현할수있다. ~ T T * T Φ * ~ ~ M Φz + Φ ~ ~ K Φz = Φ Y 918/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년
자이로스코픽효과와유체동압베어링에의한비대칭성을고려한회전유연디스크 - 스핀들시스템의... 또는 ~ ~ M z ( t) + K z( t) = F (7) 식 (7) 은다음과같이 2n개의비연성된운동방정식으로표현할수있다. m z + k z = f (i 1, 2,..., 2n) (8) i i i i i = 식 (8) 을적분을통해응답 z i ( t i ) 를구한후식 (5) 에대입하면가진력에대한유연회전디스크-스핀들시스템의시간응답 r(t) 을구할수있다. 2.4 우고유벡터에의한강제진동해석 2.3절에서우고유벡터와좌고유벡터를이용한강제진동해석방법을설명하였다. 그러나, 수반고유치문제는고유치문제를한번더풀어야한다. 특히, 많은자유도를가지는비대칭운동방정식의경우에장시간계산을필요로하는고유치문제를한번더계산하는것은디스크-스핀들시스템의강제진동해석에있어서매우불리하다. 이연구는디스크-스핀들시스템의비대칭유한요소운동방정식의강제진동응답을해석하기위한효과적인수치방법을제안하였다. 식 (5) 를식 (4) 에대입하고양변에고유치문제에서구한우고유벡터 T Φ ~ 를곱하면다음과같이표현할수있다. ~ T * ~ ~ T * ~ ~ T Φ M Φz + Φ K Φz = Φ Y 또는 ~ ~ M z ( t) + Kz( t) = F (9) 식 (9) 는변환영역에서완전하게비연성화되지않는다. 그러나, z(t) 의자유도는가정된모드수와같으므로수치적분의정확성을보장하는범위내에서중첩모드수를줄일수있다. 즉식 (9) 의응답 z(t) 를식 (5) 에대입하면가진력에대한유연회전디스크-스핀들시스템의응답 r(t) 를구할수있다. 이연구에서는시간적분방법으로 Newmark 방법 (15) 을이용하였다. 제안된방법은연성된운동방정식을수치적분해야함에도불구하고수반고유치문제를추가적으로해석하지않으므로해석시간을절약할수있다. 3. 해석결과및고찰 3.1 실험및해석방법의검증 2장에서전개한 HDD 스핀들시스템의유한요소해석방법을사용하여 1장의디스크를장착하고 7,200 rpm으로회전하며유체동압베어링을사용하는 3.5인치 HDD 스핀들시스템을모델링하여동특성을해석하였다. Fig. 6은가진기위에서 HDD 스핀들시스템의가진을묘사한것으로하우징의 3 점이사면체 ( 지그 ) 요소에결합된유한요소모델을나타낸다. 강제진동해석에서가진력은사면체요소에적용되었다. Table 1은 4,118개의요소를가지는 Table 1 Type and number of finite elements in each component of the HDD disk-spindle system Component Element number Element type Bracket 2,216 Stator 490 Stationary Sleeve 316 supporting structure Housing 724 Cover 200 Tetrahedron Cap 136 Disk 360 Annular sector Shaft 18 Rotating disk-spindle Hub 12 Yoke 2 Magnet 2 Clamp 2 Thrust plate 2 Rotating Timoshenko beam Fluid dynamic bearing 3 Spring-damper Total 4,118 Table 2 Comparison between the numerical and experimental natural frequencies for a 3.5" HDD disk-spindle system at 7,200 rpm Mode Mode Natural frequency(hz) number shape Experiment Analysis Mode 1b Rocking 345 330 Mode 1f Rocking 580 552 Mode 2 Axial 1112 1177 Mode 3b Disk(0,2) 1080 1221 Mode 3f Disk(0,2) 1581 1701 Mode 4b Disk(0,3) 2113 2150 Mode 4f Disk(0,3) 2828 2870 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년 /919
박기용 장건희 서찬희 HDD 디스크- 스핀들시스템의각구성품에대한유한요소의종류와수를나타낸다. Table 2는정격 회전속도 7,200 rpm에서 HDD 스핀들시스템의유한요소고유주파수해석결과와실험결과를비교한것으로제안된해석방법이 5% 이내의오차를가지고잘예측함을알수있다. Fig. 6 Finite element model of a 3.5" HDD diskspindle system for free and forced vibration analyses Fig. 7 Excitation force 3.2 강제진동해석 Fig. 7에서와같은 1ms의주기와 200 G 크기를갖는반사인파의가진력을 Fig. 6의사면체요소의가진한후응답을계산하였다. HDD 스핀들시스템의응답의정확성은중첩된모드의수에결정된다. 이연구에서는중첩모드수를증가시키면서회전디스크끝단의최대정점변위를비교하여 Jang과 Seo (6) 에의해사용된모드근사법, 2.3절에서논의된일반고유치문제그리고 2.4절에서제안한방법의수렴성을비교하였다. Fig. 8은 Fig. 3의 A점과 B점에서반경방향변위의첫번째정점값의수렴성을나타낸다. 이정점은충격이가진된후약 0.81 msec에발생하였다. 이논문의해석모델에서는일반고유치해석방법은제안된방법보다적은모드수인 20개이상을중첩하였을때수렴하였고, 이논문에서제안된방법은 60개이상의모드를중첩했을때수렴하였다. 그러나, 모드근사방법과는많은차이가있는데, 이차이는모달영역의운동방정식에서비대각요소를무시한결과로사료된다. Fig. 9와 Table 3은 3가지해석방법이중첩모드벡터를 100개로하였을때회전디스크의 B점에서반경방향변위의시간응답과정점값을보여준다. 또한, Table 3 Peak values of the radial displacement of point B of the disk Peak Time( ms ) Displacement ( μm ) General eigenvalue method Proposed method Modal approximation method 1 0.81 13.95 13.96 21.19 2 1.71-23.59-23.57-22.65 3 2.85 31.66 31.66 32.42 4 4.74-19.50-19.57-19.23 5 5.87 20.54 20.57 19.61 6 7.19-18.26-18.28-18.33 7 9.34 12.85 12.86 11.64 8 10.47-14.23-14.24-13.96 9 11.79 10.74 10.75 11.48 10 13.70-8.28-8.28-8.20 11 14.78 10.39 10.40 9.60 12 16.14-7.64-7.64-7.177 13 18.30 5.37 5.37 5.51 14 19.42-7.75-7.74-7.56 15 20.53 5.91 5.92 5.58 920/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년
자이로스코픽효과와유체동압베어링에의한비대칭성을고려한회전유연디스크 - 스핀들시스템의... (a) Point A of the disk (a) General eigenvalue method (b) Point B of the disk Fig. 8 First peak of radial displacement of the disk with an increase in the number of superposed modes (b) Proposed method 이연구에서제안된방법 (Fig. 9(b)) 의시간응답은일반고유치문제 (Fig. 9(a)) 의결과와일치하였다. 그러나, 모드근사법의시간응답은다른두방법의결과와전체적으로비슷하게보이지만정점값이다르게나타난다. Table 4는 100개의중첩모드를사용하고, 각각의다른 3가지해석방법에따른강제진동해석시간을보여준다. 해석에사용된컴퓨터사양은 Intel Core2 Duo CPU 3.00GHz, 3.5GB RAM이다. 일반고유치문제는고유치문제뿐만아니라수반고유치문제를해석해야하기때문에고유진동해석에있어서두배의시간을필요로한다. 제안된방법은변환영역에서연성된운동방정식을적분해야하므로다른방법보다모드중첩에서조금더많은시간을필요로한다. 그러나, 고유치문제를풀고변환영역에서수치적분을하는제안된방법은일반고유치문제와같은수준의해의정확성을가질뿐만아니라해석시간이적게걸려, 특히많은자유도를가지는유연회전디스크-스핀들시스템의비대칭유한요소방정식의강제진동해석에유용할것으로사료된다. (c) Modal approximation method Fig. 9 Radial displacement of point B of the disk Table 4 Computation time of free and forced vibration analyses(sec) General eigenvalue method Proposed method Modal approximation method Free vibration 1030 515 515 Mode superposition 5 37 5 Forced vibration 1035 552 520 4. 결론 이논문은비대칭유한요소방정식으로표현되는 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년 /921
박기용 장건희 서찬희 유연회전디스크-스핀들시스템의강제진동해석을위한효과적인수치방법을제안하였다. 제안된방법은종래의일반고유치문제와비교하여같은수준의해의정확성을가지고해석시간이적게걸려, HDD 스핀들시스템과같이자유도가크고, 비대칭운동방정식으로표현되는시스템의강제진동해석을적게수행하는경우에유용할것으로사료된다. 후기이논문은 2008년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구임 (KRF-2008-313-D00040). 참고문헌 (1) Shen, I. Y. and Ku, CPR., 1997, A Nonclassical Vibration Analysis of a Multiple Rotating Disk and Spindle Assembly, Journal of Applied Mechanics, Vol. 64, No. 1, pp. 165~174. (2) Tseng, C. W., Shen, J. Y. and Shen, I. Y., 2003, Vibration of Rotating-shaft HDD Spindle Motors with Flexible Stationary Parts, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 39, pp. 794~799. (3) Shen, I. Y. and Yoon, J. K., 2005, A Numerical Study on Rotating-shaft Spindles with Nonlinear Fluid-dynamic Bearings, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, No. 2, pp. 756~762. (4) Lim, S., 2000, Finite Element Analysis of Flexural Vibrations in Hard Disk Drive Spindle Systems, Journal of Sound and Vibration, Vol. 233, No. 4, pp. 597~612. (5) Jang, G. H. and Jung, M, S., 2002, Free Vibration Analysis of a Spinning Flexible Disk-spindle System Supported by Ball Bearing and Flexible Shaft Using Finite Element Method and Substructure Synthesis, Journal of Sound and Vibration, Vol. 251, No. 1, pp. 59~78. (6) Jang, G. H. and Seo, C. H., 2007, Finiteelement Shock Analysis of an Operating Hard Disk Drive Considering the Flexibility of a Spinning Disk-spindle, a Head-suspension-actuator, and a Supporting Structure, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 43, No. 9, pp. 3738~3743. (7) Seo, C. H., Park, K. Y. and Jang, G. H., 2010, Modal Contribution Analysis of a Complete Flexible Operating HDD Affecting the Head-disk Motion due to Shock, Microsystem Technologies, Vol. 16, No. 1/2, pp. 179~185. (8) Liu, M., Yap, F. F. and Harmoko, H., 2008, A Model for a Hard Disk Drive for Vibration and Shock Analysis, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 12, pp. 4764~4768. (9) Liu, M., Yap, F. F. and Harmoko, H., 2007, Modeling of Hard Disk Drives for Shock and Vibration Analysis-consideration of Nonlinearities and Discontinuities, Nonlinear Dynamics, Vol. 50, No. 3, pp. 717~731. (10) Meirovitch, L., 1967, Analytical Methods in Vibrations, Macmillan. (11) Jang, G. H., Han, J. H. and Seo, C. H., 2005, Finite Element Modal Analysis of a Rotating Disk-spindle System in a HDD with Hydrodynamic Bearings Considering the Flexibility of a Complicated Supporting Structure, Microsystem Technologies, Vol. 2005, No. 11, pp. 488~498. (12) Jang, G. H. and Seo, C. H., 2007, Finite Element Modal Analysis of an HDD Considering the Flexibility of Spinning Disk-spindle, Head-suspensionactuator and Supporting Structure, Microsystem Technologies, Vol. 13, No. 8-10, pp. 837~847. (13) Jang, G. H. and Lee, S. H., 2006, Determination of the Dynamic Coefficients of the Coupled Journal and Thrust Bearings by the Perturbation Method, Tribology Letters, Vol. 22, No. 3, pp. 239~246. (14) Lehoucq, R. B. and Sorensen, D. C., 1996, Deflation Techniques for an Implicitly Restarted Arnoldi Iteration, J. Matrix anal. Appl. SIAM, pp. 789~821. (15) Chopra, A. K., 2001, Dynamics of Structures, 3rd ed., Prentice-Hall, pp. 612~618. 922/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 10 호, 2010 년