（机械设计及理论专业论文）基于sea分析原理的岸桥司机室振动与噪声控制研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g n o i s ea n dv i b r a t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o lo f c r a n ec a b sb a s e do i ls e a t h e o r y c a n d i d a t e f e n gm e n g s p e c i a l t y m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p r o f e s s o rl up i n g s u p e r v i s o r s p r o f e s s o rj il i n s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n ，c h i n a m a y2 0 ，2 0 12 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：上啦 日 期：7 j 1 z , s , v l 一 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：礁导谛签名： 蜱吼幽 同录 目录 l ；i录i c o n t e n t 。i i i 摘要i 自l 】 ；7 l r l 5 c 。4 l ：t i i i 第1 章绪论l 1 1概述1 1 2工程常用振动噪声分析方法概述2 1 2 1有限元法3 1 2 2 边界元法3 1 2 3统计能量法。 4 1 2 4混合模型法4 1 2 5 不同分析方法间的比较5 1 2 6司机室声振分析与控制拟采用方法5 1 3统计能量分析理论发展状况6 1 3 1理论发展背景及国外发展现状6 1 - 3 2国内发展现状7 1 4主要内容及方法7 1 5研究意义8 第2 章统计能量分析原理。9 2 1统计能量分析概述9 2 2基本假设及适用范围1 0 2 2 1基本假设1 0 2 2 2适用范围。1 1 2 3功率平衡方程1 2 2 4 s e a 重要参数计算1 4 2 4 1模态密度15 2 4 2 阻尼损耗因子18 2 4 3耦合损耗因子2 0 2 5 统计能量法的预测分析过程2 5 2 6 本章小结2 6 第3 章声学基础理论研究。2 7 3 1 声学基础研究2 7 3 1 1 声压和声压级2 7 3 1 2 频率分析带宽2 9 3 1 3a 计权声压级3 0 3 1 4隔声原理3 2 l lj 东人学硕士学位论文 3 2 分析软件介绍一3 6 3 2 1 m s c n a s t r a n p a t r a n 有限元分析软件一3 6 3 2 2v ao n e 声振分析软件3 7 3 - 3本章小结一4 1 第4 章建立岸桥司机室分析模型4 3 4 1 概述4 3 4 2司机室骨架c a d 模型一4 4 4 3司机室骨架有限元模型一4 4 4 4 司机室骨架声学有限元模型一4 5 4 5司机室声学( s e a ) 模型4 6 4 6司机室各部件的命名及材料属性4 7 4 6 1命名规则4 7 4 6 2材料属性表4 8 4 7本章小结4 9 第5 章司机室振动噪声预测及优化设计5 1 5 1司机室噪声源识别5 1 5 2司机室人体振动测试一5 2 5 3 司机室隔声方案一5 5 5 3 1隔声测试分析5 5 5 3 2隔声仿真分析5 8 5 4司机室隔振方案一6 2 5 4 1隔振测试分析6 2 5 4 2隔振仿真分析6 6 5 5振动噪声优化设计6 8 5 5 1隔声控制策略6 8 5 5 2结构振动控制策略6 9 5 6本章小结7 0 全文总结与展望 参考文献7 5 致谢7 9 攻读硕士期间的学术成果及参与项目 r 录 c o n t e n t c o n t e n t i e n g l i s hc o n t e n t i i i a b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t l l i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r v i e w 1 1 2o v e r v i e wo fe n g i n e e r i n gn o i s ea n dv i b r a t i o na n a l y s i sm e t h o d s 2 1 2 1f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 3 1 2 2 b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 3 1 2 3s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 4 1 2 4 h y b r i d - m o d e lm e t h o d 4 1 2 5 c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n ta n a l y t i c a lm e t h o d s 5 1 2 6t h ea n a l y s i sa n dc o n t r o lm e t h o do f t h ec r a n ec a b sn o i s ea n dv i b r a t i o n 5 1 3t h et h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n to fs t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 6 1 3 1t h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n df o r e i g nd e v e l o p m e n ts t a t u s 6 1 3 2d o m e s t i cd e v e l o p m e n ts t a t u s 7 1 4r e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d s 7 1 5 s i g n i f i c a n c e 8 c h a p t e r2 s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 9 2 1o v e r v i e wo fs t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 9 2 2b a s i ca s s u m p t i o n sa n dt h es c o p e 1 ( ) 2 2 1t h eb a s i ca s s u m p t i o n s 。1 0 2 2 2 s c o p eo fa p p l i c a t i o n ：1l 2 3p o w e rf l o wb a l a n c ee q u a t i o n 1 ：1 2 4s e ai m p o r t a n tp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n 1 4 2 4 1 m o d a ld e n s i t y 15 2 4 2 d a m p i n gl o s sf a c t o r 18 2 4 3 c o u p l i n gl o s sf a c t o r ：! ( ) 2 5t h eb a s i cp r o c e s so fs t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 2 5 2 6 s u m m a r y ：1 6 c h a p t e r3 a c o u s t i ct h e o r yr e s e a r c h ：1 7 3 1f u n d a m e n t a la c o u s t i cr e s e a r c h 2 7 3 1 1s o u n dp r e s s u r ea n ds o u n dp r e s s u r ei e v e l 2 7 3 i 2 f r e q u e n c ya n a l y s i sb a n d w i d t h 2 9 3 1 3 a w e i g h t e ds o u n dp r e s s u r el e v e l s 3 0 3 1 4s o u n di n s u l a t i o np r i n c i p l e ：；：! ：；2i n t r o d u c t i o no f t h ea n a l y s i ss o f t w a r e ：；6 3 2 1m s c n a s t r a n p a t r a n 3 6 3 2 ：! 、v - 6 lo n e 3 7 i 山东大学硕士学何论文 3 3 s u m m a r y 4 1 c h a p t e r4 c r a n ec a b a n a l y s i sm o d e l ：4 3 4 1o v e r v i e w z 1 3 4 2c a dm o d e lo f t h ec r a n ec a bs k e l e t o n 一4 4 4 3f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ec r a n ec a bs k e l e t o n 4 4 4 4a c o u s t i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ec r a n ec a bs k e l e t o n 4 5 4 5a c o u s t i ca n a l y s i sm o d e lo f t h ec r a n ec a b 4 6 4 6 n a m i n ga n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o n e n t so f t h ec r a n ec a b i n 4 7 4 6 1 n a m i n gr u l e s 4 7 4 6 2m a t e r i a lp r o p e r t i e st a b l e 4 8 4 7 s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5o p t i m a ld e s i g no f t h ec r a n ec a b sn o i s ea n dv i b r a t i o n 5 l 5 1n o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n 5 1 5 2h u m a nb o d vv i b r a t i o nt e s t i n g 5 2 5 3s o u n di n s u l a t i o np r o g r a m 5 5 5 3 1s o u n di n s u l a t i o nt e s t i n ga n a l y s i s 5 5 5 3 2s o u n di n s u l a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s 5 8 5 4i s o l a t i o np r o g r a m 6 ：1 5 4 1i s o l a t i o nt e s t i n ga n a l y s i s 6 2 5 4 2i s o l a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s 6 6 5 5 o p t i m a ld e s i g no fn o i s ea n dv i b r a t i o n 6 8 5 5 1s o u n di n s u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y 6 8 5 5 2s t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y 6 9 1 ；6 s u m m a r y 7 ( ) c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t r e f e r e n c e s a c k n o w l e d g e m e n t a c a d e m i ca c h i e v e m e n t sa n dp a r t i c i p a t i o ni np r o je c t s i v 7 5 7 9 8 ( 摘要 摘要 近年来，环境问题越来越被人们所关注，而噪声污染也无时无刻都在影响着 人们的日常生活，为了创造安静舒适的生活环境，各行各业对噪声值都有明确的 规定，港机行业也不例外。在港机行业中由于工人在岸桥司机室每天平均工作时 间达8 小时以上，因此司机室内噪声环境与工人的身体健康密切相关，目前国内 在港机行业对噪声控制的分析方法主要采用有限元法边界元法等，但司机室噪声 源激励分布于几赫兹至几千赫兹的宽频带，在上千赫兹以上的高频由于模态密度 较大，采用有限元法会产生分析结果的不确定性，并且分析与计算时间的代价也 很大。 统计能量分析理论是从统计的观点以能量为主变量的分析方法。统计强调用 已知动态参数分布的统计集合数描述所研究的动态系统，因此所有参量均为概率 性质的描述，它是时间、空间和所研究频段的各振动方式的平均；其主要研究变 量是系统的统计能量响应，而其它动态变量如位移，声压等均可从能量响应变量 中获得；分析强调s e a 是一种研究问题的方法，而不是一种特殊的技术。 本文在国家8 6 3 项目和上海振华重工( 集团) 股份有限公司的支持下，针对 岸桥司机室内振动噪声水平过大问题，在充分研究统计能量理论的基础上，对理 论中的功率流平衡方程和主要参数( 如模态密度，阻尼损耗因子和耦合损耗因子) 进行了充分研究，并在研究了部分与本文相关的声学基础理论之后，提出了一种 基于统计能量分析理论解决岸桥司机室全频段振动噪声的方法。该方法结合全频 段声学仿真软件v ao n e ，通过建立有效的岸桥司机室声学分析模型，并以统计能 量分析理论和声学理论为指导进行一系列的振动与噪声分析，根据分析结果采用 有效的隔声、隔振措施改善岸桥司机室内的振动噪声水平，成功完成了8 6 3 项目 的技术指标。另外在国内港机行业针对振动噪声问题的诸多解决方法中，本文首 次提出采用基于s e a 理论与v ao n e 软件相结合的研究方法，这对我国港机行业 解决振动噪声问题具有重大的工程意义和现实意义。 关键词：统计能量分析理论；模态密度；损耗因子；隔声；隔振。 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v ep a i dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ot h e n o l s e 。r e i a t e d e n v i r o l l l n e n t a ip r o b l e m si nt h a tn o i s ep o l l u t i o n sc a n s e r i o u s l ya f f e c tp e o p l e sd a i l yl i v e s a 1 1t h et i m e i no r d e rt oh a v eaq u i e ta n dc o m f o r t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n t ，t h eu p p e r l i m i t so fn o i s el e v e l sa r ec l e a r l yd e f i n e d i nd i f f e r e n ti n d u s t r i a la r e a s ，i n c l u d i n gt h ep o n l a c h i n ei n d u s 仃y i np o r tm a c h i n e r yi n d u s t r y ，w o r k e r su s u a l l yn e e d t ow o r ke l g h th o u r s o rm o r ei n l ec 啪ec a bp e rs h i f t ，s ot h eh e a l t ho fw o r k e r s i sc l o s e l yr e l a t e dw l t ht h e i n d o o rn o i s ee n v i r o 眦e n t t h ec o m m o n l yu s e dt e c h n i q u e s o fn o i s e a n d 。v 1 b r a t l o n a i l a l y s i sa n dc o n t r o la r em o s t l y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa n d o rb o u n d a r ye l 锄e m m e t h o d s e s p e c i a l l yi nt h ed o m e s t i cp o r tm a c h i n ei n d u s t r ya tp r e s e n t h o w e v e r ，a s t n e b r o a d b a n do fc r a n ec a bn o i s es o u r c ee x c i t a t i o n si su s u a l l yd i s t r i b u t e df r o ma f e wh e i r t z t 0s e v e r a lt h o u s a n dh e r t z ，a n dt h er e s u l t i n gm o d a ld e n s i t i e so f t h ec a bs y s t e m sc a nb e v e 珂b i gf o r t h ef r e q u e n c yr a n g e o fi n t e r e s t , t h er e s u l t sf r o mt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s c a nb ev e r yu i l c e n a i na n dl a c ko fc o n f i d e n c e b e s i d e s ，t h ec o m p u t a t i o n a l c o s to ft m l t e e l e m e n ta n a l y s i sc a l lb ev e r yh i g h s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) i s as t a t i s t i c a lm e t h o di nw h i c hs u b s y s t e me n e r g y r e s p o n s e sa r et a l ( e na st h ef e w o fm a i nv a r i a b l e s s t a t i s t i c sa d d r e s s e st h eu s l n go ft h e s t a t i s t i c a le n s e m b l eo fk n o w nd y n a m i cp a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o n s t od e s c r i b et h ed y n 删c s v s t e mo fi n t e r e s t a sar e s u l t ，a l ls e ap a r a m e t e r sa r ed e s c r i b e db yt h e i rp r o b a b i l i t y n a t u r e i ti st h ea v e r a g eo ft h ev a r i o u sm o d e so f v i b r a t i o no nt i m e ，s p a c ea n df r e q u e n c y b a n d so fi n t e r e s t t h es t a t i s t i c a le n e r g yr e s p o n s eo f e a c hs u b s y s t e m1 s t h em a m v a r i a b l e s ，a n do t h e rd y n a m i cv a r i a b l e s ，s u c h a sd i s p l a c e m e n t sa n ds o u n dp r e s s u r el e v e l s c a nb eo b t a i n e df r o mt h ee n e r g yr e s p o n s ev a r i a b l e s m o s ti m p o r t a n t l y ，i t i sa d d r e s s e d t h a ts e as h o u l db ec o n s i d e r e dm o r e 弱a k i n do fm e t h o d o l o g yf o rs o l v i n gh l g h e r 行e q u e n c yn o i s ea n dv i b r a t i o np r o b l e m s ，r a t h e rt h a n ap a r t i c u l a r l ys p e c i f i e dt e c h n i q u e t h i sd i s s e n a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c ta n ds h a n g h a iz h e n h u a h e a v yi n d u 唧( g r o u p ) c o ，l t d f o rt h eq u a yc r a n ec a b ，i tw a sf o u n d t h a tt h en 0 1 s e a n dv i b r a t i o nl e v e l so ft h ec a ba r e t o oh i g h t os o l v et h ep r o b l e m f l r s t ，l o t so f f u n d 锄e n t a lr e s e a r c ho ns t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i sw e r ec a r r i e do u t ，e s p e c i a l l y o nt n e w e r b “a n c ee q u a t i o n sb e t w e e ns e as u b s y s t e m sa n d t h es e am a i np a r a m e t e r s ( s u c h i i i 山东大学硕十学位论文 a sm o d a ld e n s i t y ，d a m p i n gl o s sf a c t o ra n dc o u p l i n gl o s sf a c t o r ) ；s e c o n d l y ，s o m eb a s i c t h e o r yo fa c o u s t i c sw a sr e v i s i t e d ；a n dt h i r d l y ，am e t h o d t os o l v et h en o i s ea n dv i b r a t i o n o ft h eq u a yc r a n ec a bw a sp r o p o s e db a s e do ns t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s t h en e ws e a m o d e lc o m b i n e st h ef u l l - b a n da c o u s t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ev ao n e b ye s t a b l i s h i n g t h ea c o u s t i c sa n a l y s i sm o d e lo fq u a yc r a n ec a b ，as e r i e so fv i b r a t i o na n dn o i s ea n a l y s i s w a sc o n d u c t e du n d e rt h eg u i d a n c eo ft h es t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i sa n da c o u s t i ct h e o r y t h i st h e nf o l l o w e dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e m so ni m p r o v i n gt h ee f f e c t i v es o u n d i n s u l a t i o na n di s o l a t i o nl e v e l si no r d e rt or e d u c et h eq u a yc r a n ec a bi n d o o r sn o i s ea n d v i b r a t i o nl e v e l sa c c o r d i n gt ot h es e ap r e d i c t i o n s f i n a l l y ，t h et e c h n i c a li n d i c a t o r so f n a t i o n a l8 6 3p r o j e c tw e r es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dw i t l lv a r i o u sm e t h o d ss u g g e s t e df o r s o l v i n gn o i s ea n dv i b r a t i o np r o b l e m so ft h ed o m e s t i cp o r tm a c h i n ei n d u s t r y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，an e wt e c h n i q u ew a sp r o p o s e dw h i c hc o m b i n e ss e at h e o r ya n dv ao n e s o f t w a r e m o r e o v e r ，i ti se x p e c t e dt h a tt h en e wt e c h n i q u ec a np r o v i d es o m eu s e f u l i n f o r m a t i o no ns o l v i n gp r a c t i c a ln o i s ea n dv i b r a t i o np r o b l e m sf o rd o m e s t i cp o r t m a c h i n ei n d u s t r y k e y w o r d s ：s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ；m o d a ld e n s i t y ；l o s sf a c t o r ；s o u n di n s u l a t i o n ； i s o l a t i o n i v 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 自产业革命以来，随着工业的发展，不断产生与创新了各类机械设备，在工 矿企业的生产活动中，这些机械设备的运行创造了巨大的财富，为人类带来繁荣 和进步，同时也形成了工业噪声污染源，使周围声学环境受到污染。 工业噪声是环境噪声的主要污染源之一，对职工的身心健康，周围人群的正 常生活等危害巨大。据联合国环境保护署调查，在1 9 7 7 年的工业生产中，由于噪 声造成工作效率降低，意外事故和要求赔偿的经济损失，美国估计达到4 0 亿美元； 在联邦德国也有约2 0 的工人暴露在危险的噪声之中；在日本，中小企业很多与 居民住宅混杂在一起，其中约半数以上噪声超过规定标准。在其它国家也都不同 程度地存在着工业噪声的严重危害【l 】。 近年来，随着我国对于环境保护的日益重视和声环境的日益恶化，国家在噪 声污染防治方面出台了一系列的政策法规。以1 9 8 9 年颁布的中华人民共和国环 境保护法为核心，围绕噪声污染防治方面先后出台的中华人民共和国劳动保 护法、建设项目竣工环保验收管理办法、中华人民共和国环境噪声污染 防治法、中华人民共和国职业病防治法等，都在噪声污染防治方面进行了 规范，上述法律法规的颁布为噪声污染防治行业的发展奠定了坚实的政策基础。 但是与工业发达国家相比，工业噪声污染还较为严重。2 0 1 0 年1 2 月1 5 日国家环境 保护部联合发展改革委等十一部委，共同发布关于加强环境噪声污染防治工作 改善城乡声环境质量的指导意见( 环发( 2 0 1 0 ) 1 4 4 号) 提出：各地应将环境 噪声污染防治和声环境质量改善作为重要任务之一，纳入“十二五”环境保护规 划，设立噪声污染防治章节【2 】。 港机行业在过去几十年随着集装箱运输的快速增长和集装箱船舶的大型化 已逐渐成为远洋运输的主流，而集装箱吞吐量已经成为衡量港口作用和地位的主 要标志【3 】【4 1 。我国港机行业为了能在未来集装箱全球化运输中占有一席之地，已 开始加大投资集装箱码头的建设和传统集装箱码头的改造，其中就包括岸桥起重 i lj 东大学坝t 学1 审论文 机噪声控制方面的投资和改造，以提高自身竞争力【5 】【8 1 。 我国的港口机械装备工业经历了从引进、消化吸收到国产化的艰辛历程，目 前己进入拥有自主知识产权和掌握核心技术的新阶段【9 】。以上海振华港机( 集团) 公司( s h a n g h a iz h e n h u ah e a v yi n d u s t r yc o l t d ，简称z p m c ) 产品为代表的中国港 口机械装备技术处于世界领先地位，是世界上最大的港口机械及大型钢结构制造 商，产品已进入世界5 0 多个国家和地区，占有世界集装箱岸桥和场桥市场七成以 上的份额，中国品牌已获得世界港口界的普遍认可【6 】【7 】。 在整个港口机械中，司机室作为操作人员的工作环境与操作人员的健康水平 密切相关，司机室工作环境主要指与司机健康状况密切相关的司机室内座椅部位 的人体振动水平和室内噪声水平。部分欧美等发达国家的用户要求将岸桥司机室 工作状态下的室内噪声水平限定在6 0d b ( a ) 以下；而人体振动的舒适度评价指标 根据i s 0 2 6 3 1 1 要求【4 3 1 ，其振动加速度必须小于0 3 1 5m s 2 。为了改善司机室内 振动噪声水平，使我国港机行业岸桥司机室内的噪声水平满足6 0d b ( a ) 的要求， 从而改善操作人员的工作环境，提高工作效率，也提升我国港机行业在国际中的 竞争力，国家科技部以上海振华重工为依托，在“十一五”8 6 3 计划先进制造技 术领域“集装箱自动码头装备及示范”中专项设立了岸桥司机室振动噪声控制项 目，本研究在8 6 3 项目和上海振华重工的支持下，针对国内港机行业岸桥司机室 内振动噪声水平普遍高于6 0d b ( a ) 的问题进行深入研究，并通过采取响应的隔声 隔振措施使岸桥司机室内噪声水平控制在6 0d b ( a ) 以下，成功完成了国家8 6 3 项目的要求并已顺利通过相关的评审。 1 2 工程常用振动噪声分析方法概述 目前工程中用于振动噪声的分析计算方法按原理可归为三类：( 1 ) 确定性 分析方法，如有限元边界元法( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ，简称f e a b e m ) ；( 2 ) 统计性分析方法，如统计能量法( s t a t i s t i c a l e n e r g ya n a l y s i s ，简称s e a ) ：( 3 ) 近年来新兴起的混合模型法( 如：系统模 型= f e a 子模型+ s e a 子模型) 。根据这三种方法的理论和应用特点，可以确 定在振动噪声分析过程中各阶段的具体应用情况。 2 第1 苹绪论 1 2 1 有限元法 传统有限元分析方法是建立在r a y l e i g h - r i t z 方法基础上的一种精确的数值计 算方法【l o 】。有限元模型将系统的动态特性描述为振动模态，通过对系统结构的振 动模态变形分析的精确计算，有限元法能够准确的预测系统的动态响应( 振动变 形