动态设计分析方法DDAM介绍及应用

动态设计分析方法DDAM 介绍及应用李增刚（北京诺思多维科技有限公司，forengineer@ ）摘 要： DDAM 在水面战舰和水下潜艇的抗冲击计算中有着广泛的应用，本文着重介绍了DDAM 的概念，以及在NEi Nastran 中如何进行DDAM 计算，并提供了进行DDAM 分析的详细步骤，以及对计算结果的统计信息的说明。

关键词：DDAM NEi Nastran 冲击响应1 DDAM 概念DDAM(Dynamic Design Analysis Method,动态设计分析方法)是美国海军广泛使用的基于冲击谱的响应分析方法。

二战中大量战舰在非接触式爆炸冲击作用下失去战斗力。

现代舰船设计时，都应该进行抗冲击试验，对于不能进行抗冲击试验的设备应进行有限元动态设计DDAM ，以检验设备的抗冲击能力。

DDAM 计算方法是先计算出结构的某些阶模态阵型和模态质量，将这些模态进行响应计算，得到每阶模态的响应，然后将每阶模态的响应按照某种规则进行合成，得到总的响应。

DDAM 分析的输入激励是由美国海军在进行了大量的实验基础上总结出来的经验公式，输入加速度a A 和速度a V 见表1，它根据设备安装在舰船或潜艇的位置不同而有所不同。

我国国军标GJB1060.1-91规定了DDAM 输入公式中的系数和常数。

根据输入，可以得到各阶模态的响应，然后将各阶模态进行合成，得到总的响应，模态合成的方法有三种，绝对值求和（Absolute Sum ，ABS ）、平方和之平方根（Square Root Sum of Squares, SRSS ）和美国海军研究实验室求和（NRL Sum, NRL ），三种合成方法如下：最常用的是NRL方法。

2 如何进行DDAM计算在NEi Nastran中进行DDAM计算非常简便，首先用前处理软件建立有限元模型(材料、属性、单元)，然后输出一个进行模态计算的工况(SOL 103)，得到提交给Nastran进行模态计算的Bulk Data File。

最后用记事本或者写字板打开Bulk Data File，在工况控制部分添加如下一行：DDAM=1DDAM等号后面为整数，需要和DDAMDAT数据卡片中得SID对应起来。

在Bulk Data部分添加如下的数据卡片：各部分的说明如下：SID是DDAMDAT数据卡的编号，必须为整数，如果在工况控制部分DDAM 等号后面为1，那么SID取1即可。

VF1、VF2、VF3是前面公式中的速度系数，AF1、AF2和AF3是前面公式中的加速度系数， AA、AB、AC和AD是权重系数，以上系数可以在国军标GJB1060.1-91查到；STYPE可以取SURFACE和SUBMARG，是指水面战舰还是水下潜艇，LTYPE是指设备安装的位置，可以取DECK、HULL和SHELL；DIRSEQ是指冲击方向，取1，2和3，如果不输入，默认值为123；FADIR是指前后方向，从1,2,3中取一个，默认为1，VDIR 是指垂直方向，从1,2,3中取一个，默认为3，GCF是质量到重量的转换因子（重力加速度），默认值为386.4(英制单位的加速度)；MINACC是最小加速度，如果由公式计算的冲击加速度小于MINACC，则使用MINACC的值，如果METHOD 的值为DDS-072，MINACC的默认值是1.0，如果METHOD的值为NRL-1396，MINACC的默认值是6.0;CUTOFF是模态质量阈值百分比，默认值是80.0,做DDAM分析，通常需要不小于百分之多少的模态质量参与计算，通常取80.0%；MTYPE是材料类型，可以取ELASTIC和PLASTIC,默认为ELASTIC;METHOD 是响应的合成方法，可以去DDS-072和NRL-1396，默认DDS-072。

需要特别注意的是，做DDAM计算时，通常用英制单位。

3 DDAM计算实例如图1所示的模型，通过4个螺栓孔固定于船体上，4个螺栓孔通过RBE2连接，REB2单元中心节点（Independent Node）的节点编号是34177，前后方向是X方向，竖直方向是Y方向。

DDAM计算模型3.1 指定进行模态计算我们现在只建立有限元模型，未指定进行模态计算。

下面手动指定进行模态计算，（读者可以在其他前处理软件中完成指定模态计算的工作和添加约束的工作）。

用写字板打开braket.nas文件（文件所使用的单位是英制单元），在BEGIN BULK前面添加如下两行SOL 103CEND如下所示3.2 创建计算工况在CEND和BEGIN BULK之间添加如下三行内容,并输出加速度响应和应力响应。

SUBCASE=1ACCELERATION=ALLSTRESS=ALL如下所示3.3 指定提取模态的阶数在BEGIN BULK之前添加如下一行METHOD=1在BEGIN BULK之后添加如下一行，提取50阶模态EIGRL, 1, , ,50如下所示3.4 添加约束将编号是34177的节点的6个自由度约束。

在BEGIN BULK前添加如下的一行内容SPC=1在BEGIN BULK后添加如下的一行内容SPC1,1,123456,34177如下所示如果现在将文件提交给NEi Nastran进行求解，可以得到前50阶模态。

3.5 添加DDAM计算的指令，并设置DDAMDAT数据卡在BEGIN BULK前添加如下一行的内容DDAM=1在BEGIN后添加如下3行内容DDAMDAT, 1, 0.25, 0.5, 1.0, 0.25, 0.5, 1.0, 10.0,, 20.0, 50.0, 10.0, 37.5, 6.0, , SURFACE, DECK,, 123, 1, 2, 386.4, 6.0, 80.0, ELASTIC, NRL-1396如下所示3.6 提交NEi Nastran进行计算将bracket.nas存盘后并退出写字板，双击bracket.nas文件，将启动NEi Nastran Editor，如图2所示，单击键盘上的F5键开始计算，计算结束后，在bracket.nas 所在的文件夹中生成bracket.op2文件，可以将bracket.op2文件读取到其他文件中。

图2 NEi Nastran Editor窗口下面是对参与冲击响应的模态的统计信息。

3.7 DDAM计算统计信息在NEi Nastran的输入文件OUT文件中，可以看到前50阶模态质量的总和占总模态质量的百分比，如下所示，可以看出前50阶模态质量在X（前后方向）、Y（竖直方向）和Z（侧向）方向上的模态质量百分比分别为86.57%、94.87%和84.72%，均超过了80%的要求。

其中，X（前后）方向冲击中参与冲击响应的模态如下（按照模态质量排序）所示：其中，Y（竖直）方向冲击中参与冲击响应的模态如下（按照模态质量排序）所示：其中，Z（侧向）方向冲击中参与冲击响应的模态如下（按照模态质量排序）所示：3.8 查看计算结果在NEi Nastran Editor中，可以查看应力和加速度响应分布。

图3—图5所示分别是前后冲击、上下冲击和侧向冲击下的应力分布。

图3 前后冲击(X向)的VON MISES应力图4 竖直冲击(Y向)的VON MISES应力图5 侧向冲击(Z向)的VON MISES应力图6—图8所示分别是前后冲击、上下冲击和侧向冲击下的加速度分布。

图6 前后冲击(X向)的加速度响应图7 竖直冲击(Y向)的加速度响应图8 侧向冲击(Z向)的加速度响应关于诺思多维北京诺思多维科技有限公司是一家专门从事CAE工程咨询、软件代理和CAE软件培训的公司，以振动噪音为主，涉及的学科包括声学计算、振动计算、疲劳计算、多体动力学计算、有限元建模和计算（线性和非线性）、流体CFD计算、碰撞冲击爆炸计算、转子动力学计算、液压传递和控制、相关性和修正计算以及多学科优化等；同时诺思多维也代理以上仿真产品的CAE软件以及测试系统硬件和数据采集系统硬件。

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关于NEi Nastran()NEi Nastran无论计算精度，还是计算速度，都比其他有限元求解器要好，NEi Nastran功能强大，其功能相当于MSC Nastran+Abaqus。

NEi Nastran简单计算功能介绍如下：1 线性静力学分析（含热分析、线性接触、自动惯性释放）2 线性屈曲分析3 正交模态分析（干模态和湿模态、质量矩阵和刚度矩阵的导入导出DMIG，用ASET进行模型缩减、部件综合模态缩减Craig-Bampton缩减、用超单元缩减、模态相关性MAC和MOX）4 线性瞬态响应分析（直接法和模态法，强迫运动）5 冲击和响应谱分析6 频率响应分析（直接法和模态法，强迫运动）7 随机响应分析8 复特征值分析9 线性预应力静力学分析10 线性预应力模态分析11 线性预应力瞬态响应分析12 线性预应力频率响应分析13 线性预应力复特征值分析14 非线性静力学分析（大变形、非线性弹性材料、热弹性材料、非线性弹性材料和大变形、间隙接触和大变形、间隙接触和摩擦、滑移接触、只承受拉伸的线缆cable、蠕变和粘弹性材料、Arc-length法，自动面接触、自动线接触、记忆合金）15 非线性瞬态响应分析（各种接触问题，自动冲击跌落、自动面接触、自动线接触）16 非线性稳态热分析17 非线性瞬态热分析18 非线性预应力模态分析19 非线性预应力瞬态响应分析20 非线性预应力频率响应分析21 非线性预应力幅特征值分析22 非线性屈曲分析23 复合材料分析（Micromechanics Based Composite Laminate Failure Analysis、Advanced Composites Ply Failure Criteria、Nonlinear Progressive Ply Failure Analysis (PPFA™)、Advanced 3D Layered Composite Analysis）24 气弹分析25 多轴疲劳和振动疲劳高级疲劳分析26 高级优化27 虚流体。