海事事故分析中的計算機仿真論文

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1計算機仿真

1．1案例介紹

2009年9月18日晚22點左右，一艘漁船（下文稱“船A”）在仰光河沉沒，船上16人全部遇難．由于水面風平浪靜，漁船在出港前進行過適航檢查，所以排除因自身原因沉沒的可能．為了查明事故原因，緬甸交通部成立事故調查委員會對當時位于出事水域附近的船舶展開調查．海事部門調查得知漁船沉沒當時有5條船經過附近水域．對這5條船舶進行檢查發現：4條船都無明顯摩擦痕跡，其余1艘韓國籍貨船（下文稱“船B”）吃水線附近有摩擦痕跡，船首右舷方向有一0．5m×1m的凹陷，并重新上了船用漆．據此，“船A”的船東認為“船A”的沉沒是由“船B”碰撞而致，要求“船B”的船東賠償損失．然而碰撞事故發生在晚上，出事海域還有其他船舶，并沒有人直接觀察到哪條船為碰撞船舶．而且仰光河上經常有原木等漂浮物，無法辨別摩擦和凹陷是與船舶碰撞而導致的抑或與原木等碰撞而導致的．所以海事法庭裁決：僅憑“船B”有擦痕不足以斷定“貨船B”就是撞擊船舶．因缺乏有力證據，一審判決“船A”敗訴．“船A”的船東對判決不服，委托保險公司找研究人員，希望找到新的證據．本文即是在此背景下進行的仿真研究，通過計算機仿真駁斥和補充了一審中的一些證據．在新證據的支持下最終在2013年9月份的二審中，“船A”勝訴，獲得賠償．

1．2仿真建模

從緬甸海事局公布的材料模型的質量是影響仿真分析精確度的重要因素之一．雖然仿真建模技術在不斷發展，但是目前精確建立一整條船仍是件很費時費力的工作．而且實際經驗表明，絕對精細的模型難以進行網格剖分和有限元計算．準確建立出總體輪廓和主要承力部件，忽略非承重結構對仿真精度和精細模型相差不大．本文以實船的橫剖面型線進行放樣，中縱剖面型線進行拉伸切除，采用這種自上而下的建模方法得到的模型與實船輪廓=幾乎一致．

1．3數值計算

船舶碰撞是短時間內，在巨大碰撞載荷作用下的一種復雜的非線性動態響應過程，碰撞中存在著大量的非線性問題，如幾何的非線性、材料的非線性、接觸非線性和運動的非線性等．所有這些特點使船舶碰撞問題的研究變得相當復雜．當前的研究方法主要有：經驗公式法、實船試驗方法和有限元仿真分析法．經驗公式法計算粗糙，多用于研究船舶在水平面內的二維運動；實船試驗方法雖然可以得到可靠的數據，但“破壞性”試驗的代價極其極昂貴．相比之下，有限元仿真分析法運算能力強，成本低廉，結合計算機對圖像的后處理功能，可直觀的再現碰撞過程，顧永寧、崔維成等開始利用有限元法對船舶碰撞進行深入的研究．計算時中心差分法對系統剛度矩陣要求不高，但對時間步長要求挺嚴格．通常，時間步長越小，計算越準確，但可能導致運算量太大而無法計算；而較大的時間步長容易導致計算不收斂，所以在用中心差分法計算時合理的確定時間步長是十分重要的一步．本文中各單元的時間步長Δt按如下計算方法確定．

2仿真實驗

2．1實驗一

事故發生在晚上，無人看到碰撞過程，若是“船A—船B”相撞，那么2船碰撞的過程是什么樣的？據海事部門對2船的檢查：“船A”有2處凹陷，一處位于水線附近，另外一處位于駕駛臺左側；“船B”有3處擦痕，2處位于水線附近，一處位于船首外板的右側．但并不能據此來證明“船A”與“船B”碰撞，還需驗證2船的損傷位置是否能夠對應起來．

2．1．1仿真設置

利用前面建好的船舶仿真模型，根據“船A”和“船B”的變形位置、噸位、吃水確定碰撞實驗的相對高度。模擬2船碰撞局面，還需知道邊界條件和初始條件．主要是明確2船碰撞位置、碰撞角度，以及碰撞速度．參考船舶航行記錄儀的數據，以及船員的描述可得到：“船A”航速為2kn，“船B”航速為14kn，兩者的航向接近垂直，當時海面風平浪靜，故無需考慮風浪對船舶碰撞的影響．計算時“船A”現對靜止，根據速度的矢量合成，設置“船B”以14．14kn航速，85°方位角向“船A”左舷船中偏后位置撞去。

2．1．2仿真結果

通過仿真碰撞的平面視圖，直觀的再現碰撞過程．仿真實驗得到的船舶碰撞全過程的二維。通過劃分的6個重要階段能夠直觀再現碰撞過程：（左邊）“船B”以8kn航速、正橫的角度向（右邊）“船A”撞去．受到“船B”的撞擊，“船A”會被推向X軸一段距離，即橫移．同時，在撞擊力與水阻力的共同作用下，“船A”還會向右側傾斜．“船B”橫向速度較大，向右航行會再次撞上“船A”，造成“船A”繼續右傾．最終“船A”右舷入水，水進入船體，穩性降低，加速傾覆．

2．1．3仿真結果與實測結果對比

緬甸海事局公布的“船B”損傷資料，具有法律效應和可信度．

1）由圖5a），b）可知，“船B”的船首外板從吃水線上方1m開始由下至上向前延伸使得“船B”接近正橫撞向“船A”尾部左舷區時，“船B”上方的船首右側外板要先于水線附件的首柱外板與“船A”發生接觸碰撞．這正對應的是圖6標示的“1號損傷”．

2）由圖5c），d）可知，第一次碰撞后，“船A”會發生右移和右傾，（“船B”質量和動能比“船A”大很多）“船B”狀態幾乎不變．“船A”的右移速度受水阻力影響不斷下降，“船B”向右航行會第二次撞上漁船．由于“船A”的右傾，“船B”上方的船首右側外板不再與“船A”發生接觸，水線附件的首柱外板與“船A”發生第二次接觸碰撞．這對應的正是圖6所標示的“2號損傷”和“3號損傷”處．3）圖5e），f）顯示球鼻首吃水線附近的上端碰撞點距吃水線大約0．9m，下端碰撞點距吃水線大約1．7m；小船吃水線附近的上端碰撞點距設計水線大約0．9m，下端距設計水線大約1．4m，撞深為0．43m（注意：小船已經右傾，在測量小船時不能再以水線（WL）來算距離，而應以設計水線（DWL）來算距離）．仿真結果中2船碰撞點位置和圖6中所標的2船損傷部位基本吻合．

2．2實驗二

事故當時在附近航行的船舶共有5艘．其中3艘為橢圓形球鼻首，2艘（包括“船B”）為柱形球鼻首．不同形狀的球鼻首撞擊它船后的損傷特點是否相同？“船A”的損傷變形到底是被哪種形狀的球鼻首撞擊所致？

2．2．1實驗設置

首先確定了2種球鼻首———橢圓形球鼻首、柱形球鼻首，二者形狀不同，但是為了比較的準確性，兩者的質量、速度、角度都須設置相同．因為懷疑“船B”為撞擊船，本文以“船B”為基準，通過調節密度使2種球鼻首的質量都為42195t．并以85°碰撞

2．2．2仿真結果

在ExplictDynamics中進行求解，碰撞時間設為0．11s，輸出“船A”在2種不同形狀船首撞擊下的損傷變形云圖，受柱型球鼻首撞擊，船體在碰撞區域有垂向的長條狀變形，有2處變形較大，位于長條上端和下端區域，最大總變形為0．4344m；受橢圓形球鼻首撞擊，船體在碰撞區域明顯體現出水平方向變形，區域中間的變形較大，最大總變形為1．1159m．

2．2．3仿真結果與實測的對比

緬甸海事部門提供的“船A”實船。真實變形為從甲板邊線到舭龍骨間的垂向的狹長狀變形，而且據緬甸海事局勘測，實船的最大撞深為0．48m．實驗和實測值的對比。將仿真實驗得到的變形形狀、最大變形與實船測量結果對比分析可得：

1）從碰撞后“船A”的變形形狀上比較，很明顯受柱型球鼻首撞擊后得到的實驗結果和真實結果最為吻合，均為垂向狹長狀變形．

2）實測“船A”的最大總變形為0．48m．受柱型球鼻首撞擊，“船A”最大總變形的仿真結果為0．4344m，與實際損傷變形誤差為9．5％；受圓形球鼻首撞擊，“船A”最大總變形的仿真結果為1．1159m，相對誤差達到63．59％．顯然，從“船A”的變形程度上比較，也是受柱型球鼻首撞擊后得到的實驗結果和真實結果最為吻合．

2．3結論

通過仿真實驗，知道了“船A”、“船B”的多處損傷變形是由2次碰撞所致；兩船的損傷位置可以一一對應；“船A”吃水線附件的狹長狀凹陷，是被柱形球鼻首撞擊所致，“船B”以航海日志中記錄的噸位、航向、航速為參數撞擊“船A”，“船A”最大總變形為0．4344m，與海事局實測數據0．48m較吻合．這為執法部門對碰撞事故的責任認定提供了一份客觀、科學的材料．

3結束語

本文將計算機仿真技術用在船舶碰撞中，再現了碰撞過程，計算了碰撞后船舶的變形．實際上運用計算機仿真技術還能解決很多海事問題：反推碰撞角度和碰撞速度；計算、校核碰撞后船舶的穩性和強度等．目前計算機仿真技術在事故分析中的運用還不廣泛，仿真模型的建立、網格的剖分、邊界的約束，時間步長的設定，每個環節都會對結果的精度有較大影響；耗時較長的計算也讓很多人對計算機仿真望而止步．但隨著海事現代化、數字化的發展，事故數據的收集已不再是難題，對數據的深入研究將逐漸成為提高海事事故分析水平的關鍵．根據事故數據運用仿真技術可以直觀的模擬事故經過，結合有限元計算對事故做定量分析，達到許多傳統分析手段無法達到的研究深度．

作者：劉超 李范春 李翔 單位：大連海事大學輪機學院 大連海事大學交通運輸裝備和海洋工程學院