海事事故分析中的计算机仿真论文

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1计算机仿真

1．1案例介绍

2009年9月18日晚22点左右，一艘渔船（下文称“船A”）在仰光河沉没，船上16人全部遇难．由于水面风平浪静，渔船在出港前进行过适航检查，所以排除因自身原因沉没的可能．为了查明事故原因，缅甸交通部成立事故调查委员会对当时位于出事水域附近的船舶展开调查．海事部门调查得知渔船沉没当时有5条船经过附近水域．对这5条船舶进行检查发现：4条船都无明显摩擦痕迹，其余1艘韩国籍货船（下文称“船B”）吃水线附近有摩擦痕迹，船首右舷方向有一0．5m×1m的凹陷，并重新上了船用漆．据此，“船A”的船东认为“船A”的沉没是由“船B”碰撞而致，要求“船B”的船东赔偿损失．然而碰撞事故发生在晚上，出事海域还有其他船舶，并没有人直接观察到哪条船为碰撞船舶．而且仰光河上经常有原木等漂浮物，无法辨别摩擦和凹陷是与船舶碰撞而导致的抑或与原木等碰撞而导致的．所以海事法庭裁决：仅凭“船B”有擦痕不足以断定“货船B”就是撞击船舶．因缺乏有力证据，一审判决“船A”败诉．“船A”的船东对判决不服，委托保险公司找研究人员，希望找到新的证据．本文即是在此背景下进行的仿真研究，通过计算机仿真驳斥和补充了一审中的一些证据．在新证据的支持下最终在2013年9月份的二审中，“船A”胜诉，获得赔偿．

1．2仿真建模

从缅甸海事局公布的材料模型的质量是影响仿真分析精确度的重要因素之一．虽然仿真建模技术在不断发展，但是目前精确建立一整条船仍是件很费时费力的工作．而且实际经验表明，绝对精细的模型难以进行网格剖分和有限元计算．准确建立出总体轮廓和主要承力部件，忽略非承重结构对仿真精度和精细模型相差不大．本文以实船的横剖面型线进行放样，中纵剖面型线进行拉伸切除，采用这种自上而下的建模方法得到的模型与实船轮廓=几乎一致．

1．3数值计算

船舶碰撞是短时间内，在巨大碰撞载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程，碰撞中存在着大量的非线性问题，如几何的非线性、材料的非线性、接触非线性和运动的非线性等．所有这些特点使船舶碰撞问题的研究变得相当复杂．当前的研究方法主要有：经验公式法、实船试验方法和有限元仿真分析法．经验公式法计算粗糙，多用于研究船舶在水平面内的二维运动；实船试验方法虽然可以得到可靠的数据，但“破坏性”试验的代价极其极昂贵．相比之下，有限元仿真分析法运算能力强，成本低廉，结合计算机对图像的后处理功能，可直观的再现碰撞过程，顾永宁、崔维成等开始利用有限元法对船舶碰撞进行深入的研究．计算时中心差分法对系统刚度矩阵要求不高，但对时间步长要求挺严格．通常，时间步长越小，计算越准确，但可能导致运算量太大而无法计算；而较大的时间步长容易导致计算不收敛，所以在用中心差分法计算时合理的确定时间步长是十分重要的一步．本文中各单元的时间步长Δt按如下计算方法确定．

2仿真实验

2．1实验一

事故发生在晚上，无人看到碰撞过程，若是“船A—船B”相撞，那么2船碰撞的过程是什么样的？据海事部门对2船的检查：“船A”有2处凹陷，一处位于水线附近，另外一处位于驾驶台左侧；“船B”有3处擦痕，2处位于水线附近，一处位于船首外板的右侧．但并不能据此来证明“船A”与“船B”碰撞，还需验证2船的损伤位置是否能够对应起来．

2．1．1仿真设置

利用前面建好的船舶仿真模型，根据“船A”和“船B”的变形位置、吨位、吃水确定碰撞实验的相对高度。模拟2船碰撞局面，还需知道边界条件和初始条件．主要是明确2船碰撞位置、碰撞角度，以及碰撞速度．参考船舶航行记录仪的数据，以及船员的描述可得到：“船A”航速为2kn，“船B”航速为14kn，两者的航向接近垂直，当时海面风平浪静，故无需考虑风浪对船舶碰撞的影响．计算时“船A”现对静止，根据速度的矢量合成，设置“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仿真结果

通过仿真碰撞的平面视图，直观的再现碰撞过程．仿真实验得到的船舶碰撞全过程的二维。通过划分的6个重要阶段能够直观再现碰撞过程：（左边）“船B”以8kn航速、正横的角度向（右边）“船A”撞去．受到“船B”的撞击，“船A”会被推向X轴一段距离，即横移．同时，在撞击力与水阻力的共同作用下，“船A”还会向右侧倾斜．“船B”横向速度较大，向右航行会再次撞上“船A”，造成“船A”继续右倾．最终“船A”右舷入水，水进入船体，稳性降低，加速倾覆．

2．1．3仿真结果与实测结果对比

缅甸海事局公布的“船B”损伤资料，具有法律效应和可信度．

1）由图5a），b）可知，“船B”的船首外板从吃水线上方1m开始由下至上向前延伸使得“船B”接近正横撞向“船A”尾部左舷区时，“船B”上方的船首右侧外板要先于水线附件的首柱外板与“船A”发生接触碰撞．这正对应的是图6标示的“1号损伤”．

2）由图5c），d）可知，第一次碰撞后，“船A”会发生右移和右倾，（“船B”质量和动能比“船A”大很多）“船B”状态几乎不变．“船A”的右移速度受水阻力影响不断下降，“船B”向右航行会第二次撞上渔船．由于“船A”的右倾，“船B”上方的船首右侧外板不再与“船A”发生接触，水线附件的首柱外板与“船A”发生第二次接触碰撞．这对应的正是图6所标示的“2号损伤”和“3号损伤”处．3）图5e），f）显示球鼻首吃水线附近的上端碰撞点距吃水线大约0．9m，下端碰撞点距吃水线大约1．7m；小船吃水线附近的上端碰撞点距设计水线大约0．9m，下端距设计水线大约1．4m，撞深为0．43m（注意：小船已经右倾，在测量小船时不能再以水线（WL）来算距离，而应以设计水线（DWL）来算距离）．仿真结果中2船碰撞点位置和图6中所标的2船损伤部位基本吻合．

2．2实验二

事故当时在附近航行的船舶共有5艘．其中3艘为椭圆形球鼻首，2艘（包括“船B”）为柱形球鼻首．不同形状的球鼻首撞击它船后的损伤特点是否相同？“船A”的损伤变形到底是被哪种形状的球鼻首撞击所致？

2．2．1实验设置

首先确定了2种球鼻首———椭圆形球鼻首、柱形球鼻首，二者形状不同，但是为了比较的准确性，两者的质量、速度、角度都须设置相同．因为怀疑“船B”为撞击船，本文以“船B”为基准，通过调节密度使2种球鼻首的质量都为42195t．并以85°碰撞

2．2．2仿真结果

在ExplictDynamics中进行求解，碰撞时间设为0．11s，输出“船A”在2种不同形状船首撞击下的损伤变形云图，受柱型球鼻首撞击，船体在碰撞区域有垂向的长条状变形，有2处变形较大，位于长条上端和下端区域，最大总变形为0．4344m；受椭圆形球鼻首撞击，船体在碰撞区域明显体现出水平方向变形，区域中间的变形较大，最大总变形为1．1159m．

2．2．3仿真结果与实测的对比

缅甸海事部门提供的“船A”实船。真实变形为从甲板边线到舭龙骨间的垂向的狭长状变形，而且据缅甸海事局勘测，实船的最大撞深为0．48m．实验和实测值的对比。将仿真实验得到的变形形状、最大变形与实船测量结果对比分析可得：

1）从碰撞后“船A”的变形形状上比较，很明显受柱型球鼻首撞击后得到的实验结果和真实结果最为吻合，均为垂向狭长状变形．

2）实测“船A”的最大总变形为0．48m．受柱型球鼻首撞击，“船A”最大总变形的仿真结果为0．4344m，与实际损伤变形误差为9．5％；受圆形球鼻首撞击，“船A”最大总变形的仿真结果为1．1159m，相对误差达到63．59％．显然，从“船A”的变形程度上比较，也是受柱型球鼻首撞击后得到的实验结果和真实结果最为吻合．

2．3结论

通过仿真实验，知道了“船A”、“船B”的多处损伤变形是由2次碰撞所致；两船的损伤位置可以一一对应；“船A”吃水线附件的狭长状凹陷，是被柱形球鼻首撞击所致，“船B”以航海日志中记录的吨位、航向、航速为参数撞击“船A”，“船A”最大总变形为0．4344m，与海事局实测数据0．48m较吻合．这为执法部门对碰撞事故的责任认定提供了一份客观、科学的材料．

3结束语

本文将计算机仿真技术用在船舶碰撞中，再现了碰撞过程，计算了碰撞后船舶的变形．实际上运用计算机仿真技术还能解决很多海事问题：反推碰撞角度和碰撞速度；计算、校核碰撞后船舶的稳性和强度等．目前计算机仿真技术在事故分析中的运用还不广泛，仿真模型的建立、网格的剖分、边界的约束，时间步长的设定，每个环节都会对结果的精度有较大影响；耗时较长的计算也让很多人对计算机仿真望而止步．但随着海事现代化、数字化的发展，事故数据的收集已不再是难题，对数据的深入研究将逐渐成为提高海事事故分析水平的关键．根据事故数据运用仿真技术可以直观的模拟事故经过，结合有限元计算对事故做定量分析，达到许多传统分析手段无法达到的研究深度．

作者：刘超 李范春 李翔 单位：大连海事大学轮机学院 大连海事大学交通运输装备和海洋工程学院