海事事故分析中的計(jì)算機(jī)仿真論文

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1計(jì)算機(jī)仿真

1．1案例介紹

2009年9月18日晚22點(diǎn)左右，一艘漁船（下文稱“船A”）在仰光河沉沒(méi)，船上16人全部遇難．由于水面風(fēng)平浪靜，漁船在出港前進(jìn)行過(guò)適航檢查，所以排除因自身原因沉沒(méi)的可能．為了查明事故原因，緬甸交通部成立事故調(diào)查委員會(huì)對(duì)當(dāng)時(shí)位于出事水域附近的船舶展開(kāi)調(diào)查．海事部門調(diào)查得知漁船沉沒(méi)當(dāng)時(shí)有5條船經(jīng)過(guò)附近水域．對(duì)這5條船舶進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：4條船都無(wú)明顯摩擦痕跡，其余1艘韓國(guó)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(jù)此，“船A”的船東認(rèn)為“船A”的沉沒(méi)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(fā)生在晚上，出事海域還有其他船舶，并沒(méi)有人直接觀察到哪條船為碰撞船舶．而且仰光河上經(jīng)常有原木等漂浮物，無(wú)法辨別摩擦和凹陷是與船舶碰撞而導(dǎo)致的抑或與原木等碰撞而導(dǎo)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(jù)，一審判決“船A”敗訴．“船A”的船東對(duì)判決不服，委托保險(xiǎn)公司找研究人員，希望找到新的證據(jù)．本文即是在此背景下進(jìn)行的仿真研究，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真駁斥和補(bǔ)充了一審中的一些證據(jù)．在新證據(jù)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(zhì)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(shù)在不斷發(fā)展，但是目前精確建立一整條船仍是件很費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作．而且實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，絕對(duì)精細(xì)的模型難以進(jìn)行網(wǎng)格剖分和有限元計(jì)算．準(zhǔn)確建立出總體輪廓和主要承力部件，忽略非承重結(jié)構(gòu)對(duì)仿真精度和精細(xì)模型相差不大．本文以實(shí)船的橫剖面型線進(jìn)行放樣，中縱剖面型線進(jìn)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(shí)船輪廓=幾乎一致．

1．3數(shù)值計(jì)算

船舶碰撞是短時(shí)間內(nèi)，在巨大碰撞載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，碰撞中存在著大量的非線性問(wèn)題，如幾何的非線性、材料的非線性、接觸非線性和運(yùn)動(dòng)的非線性等．所有這些特點(diǎn)使船舶碰撞問(wèn)題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜．當(dāng)前的研究方法主要有：經(jīng)驗(yàn)公式法、實(shí)船試驗(yàn)方法和有限元仿真分析法．經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算粗糙，多用于研究船舶在水平面內(nèi)的二維運(yùn)動(dòng)；實(shí)船試驗(yàn)方法雖然可以得到可靠的數(shù)據(jù)，但“破壞性”試驗(yàn)的代價(jià)極其極昂貴．相比之下，有限元仿真分析法運(yùn)算能力強(qiáng)，成本低廉，結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的后處理功能，可直觀的再現(xiàn)碰撞過(guò)程，顧永寧、崔維成等開(kāi)始利用有限元法對(duì)船舶碰撞進(jìn)行深入的研究．計(jì)算時(shí)中心差分法對(duì)系統(tǒng)剛度矩陣要求不高，但對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)要求挺嚴(yán)格．通常，時(shí)間步長(zhǎng)越小，計(jì)算越準(zhǔn)確，但可能導(dǎo)致運(yùn)算量太大而無(wú)法計(jì)算；而較大的時(shí)間步長(zhǎng)容易導(dǎo)致計(jì)算不收斂，所以在用中心差分法計(jì)算時(shí)合理的確定時(shí)間步長(zhǎng)是十分重要的一步．本文中各單元的時(shí)間步長(zhǎng)Δt按如下計(jì)算方法確定．

2仿真實(shí)驗(yàn)

2．1實(shí)驗(yàn)一

事故發(fā)生在晚上，無(wú)人看到碰撞過(guò)程，若是“船A—船B”相撞，那么2船碰撞的過(guò)程是什么樣的？據(jù)海事部門對(duì)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(tái)左側(cè)；“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(cè)．但并不能據(jù)此來(lái)證明“船A”與“船B”碰撞，還需驗(yàn)證2船的損傷位置是否能夠?qū)?yīng)起來(lái)．

2．1．1仿真設(shè)置

利用前面建好的船舶仿真模型，根據(jù)“船A”和“船B”的變形位置、噸位、吃水確定碰撞實(shí)驗(yàn)的相對(duì)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(shù)據(jù)，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(dāng)時(shí)海面風(fēng)平浪靜，故無(wú)需考慮風(fēng)浪對(duì)船舶碰撞的影響．計(jì)算時(shí)“船A”現(xiàn)對(duì)靜止，根據(jù)速度的矢量合成，設(shè)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(jié)果

通過(guò)仿真碰撞的平面視圖，直觀的再現(xiàn)碰撞過(guò)程．仿真實(shí)驗(yàn)得到的船舶碰撞全過(guò)程的二維。通過(guò)劃分的6個(gè)重要階段能夠直觀再現(xiàn)碰撞過(guò)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(huì)被推向X軸一段距離，即橫移．同時(shí)，在撞擊力與水阻力的共同作用下，“船A”還會(huì)向右側(cè)傾斜．“船B”橫向速度較大，向右航行會(huì)再次撞上“船A”，造成“船A”繼續(xù)右傾．最終“船A”右舷入水，水進(jìn)入船體，穩(wěn)性降低，加速傾覆．

2．1．3仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

緬甸海事局公布的“船B”損傷資料，具有法律效應(yīng)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(kāi)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(qū)時(shí)，“船B”上方的船首右側(cè)外板要先于水線附件的首柱外板與“船A”發(fā)生接觸碰撞．這正對(duì)應(yīng)的是圖6標(biāo)示的“1號(hào)損傷”．

2）由圖5c），d）可知，第一次碰撞后，“船A”會(huì)發(fā)生右移和右傾，（“船B”質(zhì)量和動(dòng)能比“船A”大很多）“船B”狀態(tài)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(huì)第二次撞上漁船．由于“船A”的右傾，“船B”上方的船首右側(cè)外板不再與“船A”發(fā)生接觸，水線附件的首柱外板與“船A”發(fā)生第二次接觸碰撞．這對(duì)應(yīng)的正是圖6所標(biāo)示的“2號(hào)損傷”和“3號(hào)損傷”處．3）圖5e），f）顯示球鼻首吃水線附近的上端碰撞點(diǎn)距吃水線大約0．9m，下端碰撞點(diǎn)距吃水線大約1．7m；小船吃水線附近的上端碰撞點(diǎn)距設(shè)計(jì)水線大約0．9m，下端距設(shè)計(jì)水線大約1．4m，撞深為0．43m（注意：小船已經(jīng)右傾，在測(cè)量小船時(shí)不能再以水線（WL）來(lái)算距離，而應(yīng)以設(shè)計(jì)水線（DWL）來(lái)算距離）．仿真結(jié)果中2船碰撞點(diǎn)位置和圖6中所標(biāo)的2船損傷部位基本吻合．

2．2實(shí)驗(yàn)二

事故當(dāng)時(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(zhǔn)確性，兩者的質(zhì)量、速度、角度都須設(shè)置相同．因?yàn)閼岩伞按珺”為撞擊船，本文以“船B”為基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)節(jié)密度使2種球鼻首的質(zhì)量都為42195t．并以85°碰撞

2．2．2仿真結(jié)果

在ExplictDynamics中進(jìn)行求解，碰撞時(shí)間設(shè)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(qū)域有垂向的長(zhǎng)條狀變形，有2處變形較大，位于長(zhǎng)條上端和下端區(qū)域，最大總變形為0．4344m；受橢圓形球鼻首撞擊，船體在碰撞區(qū)域明顯體現(xiàn)出水平方向變形，區(qū)域中間的變形較大，最大總變形為1．1159m．

2．2．3仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)的對(duì)比

緬甸海事部門提供的“船A”實(shí)船。真實(shí)變形為從甲板邊線到舭龍骨間的垂向的狹長(zhǎng)狀變形，而且據(jù)緬甸海事局勘測(cè)，實(shí)船的最大撞深為0．48m．實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)值的對(duì)比。將仿真實(shí)驗(yàn)得到的變形形狀、最大變形與實(shí)船測(cè)量結(jié)果對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果最為吻合，均為垂向狹長(zhǎng)狀變形．

2）實(shí)測(cè)“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(jié)果為0．4344m，與實(shí)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(jié)果為1．1159m，相對(duì)誤差達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果最為吻合．

2．3結(jié)論

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，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(duì)應(yīng)；“船A”吃水線附件的狹長(zhǎng)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(shù)撞擊“船A”，“船A”最大總變形為0．4344m，與海事局實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)0．48m較吻合．這為執(zhí)法部門對(duì)碰撞事故的責(zé)任認(rèn)定提供了一份客觀、科學(xué)的材料．

3結(jié)束語(yǔ)

本文將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用在船舶碰撞中，再現(xiàn)了碰撞過(guò)程，計(jì)算了碰撞后船舶的變形．實(shí)際上運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還能解決很多海事問(wèn)題：反推碰撞角度和碰撞速度；計(jì)算、校核碰撞后船舶的穩(wěn)性和強(qiáng)度等．目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在事故分析中的運(yùn)用還不廣泛，仿真模型的建立、網(wǎng)格的剖分、邊界的約束，時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)定，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)結(jié)果的精度有較大影響；耗時(shí)較長(zhǎng)的計(jì)算也讓很多人對(duì)計(jì)算機(jī)仿真望而止步．但隨著海事現(xiàn)代化、數(shù)字化的發(fā)展，事故數(shù)據(jù)的收集已不再是難題，對(duì)數(shù)據(jù)的深入研究將逐漸成為提高海事事故分析水平的關(guān)鍵．根據(jù)事故數(shù)據(jù)運(yùn)用仿真技術(shù)可以直觀的模擬事故經(jīng)過(guò)，結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)事故做定量分析，達(dá)到許多傳統(tǒng)分析手段無(wú)法達(dá)到的研究深度．

作者：劉超 李范春 李翔 單位：大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院 大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備和海洋工程學(xué)院