計算機仿真在海事事故分析中的應用＊

劉 超 李范春 李 翔

（大連海事大學輪機學院1） 大連 116026）（大連海事大學交通運輸裝備和海洋工程學院2） 大連 116026）

（欽州海事局通航管理處3） 欽州 535000）

0 引 言

海事事故分析是通過收集、判斷、研究證據(jù)來還原事故真實情況的過程［1］.然而海事事故不同于陸地交通事故，事故證據(jù)很可能在風、浪、流等因素的作用下消失，事故現(xiàn)場也難以維持；而且在事故的調(diào)查取證過程中被調(diào)查一方通常會有一種自我保護意識，事故經(jīng)過常被有意或無意地夸大或掩飾，這時的人證有相當大的主觀性；另外，諸如海圖、航海日志等資料也有可能在利益的驅使下人為地在事后進行修改，這樣的物證就失去了調(diào)查的價值，這些都給海事事故的分析帶來了極大的困難［2］.

海事事故分析的主要任務是證據(jù)的收集和證據(jù)的分析.隨著航海數(shù)字化和自動化水平的不斷提高，船舶航行數(shù)據(jù)（例如，船舶大小、吃水、航速、航向等）可以存貯在各種電子儀器中［3］，這類數(shù)據(jù)一經(jīng)形成便始終保持最初、最原始的狀態(tài)，能夠真實的反映事物的本來面目，滿足證據(jù)的客觀真實性要求，所以在發(fā)生海事事故后，這些數(shù)據(jù)都作為重要證據(jù)被事故調(diào)查所用.然而，目前這些數(shù)據(jù)的分析都只是宏觀層面上的定性分析，并未充分發(fā)揮到證據(jù)的作用，隨著計算機及仿真技術的發(fā)展，可對數(shù)據(jù)進一步做定量分析，采用仿真模擬和數(shù)值計算得到傳統(tǒng)手段無法獲得的信息，為事故分析提更多客觀、科學的證據(jù).

為了體現(xiàn)計算機仿真在海事事故分析中的獨特作用，本文以2009年發(fā)生在緬甸仰光河段的一個真實海事事故為例，在仿真機中通過建立仿真模型對2船碰撞進行模擬，利用仿真模型進行計算和實驗.并通過定量分析和實船對比分析，得到更詳細的碰撞信息，為還原事故真相提供有力的依據(jù).

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(diào)查委員會對當時位于出事水域附近的船舶展開調(diào)查.

海事部門調(diào)查得知漁船沉沒當時有5條船經(jīng)過附近水域.對這5條船舶進行檢查發(fā)現(xiàn)：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，船首右舷方向有一0.5 m×1 m 的凹陷，并重新上了船用漆.據(jù)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(fā)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(jīng)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(jù)，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(jù).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(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，獲知2船的參數(shù)見表1.

表1 兩船基本參數(shù)表

模型的質(zhì)量是影響仿真分析精確度的重要因素之一［4］.雖然仿真建模技術在不斷發(fā)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(jīng)驗表明，絕對精細的模型難以進行網(wǎng)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［5-6］.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（見圖1）與實船輪廓（見圖2）幾乎一致.

1.3 數(shù)值計算

船舶碰撞是短時間內(nèi)，在巨大碰撞載荷作用下的一種復雜的非線性動態(tài)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［7］.所有這些特點使船舶碰撞問題的研究變得相當復雜.

圖1 “船A”三維模型

圖2 實船輪廓

當前的研究方法主要有：經(jīng)驗公式法、實船試驗方法和有限元仿真分析法.經(jīng)驗公式法計算粗糙，多用于研究船舶在水平面內(nèi)的二維運動；實船試驗方法雖然可以得到可靠的數(shù)據(jù)，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(xiàn)碰撞過程，顧永寧、崔維成等［8-10］開始利用有限元法對船舶碰撞進行深入的研究.

運動學一般方程為

式中：Rt，M，C，K為結構載荷、質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣.ANSYS-Explict Dynamics模塊采用中心差分法代替式（1）中的速度、加速度：

計算時中心差分法對系統(tǒng)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.

1）一維單元

式中：α為時間步長因子，默認為0.9；L為一維單元的長度；c為材料聲速.

2）二維單元

式中：Lmin為二維最小單元的最短邊長.

3）三維單元

式中：C0=1.5，C1=0.06；Le為單元等效長度.

其中：Ve為單元體積；Aemax為單元最大側面積.

2 仿真實驗

2.1 實驗一

事故發(fā)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(jù)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(jù)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(jù)“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，見圖3.

圖3 2船碰撞的相對高度

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(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(xiàn)對靜止，根據(jù)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，見圖4.

圖4 碰撞局面

2.1.2 仿真結果 通過仿真碰撞的平面視圖，直觀的再現(xiàn)碰撞過程.仿真實驗得到的船舶碰撞全過程的二維顯示圖見圖5.

圖5 碰撞過程

通過劃分的6個重要階段能夠直觀再現(xiàn)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(xù)右傾.最終“船A”右舷入水，水進入船體，穩(wěn)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，見圖6，具有法律效應和可信度.

圖6 實測的“船B”損傷區(qū)域

實測結果與仿真結果進行對比分析可得：

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(qū)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(fā)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(fā)生右移和右傾，（“船B”質(zhì)量和動能比“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(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0.9 m，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0.9 m，下端距設計水線大約1.4 m，撞深為0.43 m（注意：小船已經(jīng)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，見圖7.

二者形狀不同，但是為了比較的準確性，兩者的質(zhì)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(diào)節(jié)密度使2種球鼻首的質(zhì)量都為42195t.并以85°碰撞角、14.14kn航速模擬出2 種碰撞局面.碰撞模型見圖8.

圖7 兩種球鼻首

圖8 碰撞局面

2.2.2 仿真結果 在Explict Dynamics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，見圖9.

圖9 撞擊后的損傷變形云圖

受柱型球鼻首撞擊，船體在碰撞區(qū)域有垂向的長條狀變形，有2處變形較大，位于長條上端和下端區(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 仿真結果與實測的對比 緬甸海事部門提供的“船A”實船圖片見圖10.

圖10 “船A”的實際損傷變形

從圖中可以明顯看到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(jù)緬甸海事局勘測，實船的最大撞深為0.48 m.實驗和實測值的對比見表2.

表2 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0.48 m.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1.1159 m，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(shù)撞擊“船A”，“船A”最大總變形為0.4344 m，與海事局實測數(shù)據(jù)0.48m較吻合.這為執(zhí)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(xiàn)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［11］；計算、校核碰撞后船舶的穩(wěn)性和強度［12］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(wǎng)格的剖分、邊界的約束，時間步長的設定，每個環(huán)節(jié)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(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鍵.根據(jù)事故數(shù)據(jù)運用仿真技術可以直觀的模擬事故經(jīng)過，結合有限元計算對事故做定量分析，達到許多傳統(tǒng)分析手段無法達到的研究深度.

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