船舶碰撞事故反演有限元仿真

張 磊， 趙曉博， 甘浪雄， 李 慧, 鄭元洲, 周春輝

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063; 2.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063; 3.南京海事局, 南京 210011; 4.長江航運發(fā)展研究中心,武漢 430014)

船舶碰撞事故反演有限元仿真

張 磊1,2， 趙曉博3， 甘浪雄1,2， 李 慧4, 鄭元洲1,2, 周春輝1，2

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063; 2.內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063; 3.南京海事局, 南京 210011; 4.長江航運發(fā)展研究中心,武漢 430014)

目前海事事故調查主要通過詢問事故當事船舶上的船員及搜集船舶航海圖書資料等手段進行定性分析，不僅調查難度大，而且會造成當事雙方產生糾紛。因此，客觀地還原船舶碰撞過程對海事事故調查及糾紛處理而言尤其重要。以一起船舶碰撞事故為例，采用有限元仿真方法動態(tài)還原船舶瞬時碰撞姿態(tài)，將碰撞區(qū)域結構損傷的數(shù)值仿真結果與海事實際勘驗結果相對比。結果表明：數(shù)值仿真結果與實際勘驗結果的吻合度較高，能為碰撞事故調查起到指導作用。

船舶碰撞；有限元；仿真；碰撞姿態(tài)；結構損傷；事故調查

船舶碰撞事故往往會造成船體結構破損、船員傷亡及海洋環(huán)境污染等嚴重后果，且航跡不便保存[1]，因此難以實現(xiàn)現(xiàn)場勘查。目前海事主管機關主要采用海事證據(jù)搜集及海事勘查與詢問的方式[2]對海事事故進行調查，包括詢問當事船舶船員、搜集航海圖書資料及提取船載航海儀器記錄的數(shù)據(jù)[3-6]。但是，定性的海事調查和分析存在較強的主觀性，難免會引起當事雙方的分歧和糾紛。

船舶碰撞是船體結構在巨大的沖擊載荷作用下短時間內發(fā)生的復雜的非線性動態(tài)響應過程[7]，目前對其進行的研究主要集中在船體結構損傷及船側耐撞性結構設計上。有限元仿真技術因優(yōu)點鮮明而得到廣泛應用，但很少將有限元仿真方法應用到船舶碰撞事故調查研究中。將有限元仿真方法應用到海事事故調查中，可有效還原船舶瞬時碰撞姿態(tài)，提高傳統(tǒng)事故調查分析方法的精度，進而有效解決海事糾紛。

為探究有限元仿真方法在船舶碰撞事故反演中的應用，以一起船舶碰撞事故為例，利用非線性動力分析軟件MSC.Dytran建立船舶有限元碰撞模型，對當事船舶的瞬時碰撞姿態(tài)進行還原。

1 有限元仿真方法

采用有限元仿真方法對船舶進行有限個單元網格劃分，使連續(xù)空間域離散成有限個單元，從而將連續(xù)的微分方程改寫為有限階的代數(shù)方程組；對于瞬態(tài)碰撞動力學問題，除對空間域進行離散以外，還需時間域進行離散，MSC.Dytran仿真軟件對時間域的離散采用的是顯式時間積分法。[8]采用有限元仿真法可從微觀層面對船舶瞬時碰撞過程及碰撞損傷進行定量分析，通過對碰撞模型進行相應的調整來仿真各種碰撞姿態(tài)下的結構損傷情形，具有一個模型可反復試驗的優(yōu)點。

為客觀還原船舶瞬時碰撞姿態(tài)，并精確反映接觸過程中兩船的動態(tài)響應，采用當前有限元仿真精度最高的流固耦合方法。

2 碰撞案例

2.1 事故概況

2012年1月14日17：34時，防城港籍“新海信818”輪(以下簡稱X輪)在將950 t煤從防城港運輸至洋浦港過程中，于20°59′51.10″N，108°40′58.20″E附近海域沉沒。事故發(fā)生之后，海事管理部門組織人員對X輪進行了水下勘查，確定其是受外力撞擊破損，船體進水后沉沒。

“桂北漁58013”(以下簡稱G輪)于2012年1月14日從“414海區(qū)”返回北海，于17:34時左右經過上述沉船水域。根據(jù)海事勘驗結果，G輪艏柱有破損及刮痕。同時，調閱岸臺AIS基站的記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當天無其他船舶航經事故水域。

2.2 船舶資料

X輪為單機、單槳、單舵、單殼艉機型船，鋼質船體，球鼻艏型船首。由X輪的船舶型線圖得知，其舷墻高度為1 m，船體為橫骨架式結構，全船肋骨間距為0.55 m。對比X輪的吃水及型深參數(shù)，在船舶處于滿載狀態(tài)時，舯部位置尚有0.65 m的干舷高度。X輪的基本參數(shù)見表1。

G輪為杪木質船體，杪木密度約為800 kg/m3，船體木板厚度約為35 mm，船首為前傾船首，艏柱外層包有一層厚度約為6 mm的鐵皮，因此船首剛度較大。根據(jù)G輪的吃水及型深參數(shù)，當船舶處于滿載狀態(tài)時，舯部尚有0.75 m的干舷高度，艏柱位于水線面的高度約為1.2 m。G輪的基本參數(shù)見表2。

表2 G輪基本參數(shù)

2.3 糾紛重點

根據(jù)事故發(fā)生后兩船船員的口述：G輪船員稱其“看到被撞的X輪船員求救而前往X輪沉沒水域，在駛近X輪的過程中，X輪進行左轉操縱，致X輪右舷船側撞在G輪船首”，即G輪是在救助過程中被X輪碰撞；而X輪船員則稱“碰撞前G輪位于X輪正前偏右20°，相距200 m左右處，兩船形成交叉會遇局面，X輪遂大角度向左轉向進行避讓，在避讓的過程中兩船發(fā)生碰撞”。雙方證詞相互矛盾，無法直接辨明真假，從而無法認定兩船間責任。

對于雙方的糾紛，該起事故調查的重點及難點主要表現(xiàn)在碰撞位置與撞擊速度的確定上。

3 船舶碰撞有限元仿真

3.1 有限元模型

建立X輪的整船有限元模型，并對碰撞區(qū)域結構進行網格細化，X輪整船有限元模型見圖1，X輪被撞區(qū)域結構細化圖見圖2。

圖1 X輪整船有限元模型(側視圖)

圖2 X輪被撞區(qū)舷側結構示意

X輪的船體為鋼質船體，采用線性強化彈塑性模型ElasPlas，材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，模型中船用鋼的材料失效模型為0.26。[9]碰撞船G輪的船體為杪木質船體，艏柱外層包有厚度為6 mm的鐵皮，船首結構較硬，故將G輪船首作為鋼質材料處理，艏部以外的部分因不發(fā)生形變而作為剛體處理，G輪周圍的流體影響以附加質量的形式加在G輪除艏部以外的其他部分。因此，G輪采用線性強化彈塑性模型ElasPlas，泊松比為0.3，模型中船用鋼的材料失效模型為0.26，艏部材料的密度為7 850 kg/m3，其他部分材料的密度為8 306 kg/m3。

G輪的整船有限元模型見圖3，艏部局部模型見圖4。

圖3 G輪整船有限元模型三維視圖

圖4 G輪艏部局部模型

根據(jù)事故發(fā)生時當事船舶的裝載、吃水及型深狀況，在發(fā)生碰撞事故時，X輪水線面以上干舷高度為0.65 m，G輪艏柱在水線面以上部分約為1.2 m；水線面以上的船舷高度，G輪艏柱比X輪舷側高約0.55 m。碰撞船舶流固耦合有限元模型見圖5。

圖5 船舶碰撞有限元模型示意(碰撞角θ=70°)

3.2 工況設計

圖6為海事實際勘驗圖(因整船沉沒，該圖為水下摸探繪制圖)，根據(jù)破口形狀可初步推斷碰撞角度在90°左右，因此首先設計相對撞擊速度為4 m/s，碰撞角度分別為70°，80°，90°的試驗工況，忽略被撞船的運動速度，各工況具體參數(shù)取值見表3。

圖6 整船實際勘驗圖

工況碰撞角/(°)碰撞船G輪速度/(m/s)碰撞船G輪速度/(m/s)軸軸被撞船X輪速度/(m/s)190404028040．693．94037041．373．760

利用MSC.Dytran對各工況進行仿真模擬，得到各工況下舷墻結構的破裂損傷云圖見圖7。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 實際勘驗結果

通過將各工況舷墻破損的仿真結果與實際勘驗結果相對比，推斷最貼合實際碰撞情形的碰撞角度為80°。

速度工況的設計是在碰撞角度為80°的條件下進行的，根據(jù)岸臺自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)基站記錄的數(shù)據(jù)，在碰撞前2～3 min，G輪的航速為7.97 kn，假設在會遇過程中G輪始終保向保速航行，則碰撞時刻G輪的速度為4.1 m/s，在x軸及y軸上的分速度分別為0.71 m/s和4.04 m/s。速度組合各工況具體參數(shù)設計見表4。

通過將工況4～工況6舷墻破損的仿真結果與實際勘驗結果(見圖8)相對比，推斷最貼合實際碰撞情形的相對撞擊速度為5 m/s。

表4 船舶不同碰撞速度工況設計

3.3 瞬時碰撞姿態(tài)確定

對不同工況的仿真結果(舷墻及外板破口程度、外板內卷深度及方向)進行對比分析，確定最貼合實際碰撞情形的瞬時碰撞角度θ及速度V。各工況仿真試驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。

a) 工況4

b) 工況5

c) 工況6

表5 各工況試驗結果與實際勘驗結果破口深度和寬度統(tǒng)計 m

同時考慮瞬時撞擊速度V和碰撞角度θ，通過對數(shù)值仿真試驗結果和實際勘驗結果進行對比分析可知，工況5的碰撞姿態(tài)(即G輪撞擊速度約為4.1 m/s(VGx=0.76 m/s，VGy=4.04 m/s)，X輪航行速度約為3.22 m/s(VXx=3.01 m/s，VXy=-1.14 m/s)，撞擊角度θ=80°，相對撞擊速度為5 m/s，相對撞擊動能為2 340 kJ，最為貼近實際碰撞情形。該工況下船體各構件實際勘驗結果與仿真結果對比見圖9和圖10。

圖9 工況5舷墻破壞仿真結果

通過仿真模擬，當碰撞角度θ=80°，相對撞擊速度V=5 m/s時，舷墻破口長度約為1.38 m，外板內卷深度約為1.38 m。實際勘驗結果舷墻破口長度約為1.4 m，外板內卷深度約為1.4 m，因此仿真結果與實際勘驗結果相差不大。

a)仿真結果b)實際勘驗結果

c) 外板破口內翻仿真云圖

d) 外板破口內翻仿真網格圖

根據(jù)仿真結果，舷側外板破口的寬度約為0.48 m，深度約為1.68 m，外板內卷最大深度約為0.48 m。根據(jù)現(xiàn)場勘驗結果：X輪舷側甲板邊線下沿外板破裂，破裂深度約為170 cm，寬度約為46 cm，船殼板內卷最大深度約為50 cm。仿真結果與實際勘驗結果的吻合度較好，可推斷相撞時刻2艘當事船舶的瞬時撞擊角度約為80°，相對撞擊速度約為5 m/s。

3.4 事故反演分析

相撞船舶不同時刻的位移云圖見圖11。

a)t=0sb)t=0．7s

圖11 相撞船舶不同時刻的位移云圖

1)由圖11可知，在碰撞過程中，被撞船X輪發(fā)生逆時針轉動，轉動幅度較小，而碰撞船G輪發(fā)生順時針偏轉，偏轉幅度比X輪略大。G輪的順時針偏轉使G輪艏柱外包鐵皮承受較大的摩擦而產生擦損，可參考G輪船首實際勘驗結果(見圖12)。碰撞過程中G輪的順時針偏轉可反映被撞船航行速度VX對碰撞結果的影響。

圖12 G輪艏部艏柱局部刮痕圖

2)在碰撞過程中，G輪前傾艏柱與被撞船X輪舷墻發(fā)生接觸碰撞，舷墻向內側凹陷；接著G輪艏柱與X輪舷側外板發(fā)生接觸，在接觸應力持續(xù)增大超過材料的失效應力時發(fā)生局部破裂，同時兩側外板出現(xiàn)褶皺和翻卷；在持續(xù)接觸過程中，破裂的外板造成G輪艏柱杪木材料外包鐵皮破裂(見圖13中A點)。被撞船X輪的外板破口對碰撞船G輪艏部左側外板形成刮擦，造成左側外板局部內陷破壞(見圖13中B點)。

3)分離時被撞船X輪舷墻破口的寬度約為1.38 m，舷墻板材向內翻卷深度約為1.38 m，舷側外板破口寬度約為0.48 m，破口深度約為1.68 m，外板向內翻卷最大深度約為0.48 m。X輪舷側破口處最低點在水線面以下約1 m處，因此兩船分離后被撞船X輪船體破損處開始進水，隨后沉沒。

4)根據(jù)X輪實際勘驗結果(如圖6)，X輪舷側破損位置位于右舷船中之前位置。在G輪發(fā)現(xiàn)X輪之后，根據(jù)G輪船長的筆錄(“在看到X輪船員求救后，我方遂把船停住，慢慢加車靠過去，當我船快靠近他船時他船忽然向左掉頭，與我船航向趨于一致，在轉向后他船船尾右后部碰到我船艏部左部”)，其所述碰撞位置與實際勘驗結果相矛盾(見圖14)。

a)試驗勘驗圖b)G輪變形云圖

圖13 撞擊船G輪船首碰撞后損傷勘驗圖

5)根據(jù)仿真試驗結果，實際勘驗的破損程度是在兩船相對撞擊速度V=5 m/s時的結果，在X輪向左轉向過程中，G輪要撞擊到X輪右舷船中之前的位置，則G輪船速VG只有>5 m/s才能造成X輪舷側出現(xiàn)寬0.46 m，深1.7 m的破口。反過來說，根據(jù)船長的筆錄，G輪在慢慢靠近X輪的過程中，X輪突然左轉，即使發(fā)生碰撞也不可能致使X輪舷側結構出現(xiàn)如實際勘驗般的破損。

圖14 X輪碰撞后左轉示意

綜上，由船舶碰撞位置及損傷結果均可看出，G輪船員的證詞不正確，而X輪船員的證詞可靠。

4 結束語

本文通過一起實際的碰撞案例探究有限元仿真技術在碰撞事故調查中的應用，得出以下結論：

1)對發(fā)生碰撞的兩艘船舶建立船舶碰撞有限元模型，通過組合工況設計，可得到與實際勘驗結果吻合度較高的數(shù)值仿真結果，用于指導事故調查人員求取當事船舶在碰撞時刻的瞬時碰撞角度及相對撞擊速度，從而確定船舶碰撞姿態(tài)。

2)在確定碰撞姿態(tài)的基礎上，采用有限元仿真方法能較好地反演碰撞事故過程，為船舶間的責任認定提供一定的參考。

3)受被撞船速度的影響，碰撞船在碰撞過程中往往會發(fā)生轉動，故在推算相撞船舶碰撞后船舶的運動姿態(tài)時，被撞船速度的影響不可忽略。

利用有限元仿真方法對被撞區(qū)域結構的損傷變形反推瞬時碰撞姿態(tài)，可為船舶碰撞事故調查提供一種全新、科學的方法，具有重要的實踐意義。若能在此基礎上進一步結合船用航海儀器、岸臺基站記錄存儲的相關數(shù)據(jù)和資料，則能推斷當事船舶在會遇過程中是否采取了有效的避讓措施，為海事的調查取證、證據(jù)的可靠性驗證及海事糾紛的解決提供更為科學、嚴謹?shù)募夹g手段和參考依據(jù)。

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FiniteElementSimulationforShipCollisionAccidentInvestigation

ZHANGLei1,2,ZHAOXiaobo3,GANLangxiong1,2,LIHui4，ZHENGYuanzhou1,2,ZHOUChunhui1,2

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China;3. Nanjing Maritime Safety Administration, Nanjing 210011, China;4. Changjiang River Shipping of Development and Research Center, Wuhan 430014, China)

At present, the marine accident investigation, such as interviewing ship's crewmembers and examining charts, is basically qualitative and more or less subjective in nature. Therefore, it has not been uncommon that related parties hold different points of view. In view of this issue, a finite element simulation method is proposed, which restores dynamically the process of the collision and compares the simulated structural damage with the actual damage. The results can be convincing collateral evidence.

ship collision; finite element; simulation; attitude; structural damage; accident investigation

2017-11-13

武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金項目(2015-zy-108)；湖北省自然科學基金面上項目(2014CFB856)

張 磊(1986—)，男，山東東明人，實驗師，碩士，研究方向為交通環(huán)境與安全保障。E-mail: 455457835@qq.com

甘浪雄(1969—)，男，湖北崇陽人，教授，博士，研究方向為交通環(huán)境與安全保障。E-mail: glx701227@163.com

1000-4653(2018)01-0078-06

U698.6

A