海事事故分析中的計算機仿真論文

　　１計算機仿真

　�。保�１案例介紹

　�。玻埃埃鼓辏乖拢保溉胀恚玻颤c(diǎn)左右，一艘漁船（下文稱(chēng)“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查委員會(huì )對當時(shí)位于出事水域附近的船舶展開(kāi)調查．海事部門(mén)調查得知漁船沉沒(méi)當時(shí)有５條船經(jīng)過(guò)附近水域．對這５條船舶進(jìn)行檢查發(fā)現：４條船都無(wú)明顯摩擦痕跡，其余１艘韓國籍貨船（下文稱(chēng)“船Ｂ”）吃水線(xiàn)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(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(guān)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(jìn)行的仿真研究，通過(guò)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．

　�。保�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時(shí)費力的工作．而且實(shí)際經(jīng)驗表明，絕對精細的模型難以進(jìn)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．本文以實(shí)船的橫剖面型線(xiàn)進(jìn)行放樣，中縱剖面型線(xiàn)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．

　�。保�３數值計算

　　船舶碰撞是短時(shí)間內，在巨大碰撞載荷作用下的一種復雜的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)響應過(guò)程，碰撞中存在著(zhù)大量的非線(xiàn)性問(wèn)題，如幾何的非線(xiàn)性、材料的非線(xiàn)性、接觸非線(xiàn)性和運動(dòng)的非線(xiàn)性等．所有這些特點(diǎn)使船舶碰撞問(wèn)題的研究變得相當復雜．當前的研究方法主要有：經(jīng)驗公式法、實(shí)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的二維運動(dòng)；實(shí)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(jià)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(guān)的再現碰撞過(guò)程，顧永寧、崔維成等開(kāi)始利用有限元法對船舶碰撞進(jìn)行深入的研究．計算時(shí)中心差分法對系統剛度矩陣要求不高，但對時(shí)間步長(cháng)要求挺嚴格．通常，時(shí)間步長(cháng)越小，計算越準確，但可能導致運算量太大而無(wú)法計算；而較大的時(shí)間步長(cháng)容易導致計算不收斂，所以在用中心差分法計算時(shí)合理的確定時(shí)間步長(cháng)是十分重要的一步．本文中各單元的時(shí)間步長(cháng)Δｔ按如下計算方法確定．

　　２仿真實(shí)驗

　�。玻�１實(shí)驗一

　　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？據海事部門(mén)對２船的檢查：“船Ａ”有２處凹陷，一處位于水線(xiàn)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(xiàn)附近，一處位于船首外板的右側．但并不能據此來(lái)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(lái)．

　�。玻�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(shí)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(shí)海面風(fēng)平浪靜，故無(wú)需考慮風(fēng)浪對船舶碰撞的影響．計算時(shí)“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。

　�。玻�１．２仿真結果

　　通過(guò)仿真碰撞的平面視圖，直觀(guān)的再現碰撞過(guò)程．仿真實(shí)驗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(guān)再現碰撞過(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”繼續右傾．最終“船Ａ”右舷入水，水進(jìn)入船體，穩性降低，加速傾覆．

　�。玻�１．３仿真結果與實(shí)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．

　�。保┯蓤D５ａ），ｂ）可知，“船Ｂ”的船首外板從吃水線(xiàn)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”尾部左舷區時(shí)，“船Ｂ”上方的船首右側外板要先于水線(xiàn)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”．

　�。玻┯蓤D５ｃ），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”上方的船首右側外板不再與“船Ａ”發(fā)生接觸，水線(xiàn)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(xiàn)附近的上端碰撞點(diǎn)距吃水線(xiàn)大約０．９ｍ，下端碰撞點(diǎn)距吃水線(xiàn)大約１．７ｍ；小船吃水線(xiàn)附近的上端碰撞點(diǎn)距設計水線(xiàn)大約０．９ｍ，下端距設計水線(xiàn)大約１．４ｍ，撞深為０．４３ｍ（注意：小船已經(jīng)右傾，在測量小船時(shí)不能再以水線(xiàn)（ＷＬ）來(lái)算距離，而應以設計水線(xiàn)（ＤＷＬ）來(lái)算距離）．仿真結果中２船碰撞點(diǎn)位置和圖６中所標的２船損傷部位基本吻合．

　�。玻�２實(shí)驗二

　　事故當時(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？

　�。玻�２．１實(shí)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(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(guò)調節密度使２種球鼻首的質(zhì)量都為４２１９５ｔ．并以８５°碰撞

　�。玻�２．２仿真結果

　　在ＥｘｐｌｉｃｔＤｙｎａｍｉｃｓ中進(jìn)行求解，碰撞時(shí)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(cháng)條狀變形，有２處變形較大，位于長(cháng)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．

　�。玻�２．３仿真結果與實(shí)測的對比

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

　�。保�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)驗結果和真實(shí)結果最為吻合，均為垂向狹長(cháng)狀變形．

　�。玻�實(shí)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(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(shí)驗結果和真實(shí)結果最為吻合．

　�。玻�３結論

　　通過(guò)仿真實(shí)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(xiàn)附件的狹長(cháng)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(shí)測數據０．４８ｍ較吻合．這為執法部門(mén)對碰撞事故的責任認定提供了一份客觀(guān)、科學(xué)的材料．

　　３結束語(yǔ)

　　本文將計算機仿真技術(shù)用在船舶碰撞中，再現了碰撞過(guò)程，計算了碰撞后船舶的變形．實(shí)際上運用計算機仿真技術(shù)還能解決很多海事問(wèn)題：反推碰撞角度和碰撞速度；計算、校核碰撞后船舶的穩性和強度等．目前計算機仿真技術(shù)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(shí)間步長(cháng)的設定，每個(gè)環(huán)節都會(huì )對結果的精度有較大影響；耗時(shí)較長(cháng)的計算也讓很多人對計算機仿真望而止步．但隨著(zhù)海事現代化、數字化的發(fā)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(guān)鍵．根據事故數據運用仿真技術(shù)可以直觀(guān)的模擬事故經(jīng)過(guò)，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(wú)法達到的研究深度．

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