计算机仿真在海事事故分析中的应用＊

刘 超 李范春 李 翔

（大连海事大学轮机学院1） 大连 116026）（大连海事大学交通运输装备和海洋工程学院2） 大连 116026）

（钦州海事局通航管理处3） 钦州 535000）

0 引 言

海事事故分析是通过收集、判断、研究证据来还原事故真实情况的过程［1］.然而海事事故不同于陆地交通事故，事故证据很可能在风、浪、流等因素的作用下消失，事故现场也难以维持；而且在事故的调查取证过程中被调查一方通常会有一种自我保护意识，事故经过常被有意或无意地夸大或掩饰，这时的人证有相当大的主观性；另外，诸如海图、航海日志等资料也有可能在利益的驱使下人为地在事后进行修改，这样的物证就失去了调查的价值，这些都给海事事故的分析带来了极大的困难［2］.

海事事故分析的主要任务是证据的收集和证据的分析.随着航海数字化和自动化水平的不断提高，船舶航行数据（例如，船舶大小、吃水、航速、航向等）可以存贮在各种电子仪器中［3］，这类数据一经形成便始终保持最初、最原始的状态，能够真实的反映事物的本来面目，满足证据的客观真实性要求，所以在发生海事事故后，这些数据都作为重要证据被事故调查所用.然而，目前这些数据的分析都只是宏观层面上的定性分析，并未充分发挥到证据的作用，随着计算机及仿真技术的发展，可对数据进一步做定量分析，采用仿真模拟和数值计算得到传统手段无法获得的信息，为事故分析提更多客观、科学的证据.

为了体现计算机仿真在海事事故分析中的独特作用，本文以2009年发生在缅甸仰光河段的一个真实海事事故为例，在仿真机中通过建立仿真模型对2船碰撞进行模拟，利用仿真模型进行计算和实验.并通过定量分析和实船对比分析，得到更详细的碰撞信息，为还原事故真相提供有力的依据.

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，船首右舷方向有一0.5 m×1 m 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，获知2船的参数见表1.

表1 两船基本参数表

模型的质量是影响仿真分析精确度的重要因素之一［4］.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［5-6］.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（见图1）与实船轮廓（见图2）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［7］.所有这些特点使船舶碰撞问题的研究变得相当复杂.

图1 “船A”三维模型

图2 实船轮廓

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［8-10］开始利用有限元法对船舶碰撞进行深入的研究.

运动学一般方程为

式中：Rt，M，C，K为结构载荷、质量、阻尼及刚度矩阵.ANSYS-Explict Dynamics模块采用中心差分法代替式（1）中的速度、加速度：

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.

1）一维单元

式中：α为时间步长因子，默认为0.9；L为一维单元的长度；c为材料声速.

2）二维单元

式中：Lmin为二维最小单元的最短边长.

3）三维单元

式中：C0=1.5，C1=0.06；Le为单元等效长度.

其中：Ve为单元体积；Aemax为单元最大侧面积.

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，见图3.

图3 2船碰撞的相对高度

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，见图4.

图4 碰撞局面

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显示图见图5.

图5 碰撞过程

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，见图6，具有法律效应和可信度.

图6 实测的“船B”损伤区域

实测结果与仿真结果进行对比分析可得：

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0.9 m，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0.9 m，下端距设计水线大约1.4 m，撞深为0.43 m（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，见图7.

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°碰撞角、14.14kn航速模拟出2 种碰撞局面.碰撞模型见图8.

图7 两种球鼻首

图8 碰撞局面

2.2.2 仿真结果 在Explict Dynamics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，见图9.

图9 撞击后的损伤变形云图

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”实船图片见图10.

图10 “船A”的实际损伤变形

从图中可以明显看到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0.48 m.实验和实测值的对比见表2.

表2 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0.48 m.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1.1159 m，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0.4344 m，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［11］；计算、校核碰撞后船舶的稳性和强度［12］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.

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