劉 超 李范春 李 翔

（大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院1） 大連 116026）（大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備和海洋工程學(xué)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(shí)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(fēng)、浪、流等因素的作用下消失，事故現(xiàn)場(chǎng)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(huì)有一種自我保護(hù)意識(shí)，事故經(jīng)過常被有意或無意地夸大或掩飾，這時(shí)的人證有相當(dāng)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(qū)使下人為地在事后進(jìn)行修改，這樣的物證就失去了調(diào)查的價(jià)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(wù)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(dòng)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(shí)的反映事物的本來面目，滿足證據(jù)的客觀真實(shí)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(jì)算機(jī)及仿真技術(shù)的發(fā)展，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步做定量分析，采用仿真模擬和數(shù)值計(jì)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(xué)的證據(jù).

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

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，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(huì)對(duì)當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)有5條船經(jīng)過附近水域.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，船首右舷方向有一0.5 m×1 m 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(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，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(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［5-6］.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（見圖1）與實(shí)船輪廓（見圖2）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(yùn)動(dòng)的非線性等［7］.所有這些特點(diǎn)使船舶碰撞問題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜.

圖1 “船A”三維模型

圖2 實(shí)船輪廓

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)碰撞過程，顧永寧、崔維成等［8-10］開始利用有限元法對(duì)船舶碰撞進(jìn)行深入的研究.

運(yùn)動(dòng)學(xué)一般方程為

式中：Rt，M，C，K為結(jié)構(gòu)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(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.

1）一維單元

式中：α為時(shí)間步長(zhǎng)因子，默認(rèn)為0.9；L為一維單元的長(zhǎng)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(zhǎng).

3）三維單元

式中：C0=1.5，C1=0.06；Le為單元等效長(zhǎng)度.

其中：Ve為單元體積；Aemax為單元最大側(cè)面積.

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)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(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.

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，見圖3.

圖3 2船碰撞的相對(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，見圖4.

圖4 碰撞局面

2.1.2 仿真結(jié)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(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，見圖6，具有法律效應(yīng)和可信度.

圖6 實(shí)測(cè)的“船B”損傷區(qū)域

實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(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0.9 m，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0.9 m，下端距設(shè)計(jì)水線大約1.4 m，撞深為0.43 m（注意：小船已經(jīng)右傾，在測(cè)量小船時(shí)不能再以水線（WL）來算距離，而應(yīng)以設(shè)計(jì)水線（DWL）來算距離）.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，見圖7.

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(jié)果 在Explict Dynamics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，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(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)船圖片見圖10.

圖10 “船A”的實(shí)際損傷變形

從圖中可以明顯看到真實(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0.48 m.實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)值的對(duì)比見表2.

表2 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0.48 m.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1.1159 m，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0.4344 m，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

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題：反推碰撞角度和碰撞速度［11］；計(jì)算、校核碰撞后船舶的穩(wěn)性和強(qiáng)度［12］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，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)分析手段無法達(dá)到的研究深度.

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