張 磊， 趙曉博， 甘浪雄， 李 慧, 鄭元洲, 周春輝

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063; 2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3.南京海事局, 南京 210011; 4.長(zhǎng)江航運(yùn)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(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063; 2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063; 3.南京海事局, 南京 210011; 4.長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展研究中心,武漢 430014)

目前海事事故調(diào)查主要通過(guò)詢(xún)問(wèn)事故當(dāng)事船舶上的船員及搜集船舶航海圖書(shū)資料等手段進(jìn)行定性分析，不僅調(diào)查難度大，而且會(huì)造成當(dāng)事雙方產(chǎn)生糾紛。因此，客觀地還原船舶碰撞過(guò)程對(duì)海事事故調(diào)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(dòng)態(tài)還原船舶瞬時(shí)碰撞姿態(tài)，將碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)值仿真結(jié)果與海事實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。結(jié)果表明：數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高，能為碰撞事故調(diào)查起到指導(dǎo)作用。

船舶碰撞；有限元；仿真；碰撞姿態(tài)；結(jié)構(gòu)損傷；事故調(diào)查

船舶碰撞事故往往會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)破損、船員傷亡及海洋環(huán)境污染等嚴(yán)重后果，且航跡不便保存[1]，因此難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)勘查。目前海事主管機(jī)關(guān)主要采用海事證據(jù)搜集及海事勘查與詢(xún)問(wèn)的方式[2]對(duì)海事事故進(jìn)行調(diào)查，包括詢(xún)問(wèn)當(dāng)事船舶船員、搜集航海圖書(shū)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(diào)查和分析存在較強(qiáng)的主觀性，難免會(huì)引起當(dāng)事雙方的分歧和糾紛。

船舶碰撞是船體結(jié)構(gòu)在巨大的沖擊載荷作用下短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[7]，目前對(duì)其進(jìn)行的研究主要集中在船體結(jié)構(gòu)損傷及船側(cè)耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。有限元仿真技術(shù)因優(yōu)點(diǎn)鮮明而得到廣泛應(yīng)用，但很少將有限元仿真方法應(yīng)用到船舶碰撞事故調(diào)查研究中。將有限元仿真方法應(yīng)用到海事事故調(diào)查中，可有效還原船舶瞬時(shí)碰撞姿態(tài)，提高傳統(tǒng)事故調(diào)查分析方法的精度，進(jìn)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(yīng)用，以一起船舶碰撞事故為例，利用非線性動(dòng)力分析軟件MSC.Dytran建立船舶有限元碰撞模型，對(duì)當(dāng)事船舶的瞬時(shí)碰撞姿態(tài)進(jìn)行還原。

1 有限元仿真方法

采用有限元仿真方法對(duì)船舶進(jìn)行有限個(gè)單元網(wǎng)格劃分，使連續(xù)空間域離散成有限個(gè)單元，從而將連續(xù)的微分方程改寫(xiě)為有限階的代數(shù)方程組；對(duì)于瞬態(tài)碰撞動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，除對(duì)空間域進(jìn)行離散以外，還需時(shí)間域進(jìn)行離散，MSC.Dytran仿真軟件對(duì)時(shí)間域的離散采用的是顯式時(shí)間積分法。[8]采用有限元仿真法可從微觀層面對(duì)船舶瞬時(shí)碰撞過(guò)程及碰撞損傷進(jìn)行定量分析，通過(guò)對(duì)碰撞模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整來(lái)仿真各種碰撞姿態(tài)下的結(jié)構(gòu)損傷情形，具有一個(gè)模型可反復(fù)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

為客觀還原船舶瞬時(shí)碰撞姿態(tài)，并精確反映接觸過(guò)程中兩船的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用當(dāng)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(shí)，防城港籍“新海信818”輪(以下簡(jiǎn)稱(chēng)X輪)在將950 t煤從防城港運(yùn)輸至洋浦港過(guò)程中，于20°59′51.10″N，108°40′58.20″E附近海域沉沒(méi)。事故發(fā)生之后，海事管理部門(mén)組織人員對(duì)X輪進(jìn)行了水下勘查，確定其是受外力撞擊破損，船體進(jìn)水后沉沒(méi)。

“桂北漁58013”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)G輪)于2012年1月14日從“414海區(qū)”返回北海，于17:34時(shí)左右經(jīng)過(guò)上述沉船水域。根據(jù)海事勘驗(yàn)結(jié)果，G輪艏柱有破損及刮痕。同時(shí)，調(diào)閱岸臺(tái)AIS基站的記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天無(wú)其他船舶航經(jīng)事故水域。

2.2 船舶資料

X輪為單機(jī)、單槳、單舵、單殼艉機(jī)型船，鋼質(zhì)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(jié)構(gòu)，全船肋骨間距為0.55 m。對(duì)比X輪的吃水及型深參數(shù)，在船舶處于滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，舯部位置尚有0.65 m的干舷高度。X輪的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

G輪為杪木質(zhì)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(dāng)船舶處于滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，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(jiàn)表2。

表2 G輪基本參數(shù)

2.3 糾紛重點(diǎn)

根據(jù)事故發(fā)生后兩船船員的口述：G輪船員稱(chēng)其“看到被撞的X輪船員求救而前往X輪沉沒(méi)水域，在駛近X輪的過(guò)程中，X輪進(jìn)行左轉(zhuǎn)操縱，致X輪右舷船側(cè)撞在G輪船首”，即G輪是在救助過(guò)程中被X輪碰撞；而X輪船員則稱(chēng)“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(huì)遇局面，X輪遂大角度向左轉(zhuǎn)向進(jìn)行避讓?zhuān)诒茏尩倪^(guò)程中兩船發(fā)生碰撞”。雙方證詞相互矛盾，無(wú)法直接辨明真假，從而無(wú)法認(rèn)定兩船間責(zé)任。

對(duì)于雙方的糾紛，該起事故調(diào)查的重點(diǎn)及難點(diǎn)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(duì)碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，X輪整船有限元模型見(jiàn)圖1，X輪被撞區(qū)域結(jié)構(gòu)細(xì)化圖見(jiàn)圖2。

圖1 X輪整船有限元模型(側(cè)視圖)

圖2 X輪被撞區(qū)舷側(cè)結(jié)構(gòu)示意

X輪的船體為鋼質(zhì)船體，采用線性強(qiáng)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(zhì)船體，艏柱外層包有厚度為6 mm的鐵皮，船首結(jié)構(gòu)較硬，故將G輪船首作為鋼質(zhì)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?chē)牧黧w影響以附加質(zhì)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(qiáng)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(jiàn)圖3，艏部局部模型見(jiàn)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(shí)當(dāng)事船舶的裝載、吃水及型深狀況，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，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(cè)高約0.55 m。碰撞船舶流固耦合有限元模型見(jiàn)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(shè)計(jì)

圖6為海事實(shí)際勘驗(yàn)圖(因整船沉沒(méi)，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(shè)計(jì)相對(duì)撞擊速度為4 m/s，碰撞角度分別為70°，80°，90°的試驗(yàn)工況，忽略被撞船的運(yùn)動(dòng)速度，各工況具體參數(shù)取值見(jiàn)表3。

圖6 整船實(shí)際勘驗(yàn)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(duì)各工況進(jìn)行仿真模擬，得到各工況下舷墻結(jié)構(gòu)的破裂損傷云圖見(jiàn)圖7。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)將各工況舷墻破損的仿真結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，推斷最貼合實(shí)際碰撞情形的碰撞角度為80°。

速度工況的設(shè)計(jì)是在碰撞角度為80°的條件下進(jìn)行的，根據(jù)岸臺(tái)自動(dòng)識(shí)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(shè)在會(huì)遇過(guò)程中G輪始終保向保速航行，則碰撞時(shí)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(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

通過(guò)將工況4～工況6舷墻破損的仿真結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖8)相對(duì)比，推斷最貼合實(shí)際碰撞情形的相對(duì)撞擊速度為5 m/s。

表4 船舶不同碰撞速度工況設(shè)計(jì)

3.3 瞬時(shí)碰撞姿態(tài)確定

對(duì)不同工況的仿真結(jié)果(舷墻及外板破口程度、外板內(nèi)卷深度及方向)進(jìn)行對(duì)比分析，確定最貼合實(shí)際碰撞情形的瞬時(shí)碰撞角度θ及速度V。各工況仿真試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

a) 工況4

b) 工況5

c) 工況6

表5 各工況試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果破口深度和寬度統(tǒng)計(jì) m

同時(shí)考慮瞬時(shí)撞擊速度V和碰撞角度θ，通過(guò)對(duì)數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)撞擊速度為5 m/s，相對(duì)撞擊動(dòng)能為2 340 kJ，最為貼近實(shí)際碰撞情形。該工況下船體各構(gòu)件實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 工況5舷墻破壞仿真結(jié)果

通過(guò)仿真模擬，當(dāng)碰撞角度θ=80°，相對(duì)撞擊速度V=5 m/s時(shí)，舷墻破口長(zhǎng)度約為1.38 m，外板內(nèi)卷深度約為1.38 m。實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果舷墻破口長(zhǎng)度約為1.4 m，外板內(nèi)卷深度約為1.4 m，因此仿真結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果相差不大。

a)仿真結(jié)果b)實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果

c) 外板破口內(nèi)翻仿真云圖

d) 外板破口內(nèi)翻仿真網(wǎng)格圖

根據(jù)仿真結(jié)果，舷側(cè)外板破口的寬度約為0.48 m，深度約為1.68 m，外板內(nèi)卷最大深度約為0.48 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果：X輪舷側(cè)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(nèi)卷最大深度約為50 cm。仿真結(jié)果與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好，可推斷相撞時(shí)刻2艘當(dāng)事船舶的瞬時(shí)撞擊角度約為80°，相對(duì)撞擊速度約為5 m/s。

3.4 事故反演分析

相撞船舶不同時(shí)刻的位移云圖見(jiàn)圖11。

a)t=0sb)t=0．7s

圖11 相撞船舶不同時(shí)刻的位移云圖

1)由圖11可知，在碰撞過(guò)程中，被撞船X輪發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較小，而碰撞船G輪發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)幅度比X輪略大。G輪的順時(shí)針偏轉(zhuǎn)使G輪艏柱外包鐵皮承受較大的摩擦而產(chǎn)生擦損，可參考G輪船首實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖12)。碰撞過(guò)程中G輪的順時(shí)針偏轉(zhuǎn)可反映被撞船航行速度VX對(duì)碰撞結(jié)果的影響。

圖12 G輪艏部艏柱局部刮痕圖

2)在碰撞過(guò)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(nèi)側(cè)凹陷；接著G輪艏柱與X輪舷側(cè)外板發(fā)生接觸，在接觸應(yīng)力持續(xù)增大超過(guò)材料的失效應(yīng)力時(shí)發(fā)生局部破裂，同時(shí)兩側(cè)外板出現(xiàn)褶皺和翻卷；在持續(xù)接觸過(guò)程中，破裂的外板造成G輪艏柱杪木材料外包鐵皮破裂(見(jiàn)圖13中A點(diǎn))。被撞船X輪的外板破口對(duì)碰撞船G輪艏部左側(cè)外板形成刮擦，造成左側(cè)外板局部?jī)?nèi)陷破壞(見(jiàn)圖13中B點(diǎn))。

3)分離時(shí)被撞船X輪舷墻破口的寬度約為1.38 m，舷墻板材向內(nèi)翻卷深度約為1.38 m，舷側(cè)外板破口寬度約為0.48 m，破口深度約為1.68 m，外板向內(nèi)翻卷最大深度約為0.48 m。X輪舷側(cè)破口處最低點(diǎn)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(kāi)始進(jìn)水，隨后沉沒(méi)。

4)根據(jù)X輪實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果(如圖6)，X輪舷側(cè)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(zhǎng)的筆錄(“在看到X輪船員求救后，我方遂把船停住，慢慢加車(chē)靠過(guò)去，當(dāng)我船快靠近他船時(shí)他船忽然向左掉頭，與我船航向趨于一致，在轉(zhuǎn)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(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果相矛盾(見(jiàn)圖14)。

a)試驗(yàn)勘驗(yàn)圖b)G輪變形云圖

圖13 撞擊船G輪船首碰撞后損傷勘驗(yàn)圖

5)根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際勘驗(yàn)的破損程度是在兩船相對(duì)撞擊速度V=5 m/s時(shí)的結(jié)果，在X輪向左轉(zhuǎn)向過(guò)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(cè)出現(xiàn)寬0.46 m，深1.7 m的破口。反過(guò)來(lái)說(shuō)，根據(jù)船長(zhǎng)的筆錄，G輪在慢慢靠近X輪的過(guò)程中，X輪突然左轉(zhuǎn)，即使發(fā)生碰撞也不可能致使X輪舷側(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)如實(shí)際勘驗(yàn)般的破損。

圖14 X輪碰撞后左轉(zhuǎn)示意

綜上，由船舶碰撞位置及損傷結(jié)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(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)一起實(shí)際的碰撞案例探究有限元仿真技術(shù)在碰撞事故調(diào)查中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)發(fā)生碰撞的兩艘船舶建立船舶碰撞有限元模型，通過(guò)組合工況設(shè)計(jì)，可得到與實(shí)際勘驗(yàn)結(jié)果吻合度較高的數(shù)值仿真結(jié)果，用于指導(dǎo)事故調(diào)查人員求取當(dāng)事船舶在碰撞時(shí)刻的瞬時(shí)碰撞角度及相對(duì)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(chǔ)上，采用有限元仿真方法能較好地反演碰撞事故過(guò)程，為船舶間的責(zé)任認(rèn)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(guò)程中往往會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故在推算相撞船舶碰撞后船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)，被撞船速度的影響不可忽略。

利用有限元仿真方法對(duì)被撞區(qū)域結(jié)構(gòu)的損傷變形反推瞬時(shí)碰撞姿態(tài)，可為船舶碰撞事故調(diào)查提供一種全新、科學(xué)的方法，具有重要的實(shí)踐意義。若能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合船用航海儀器、岸臺(tái)基站記錄存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，則能推斷當(dāng)事船舶在會(huì)遇過(guò)程中是否采取了有效的避讓措施，為海事的調(diào)查取證、證據(jù)的可靠性驗(yàn)證及海事糾紛的解決提供更為科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)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(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2015-zy-108)；湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB856)

張 磊(1986—)，男，山東東明人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)榻煌ōh(huán)境與安全保障。E-mail: 455457835@qq.com

甘浪雄(1969—)，男，湖北崇陽(yáng)人，教授，博士，研究方向?yàn)榻煌ōh(huán)境與安全保障。E-mail: glx701227@163.com

1000-4653(2018)01-0078-06

U698.6

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