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)查委員會對當(dāng)時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)時有５條船經(jīng)過附近水域．對這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，船首右舷方向有一０．５ｍ×１ｍ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”的船東對判決不服，委托保險公司找研究人員，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，通過計算機仿真駁斥和補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．

　�。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費力的工作．而且實際經(jīng)驗表明，絕對精細(xì)的模型難以進(jìn)行網(wǎng)格剖分和有限元計算．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)對仿真精度和精細(xì)模型相差不大．本文以實船的橫剖面型線進(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與實船輪廓=幾乎一致．

　　１．３數(shù)值計算

　　船舶碰撞是短時間內(nèi)，在巨大碰撞載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(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、接觸非線性和運動的非線性等．所有這些特點使船舶碰撞問題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜．當(dāng)前的研究方法主要有：經(jīng)驗公式法、實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(nèi)的二維運動；實船試驗方法雖然可以得到可靠的數(shù)據(jù)，但“破壞性”試驗的代價極其極昂貴．相比之下，有限元仿真分析法運算能力強，成本低廉，結(jié)合計算機對圖像的后處理功能，可直觀的再現(xiàn)碰撞過程，顧永寧、崔維成等開始利用有限元法對船舶碰撞進(jìn)行深入的研究．計算時中心差分法對系統(tǒng)剛度矩陣要求不高，但對時間步長要求挺嚴(yán)格．通常，時間步長越小，計算越準(zhǔn)確，但可能導(dǎo)致運算量太大而無法計算；而較大的時間步長容易導(dǎo)致計算不收斂，所以在用中心差分法計算時合理的確定時間步長是十分重要的一步．本文中各單元的時間步長Δｔ按如下計算方法確定．

　　２仿真實驗

　�。玻�１實驗一

　　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(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)時海面風(fēng)平浪靜，故無需考慮風(fēng)浪對船舶碰撞的影響．計算時“船Ａ”現(xiàn)對靜止，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。

　�。玻�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．仿真實驗得到的船舶碰撞全過程的二維。通過劃分的６個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”會被推向Ｘ軸一段距離，即橫移．同時，在撞擊力與水阻力的共同作用下，“船Ａ”還會向右側(cè)傾斜．“船Ｂ”橫向速度較大，向右航行會再次撞上“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．

　�。玻�１．３仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

　　緬甸海事局公布的“船Ｂ”損傷資料，具有法律效應(yīng)和可信度．

　　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，“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．這正對應(yīng)的是圖６標(biāo)示的“１號損傷”．

　�。玻┯蓤D５ｃ），ｄ）可知，第一次碰撞后，“船Ａ”會發(fā)生右移和右傾，（“船Ｂ”質(zhì)量和動能比“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．這對應(yīng)的正是圖６所標(biāo)示的“２號損傷”和“３號損傷”處．３）圖５ｅ），ｆ）顯示球鼻首吃水線附近的上端碰撞點距吃水線大約０．９ｍ，下端碰撞點距吃水線大約１．７ｍ；小船吃水線附近的上端碰撞點距設(shè)計水線大約０．９ｍ，下端距設(shè)計水線大約１．４ｍ，撞深為０．４３ｍ（注意：小船已經(jīng)右傾，在測量小船時不能再以水線（ＷＬ）來算距離，而應(yīng)以設(shè)計水線（ＤＷＬ）來算距離）．仿真結(jié)果中２船碰撞點位置和圖６中所標(biāo)的２船損傷部位基本吻合．

　�。玻�２實驗二

　　事故當(dāng)時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實驗設(shè)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(zhǔn)確性，兩者的質(zhì)量、速度、角度都須設(shè)置相同．因為懷疑“船Ｂ”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

　�。玻�２．２仿真結(jié)果

　　在ＥｘｐｌｉｃｔＤｙｎａｍｉｃｓ中進(jìn)行求解，碰撞時間設(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，受柱型球鼻首撞擊，船體在碰撞區(qū)域有垂向的長條狀變形，有２處變形較大，位于長條上端和下端區(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．

　�。玻�２．３仿真結(jié)果與實測的對比

　　緬甸海事部門提供的“船Ａ”實船。真實變形為從甲板邊線到舭龍骨間的垂向的狹長狀變形，而且據(jù)緬甸海事局勘測，實船的最大撞深為０．４８ｍ．實驗和實測值的對比。將仿真實驗得到的變形形狀、最大變形與實船測量結(jié)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驗結(jié)果和真實結(jié)果最為吻合，均為垂向狹長狀變形．

　�。玻�實測“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(jié)果為０．４３４４ｍ，與實際損傷變形誤差為９．５％；受圓形球鼻首撞擊，“船Ａ”最大總變形的仿真結(jié)果為１．１１５９ｍ，相對誤差達(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驗結(jié)果和真實結(jié)果最為吻合．

　�。玻�３結(jié)論

　　通過仿真實驗，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(yīng)；“船Ａ”吃水線附件的狹長狀凹陷，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０．４３４４ｍ，與海事局實測數(shù)據(jù)０．４８ｍ較吻合．這為執(zhí)法部門對碰撞事故的責(zé)任認(rèn)定提供了一份客觀、科學(xué)的材料．

　　３結(jié)束語

　　本文將計算機仿真技術(shù)用在船舶碰撞中，再現(xiàn)了碰撞過程，計算了碰撞后船舶的變形．實際上運用計算機仿真技術(shù)還能解決很多海事問題：反推碰撞角度和碰撞速度；計算、校核碰撞后船舶的穩(wěn)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，時間步長的設(shè)定，每個環(huán)節(jié)都會對結(jié)果的精度有較大影響；耗時較長的計算也讓很多人對計算機仿真望而止步．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)合有限元計算對事故做定量分析，達(dá)到許多傳統(tǒng)分析手段無法達(dá)到的研究深度．

【海事事故分析中的計算機仿真論文】相關(guān)文章：

計算機仿真模擬物流研究論文11-13

PLC測控系統(tǒng)下計算機仿真論文02-27

汽車電子懸掛系統(tǒng)計算機仿真論文02-25

計算機分層技術(shù)分析論文02-22

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算機仿真論文02-25

計算機仿真技術(shù)發(fā)展趨勢論文02-16

計算機的維護(hù)要求與要點分析論文02-23

計算機英語雙語應(yīng)用分析論文11-13

分析數(shù)控仿真在數(shù)控技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用12-05