海事事故分析中的计算机仿真论文.docx

海事事故分析中的计算机仿真论文海事事故分析中的计算机仿真论文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，船首右舷方向有一０．５ｍ×１ｍ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模型的质量是影响仿真分析精确度的重要因素之一．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．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与实船轮廓=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．所有这些特点使船舶碰撞问题的研究变得相当复杂．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、崔维成等开始利用有限元法对船舶碰撞进行深入的研究．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．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。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。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。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，具有法律效应和可信度．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