北极地区含有丰富的油气、煤炭、矿产、水电等资源,同时北极航道是连接太平洋和大西洋最短的航道,随着陆地资源的逐渐消耗以及全球气候日益变暖,北极地区的资源也逐渐成为各国开采的目标,北极航道也将在不久的将来实现全面开通。我国作为近北极国家,不管是从能源储备还是从海上运输和国际贸易来看,都具有重要意义。然而,北极航道的船舶通航直接受到气候影响,对各国都是一个新的挑战。由统计的通航时间可知,气候变化决定了航道开通时间的变化。由于冬季温度较低,海冰互相冻结、延伸,使得极地航行船舶很难在此季节航行。随着夏季温度的升高,海冰不断融化缩小,浮冰数量明显增多,船舶可通航性也大大提升,开通时间主要集中在夏季7-9月之间。当极地航行船舶在开通时间航行在北极航道开阔水域时,极地航行船舶与浮冰的碰撞将不可避免。然而,由于区域及波浪环境的等影响,浮冰自身尺寸和分布也各尽相同且一直在发生变化,给开展船舶与浮冰碰撞分析带来了一定的挑战。因此,科学合理的模拟浮冰分布情况是开展极地航行船舶与浮冰碰撞分析的前提。船舶与浮冰碰撞虽然不会直接造成船体结构的损伤,但其小能级的多次撞击也会对船体结构造成一定的累计损伤,需要在设计阶段予以关注,对冰区船舶结构进行加强。然而,浮冰多次碰撞下船体结构损伤机理还尚不明确,这给船体结构加强设计带来了一定的挑战。因此,开展极地航行船舶与浮冰的多次碰撞性能研究,明确浮冰多次撞击载荷特点以及相关结构损伤变形机理,对开展极地航行船体结构加强设计,保证船舶安全性具有重要的意义。本文主要针对极地航行船舶与浮冰多次碰撞问题,开展了浮冰概率分布研究,形成了不同参数下浮冰概率分布生成方法,分析了船舶与浮冰在船-冰-水耦合作用下船体结构的损伤变形特点,并讨论了冰场及航行参数对船体结构响应的影响,在此基础上,提出了浮冰连续撞击载荷确定及结构响应分析方法,可为冰区航行船舶结构设计提供参考。主要研究内容如下:(1)介绍了船舶碰撞的基本原理,讨论了冰材料本构模型并验证了该本构模型在有限元软件LS-Dyna应用的合理性,在此基础上,建立了船-冰-水耦合分析技术,解决了冰材料和低温钢材料本构模型问题,为后续船舶与浮冰多次碰撞分析奠定了基础。(2)分析了北极浮冰的数量、尺寸及区域分布特点,确定了浮冰分布概率函数,对不同观测方式下浮冰分布数据进行了归纳整理,在此基础上,确定了浮冰形状、尺寸、分布的参数化生成方法,通过APDL语言编写相应的子程序,在ANSYS软件中实现了浮冰的自动生成。(3)以极地航行船舶为研究对象,基于研究形成的浮冰概率模型生成方法和船-冰-水耦合碰撞仿真分析技术,开展了浮冰多次撞击下船体结构损伤机理研究,得到了船体结构损伤变形机理、能量吸收机制、撞击载荷以及浮冰运动响应,在此基础上讨论了不同浮冰参数及航行参数(浮冰密集度、浮冰厚度以及船舶航速)对船体结构损伤变形、能量吸收、撞击载荷以及浮冰典型运动情况的影响规律。(4)基于IACS规范并结合上述仿真计算结果,给出了极限冰载荷大小和冰载荷作用区域计算方法,形成了长航线浮冰连续撞击载荷作用下船体结构响应直接计算方法,在此基础上,以极地航行船舶船艏结构为研究对象,分析了其在连续撞击载荷作用下结构的损伤变形情况,并与船-冰-水耦合分析方法结果进行了比较,讨论了该方法的合理性。