全球气候变化导致北极地区冰盖面积变小,这促使北极航线日益繁忙,同时北极油气开发活动日益活跃,越来越多的海洋平台在极地运行。北极地区运行的船舶、海洋结构物面临着小冰山、冰排等海冰撞击威胁。本文应用有限元方法对海冰-海洋结构物碰撞机理进行研究,以期能为极地海洋结构物设计提供支持。为准确模拟冰载荷、海冰破坏过程及海洋结构物响应,本文建立三种体现海冰不同特性的冰力学模型,以研究小冰山、冰排与结构物/船舶碰撞过程:(1)建立一种体现温度梯度影响的理想弹塑性海冰模型。模型中温度对海冰强度影响通过一系列大小不同的同心椭圆’Tsai-Wu’型屈服面体现,根据实测数据,提出三种温度梯度曲线,并据此将不同温度赋予到不同深度处冰山单元。通过半隐式图形返回算法和LS-DYNA主程序中节点位置函数将模型数值实现,并嵌入到LS-DYNA用户自定义材料中。模拟了小冰山-刚性板碰撞,通过与规范中压力-面积曲线进行对比和碰撞场景分析,验证了模型的准确性。利用海冰模型,研究了温度梯度、温度范围和小冰山几何形状在小冰山与刚性板、小冰山与舷侧结构碰撞中的影响。模型很好的体现了温度对碰撞过程的影响,有力证明了模型的工程可应用性。冰山形状和温度是决定小冰山能否穿透舷侧外板的重要因素,对极地船舶航行中预估碰撞损失有指导意义;(2)应用Burgers’模型,建立一种能体现应变率影响的非线性粘弹性海冰模型。Burgers’模型中Maxwell单元和Kelvin单元的粘性元件为应力的函数,根据海冰三轴压缩实验数据,在小于韧脆转变应变率时,海冰模型应力随应变率增加而增加,大于韧脆转变应变率后,模型应力保持稳定。海冰受力过程中的损伤通过损伤函数体现,提出基于试错实验的海冰失效准则。通过隐式积分中心方法将模型数值实现,嵌入到LS-DYNA的用户自定义材料中。对典型海冰力学实验-蠕变实验、恒应变率压缩实验进行模拟,通过对比时间-应变曲线、海冰极限强度与应变率关系,验证了模型的准确性。模拟了不同速度下小冰山-刚性板碰撞场景,由碰撞力曲线可知,模型很好的体现了碰撞速度的影响。研究了冰山动能与碰撞力关系,为工程实际中预估小冰山碰撞载荷提供指导,说明了海冰模型的可应用性;(3)开发出一种将小厚度(或零厚度)三棱柱单元插入到四面体单元周围的几何拓扑方法,并应用FORTRAN语句数值实现。这种方法能将内聚力单元嵌入到四面体单元周围,用来模拟在不预设初始裂纹、不预设裂纹路径情况下,材料裂纹随机萌生与扩展行为。在冰排-灯塔结构实际尺度碰撞模拟中应用这一方法,对冰排大裂纹进行研究。模型准确模拟出冰排径向/环状大裂纹、碎冰堆积及碰撞面高压区现象,计算所得压力-面积数值与实际监测曲线吻合,证明了模型对冰排碰撞过程模拟的准确性。应用模型,研究了灯塔结构刚度、不同倾斜角度的破冰装置、冰排厚度及内聚力单元参数对碰撞过程的影响。模型很好的模拟出冰排碰撞诱发的灯塔共振现象、破冰装置导致的冰排弯曲破坏现象,同时,碰撞力均处在实测数据范围之内,很好的说明了模型对模拟工程实际问题的可应用性。