由于北极地区特殊的地理位置和极端气候条件,使得北极航道在充满机遇的同时也面临着巨大挑战,极地运输船舶即便是有破冰船开道,由于自身强度比破冰船弱很多,更易受到前方破冰船破除层冰时产生的偌大碎冰对舷侧造成的损伤。碎冰磨损虽然不像直接碰撞那样引起一次性致命损伤,但却是一个渐进过程,给船体结构后续再次承受破冰冲击及挤压造成极大威胁。目前国内外学者在这一领域研究较多的是碎冰对船舶的阻力作用,而碎冰对船体造成的结构响应、尤其是将碎冰对船体的多次损伤考虑在内的结构响应研究还尚未开展。碎冰是船舶在破冰之后产生的次生灾害,碎冰作用虽然属于小能级累积损伤问题,但是从层冰上脱落的大量碎冰会聚集、重叠在船舶周围,对承受过破冰载荷之后的船体进行碰撞、摩擦、划割,造成多次累积损伤破坏,长此以往将会导致结构强度降低乃至失效,这一问题同样是极地船舶破冰过程中面临的巨大威胁。开展运输船舶与碎冰碰撞的阻力和动态响应研究,对于提高极地船舶的结构安全性具有重要的科学意义。本文主要工作如下:(1)具有随机离散特征的碎冰域模型构建研究。研究元胞机的构建方法,利用元胞机技术构建元胞点以此确定碎冰分布位置。结合犀牛的Grasshopper插件利用Voronoi图对碎冰域进行划分,并参照真实冰区环境下碎冰MCD概率分布规律,将碎冰仿真模型与MCD理论数据值进行对比,用以验证构建的随机离散碎冰模型的真实准确性。对于碎冰仿真模型进一步细化,逐步对碎冰尺度,概率分布和碎冰厚度进行优化,且在每一步优化后将优化后的模型与理论值进行对比,构建出可用于数值仿真且十分接近真实碎冰冰情的随机碎冰有限元模型,并提供一种构建碎冰域的新方法。(2)碎冰区航行船舶与碎冰碰撞的阻力预报研究。考虑碎冰环境下的参数(碎冰尺度大小、碎冰平均厚度、碎冰密集度和航速)对碎冰区航行船舶碎冰阻力的影响,采用流固耦合技术在LS-Dyna中对在碎冰区域航行船舶的碎冰阻力进行计算,分析各碎冰参数对碎冰阻力变化的影响规律。(3)碎冰区航行船舶与碎冰碰撞的结构响应研究。基于流固耦合法对碎冰区航行的船舶结构响应数值仿真计算研究,考虑碎冰环境下碎冰的尺度大小、平均厚度、密集度和船舶航速等参数,来计算分析不同参数的碎冰环境中船-碎冰碰撞所引起的船体结构的变形损伤、结构吸能及碰撞力等结构响应规律和力学特性,并为船舶的结构设计提供一定的参考。