北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气等资源,近二十年来,北极海上油气开发项目呈明显的加速增长趋势。而随着全球气候的变暖以及北极冰层的不断融化,北极航线开通并越来越繁忙,未来将成为世界贸易的主要通道之一。在极地区域作业及航行存在着很大的困难和风险,包括海洋结构物与浮冰、平整冰以及冰山发生碰撞所导致的外壳或者设备损坏甚至倾覆,船舶受困于大块浮冰区或者连续较厚平整冰区,以及海洋平台或船舶的机械与设备因低温所导致的失灵或损坏等等。开发利用北极要以运行安全、航行安全为首要前提,因此研究海洋结构物与海冰碰撞机理以及准确预报冰载荷具有重要的理论和现实意义。在此背景下,本文基于粘聚单元模型,结合海冰均化弹塑性本构模型,在非线性显式有限元软件LS-DYNA中模拟了多种海洋结构物与一年平整冰的相互作用,并对冰载荷进行了数值预报。具体研究内容及成果如下:(1)采用一种均化弹塑性本构模型,在宏观层面上模拟了海冰在微观尺度上发生的局部挤压破碎。所采用的本构模型将海冰微裂纹的发展量等效为海冰单元的等效塑性应变量,且塑性区内海冰等效应力随等效塑性应变增加而减小,以模拟局部挤压破碎对海冰材料造成的损伤软化效果。提出了三种塑性区损伤软化准则,用以表征海冰材料随微裂纹发展的不同损伤软化过程;基于平整冰压缩试验数据,在海冰本构模型中加入了应变率的影响以考虑不同应变率下海冰压缩强度的变化。建立了冰锥挤压刚性板数值模型以对海冰本构模型进行验证,对数值模拟进行了网格收敛性分析和塑性区材料参数敏感性分析。分别采用三种损伤软化准则进行计算,并将计算所得的碰撞载荷曲线及压力-面积关系曲线与模型实验结果进行了对比验证。结果表明,采用线性损伤软化准则的均化弹塑性本构模型计算所得碰撞载荷曲线以及压力-面积关系曲线与模型实验结果吻合最好,且数值模拟所得海冰挤压破碎过程中的压力分布情况也与实验中观测的结果一致,验证了海冰本构模型的有效性。(2)建立了锥体与平整冰碰撞的有限元数值计算模型,通过将均化弹塑性本构模型和粘聚单元模型结合,模拟了平整冰的局部挤压破碎和弯曲断裂破坏。为了更准确模拟真实海冰的随机断裂路径,冰体单元采用了正三棱柱网格。首先对冰体单元网格敏感性进行了分析,然后通过将数值模拟所得冰载荷与模型实验结果进行对比,验证了数值模拟结果的有效性。结果表明,当冰体单元网格的水平方向尺寸与平整冰径向断裂长度较为接近时,数值计算所得冰载荷在时域和频域内都与模型实验结果吻合较好。数值模型较好地模拟了锥体与平整冰碰撞时,海冰发生的局部挤压破碎和弯曲断裂破坏,以及之后的碎冰堆积、翻转和滑移过程,证明了数值模型的有效性。随后研究了粘聚单元主要材料参数对数值模拟结果的影响。采用一种方法从锥体所受冰载荷中提取海冰破坏载荷,计算了海冰破坏载荷在冰载荷中所占比重。最后研究了碰撞速度、锥体锥角和水线面直径对锥体所受冰载荷和海冰破坏载荷占总冰载荷百分比的影响。对于锥体-平整冰碰撞和柱体-平整冰碰撞时的不同海冰破坏模式以及由此导致的冰载荷变化也进行了对比研究。(3)应用粘聚单元模型并结合均化弹塑性本构模型,对船舶在平整冰中连续式破冰进行了数值模拟。首先对数值模拟结果与模型实验结果进行了对比验证。与锥体撞击平整冰工况类似,当冰体单元网格水平方向尺度与海冰径向断裂长度相近时,数值模拟冰载荷计算结果在时域和频域上与模型实验结果吻合均较好。数值模拟较好地再现了船舶连续破冰过程中的海冰局部挤压破碎和弯曲断裂破坏过程,以及碎冰的翻转、滑移过程。之后引入了Lindqvist半经验公式、Riska半经验公式,并通过船体纵向切片法对Lindqvist半经验公式进行了改进,以考虑船首不同区域发生的不同海冰破坏模式对破冰阻力的影响。通过将数值模拟结果与三种半经验公式的计算结果进行对比,研究了船速对船体所受冰载荷和海冰破坏模式的影响。随后,采用数值方法和改进的Lindqvist半经验公式研究了船舶破冰阻力和海冰破坏模式随船舶吃水的变化。最后通过数值模拟研究了船舶以不同横倾角破冰时船体所受冰阻力和海冰破坏模式的变化规律,并对其变化机理进行了详细的解释。(4)采用粘聚单元模型并结合均化弹塑性本构模型,对螺旋桨切削平整冰进行了数值模拟。建立了有限宽度的冰块模型,并在其两侧施加固定约束以模拟无限宽度平整冰。冰体单元采用划分比较精细的正六面体网格,在消除其本身形状缺陷带来的数值误差的基础上提高了数值稳定性。首先对数值模型的网格收敛性进行了分析,然后通过与物理模型实验结果的对比,对数值结果的有效性进行了验证。计算结果表明,螺旋桨叶片所受合力与合力矩峰值及其出现的时间与实验结果均吻合较好,且数值方法较好地模拟了桨叶在高速旋转切削海冰时的真实物理现象,包括海冰局部挤压破碎、碎冰飞溅以及高应变率下海冰断裂破坏留下的不规则形状切口。随后研究了海冰压缩强度、剪切强度和孔隙率以及螺旋桨进速、转速和切削深度对螺旋桨所受冰载荷的影响。结果表明,螺旋桨所受冰载荷均值随螺旋桨转速增加近似呈线性下降,随进速和切削深度的增加呈加速上升的趋势。因此,在使用螺旋桨破冰时,应适当提高螺旋桨转速,同时小心控制螺旋桨的前进速度和切削深度,以保证螺旋桨的运行安全。研究结果表明,本文所建立的数值模拟方法适用于模拟多种海洋结构物与平整冰间的相互作用过程,同时可以较为准确地预报冰载荷,论文所取得的研究成果可为制订极地海洋结构物设计规范提供参考,为冰区海洋结构物的设计与安全使用提供有效的理论指导与数值工具。