北极地区拥有丰富且尚未开发的天然气、石油及渔业资源,掀起了世界各国的关注和开发热潮。随着全球气候的变化导致极区夏季冰含量大幅减少,北极海域的航线正在逐步开拓,这使得对极地航行船舶的需求日渐上升,然而在极区航行的船舶将有一定几率与冰体发生碰撞,一旦发生碰撞事故,会造成船体结构破损和油气泄漏等灾难性的后果。基于以上背景,本文通过有限元仿真技术对航行于极地的船舶与冰碰撞的过程展开研究,分析舷侧结构主要构件的耐撞性能,一方面能对船舶结构损伤进行评估和预报,另一方面能为冰区航行的船舶结构耐撞性设计提供指导,主要研究内容如下:(1)阐述船-冰碰撞机理,对船舶与冰碰撞的非线性特点进行描述,详细介绍了船-冰碰撞的运动控制方程及显式求解算法,然后对有限元分析方法进行详细描述。(2)利用有限元软件分别建立船舶与立方体冰有限元模型,对有限元建模过程中网格划分、单元类型、碰撞接触的定义进行详细说明;选择合适的材料模型及失效准则作为冰体的材料参数;接着基于IACS冰级规范,对油船的舷侧结构进行冰区加强,确定结构参数。(3)考虑船、冰都具有一定运动速度的前提下,对船-冰碰撞过程进行数值仿真计算。设计七种船-冰碰撞工况,研究在不同的碰撞速度、外板厚度、舷侧撞击位置时的结构响应,对比分析船舶和冰体的损伤变形情况,给出结构应力、应变随时间的分布规律,探究结构耐撞性能。(4)船-冰碰撞过程中船舶与冰体会吸收部分能量,进而转变成为舷侧构件及冰体的变形能。分析不同碰撞工况下,冰体和舷侧构件如外板、纵骨、强框架等能量吸收随碰撞参数变化的规律,不仅可以定量说明构件在抵抗冰体作用时的耐撞性,而且对冰区结构加强起到一定的参考作用。(5)设计Ⅹ型、Ⅵ型金属夹层板结构并将其用于舷侧冰带区域,对比分析常规冰区加强舷侧、Ⅹ型、Ⅵ夹层板舷侧与冰体碰撞的结构动态响应,结果表明夹层板结构能显著提高船舶的耐撞性;此外针对Ⅵ型夹层板良好的抗撞性,对其在不同的夹层板面板厚度及不同的夹芯层厚度下的碰撞性能做进一步分析,确定合理的结构尺寸。