随着全球气候逐渐变暖,北极永冻层不断融化,为了缩短亚洲国家与欧美国家之间的运输航程,降低运输成本,世界各国都在积极开拓北极航道。然而,船舶在北极海域航行将不可避免地遇到海冰问题,极地破冰船在保证航运的连续性和通畅性方面起到重要作用,同时对于极地考察来说,破冰船也必不可少。在破冰船的极地航行过程中,冰载荷成为影响船体结构及营运安全的重要因素,但国内外对破冰船在正常工况下受到的冰载荷研究内容较少,破冰船在冰载荷作用下的结构响应也无从得知。基于上述原因,本文开展破冰船艏部冰载荷计算及结构强度研究。研究破冰船在连续式和冲撞式两种破冰模式下的冰载荷及船体结构响应情况,同时针对极端工况下的船体结构损伤情况,对船艏碰撞区域进行结构加强研究,提出新型耐撞结构。本文主要工作如下:(1)介绍北极海冰的主要物理及力学特性,选取冰体材料参数。参考国际标准化委员会推荐的压强-面积曲线及前人的圆台冰-刚性墙试验结果,验证本文选取冰体材料的可行性;(2)应用前处理软件PATRAN建立本文破冰船及冰排有限元模型,对船体结构简化、网格划分、接触定义等做详细介绍。采用大型非线性有限元软件LS-DYNA研究船、冰材料模型。对破冰船在连续破冰模式下的不同工况进行数值仿真计算,研究不同工况下破冰船所受到的最大碰撞力以及船体结构响应;(3)根据船-冰碰撞过程中的能量守恒原理,利用能量法建立连续破冰模式下冰载荷的理论方法,给出冰载荷理论公式,同时将数值仿真中的冰载荷结果与本文冰载荷理论公式计算结果以及DNV规范、俄罗斯规范中的冰载荷计算结果进行对比,验证本文冰载荷理论计算公式以及数值仿真方法的可行性;(4)运用非线性有限元软件LS-DYNA对破冰船在冲撞破冰模式下的不同工况进行数值仿真计算,研究不同工况下破冰船所受到的最大碰撞力以及船体在碰撞过程中所受到的损伤变形和能量吸收等情况,同时研究破冰船在极端工况下的结构响应;(5)根据DNV规范计算出的外板厚度及肋骨尺寸,设计不同方案对船艏结构进行加强,研究结构的损伤变形及吸能情况。为了优化破冰船艏部结构,设计出I型、V型、X型和四边蜂窝型四种新型耐撞结构。对比分析传统加强方式以及新型结构加强方式下船体结构动态响应,提出较优的船体耐撞结构型式。