由于海冰的作用,船舶在冰区中航行时会受到额外的冰载荷。合理的确定船舶冰载荷是进行冰区船舶设计的基本能力要求。因此,冰载荷一直以来都是国内外相关研究人员关注的热点。和其他工程问题研究方法类似,国内外学者针对冰载荷所开展研究工作也主要采用理论分析、试验测试和计算仿真三类方法。其中,理论分析得到的有关公式依据理想假设,需要凭借工程人员经验进行修正;试验测试得到的相关数据依赖测试对象,同时还具有投资大、费用高、耗时长等特点。计算仿真方法研究不仅可作为理论分析和试验测试的有效补充,从趋势上看,也将有望成为船舶设计的主要手段和有效工具。本文以通用商用有限元软件ABAQUS为二次开发平台,以其用户自定义子程序(User Subroutine)为开发工具,分别研究了基于断裂力学和损伤力学的冰载荷直接计算法方法,并编写了相应的用户自定义单元子程序UEL(User-defined element)。同时,以所提出的冰载荷直接计算法作为理论分析的有效补充,研究了冰山作用下船体结构安全性简化评估方法。本文的主要研究工作如下:首先,针对海冰的特性,研究了基于断裂力学的全局角度冰阻力模型和基于损伤力学的局部角度冰压力模型。并以断裂力学模型和损伤力学模型为基础,建立冰载荷的直接计算法。断裂力学模型主要从全局角度(global)分析船舶在冰区航行过程中的总体载荷和破冰阻力;而损伤力学模型则从局部角度(local)分析船体与海冰的相互作用,获得的局部载荷可用于船体结构强度设计和指导船舶型线优化。同时,基于断裂力学理论和损伤力学理论,开发了移动裂纹断裂单元和海冰破碎单元,并对所开发单元的计算准确性进行验证,将其数值解与相应的解析解进行了对比。其次,本文开展了基于断裂力学的全局冰阻力直接计算法应用研究。采用基于断裂力学的全局冰阻力直接计算法,以Lindqvist公式为参照基准,通过数值试验不断调整冰原临界应变能释放率,建立了在典型破冰船航速范围内(0.5m/s到3m/s),冰原临界应变能释放率与破冰船航速的数值关系。结合冰原临界应变能释放率与破冰船航速的数值关系,开展了船舶直线航行和回转运动过程全局冰阻力直接计算法研究。进一步验证了基于断裂力学的全局冰阻力直接计算法的可行性,并分析了航速和水线面宽度对船舶全局冰阻力的影响。同时,本文开展了基于损伤力学的局部冰压力直接计算法应用研究。将船体与海冰之间的相互作用归结为不同类型曲面与海冰的相互作用。根据冰层法矢与曲面法矢之间的关系以及曲面的曲率,将船体外形分为三类:平面、弧面、尖面。从而采用本文提出的基于损伤力学的局部冰压力直接计算法,开展了不同投影长度和夹角的平面、弧面、尖面结构局部冰压力计算。同时基于直接计算法研究了结构投影长度、曲面曲率等参数对结构受到的冰压力的影响。并根据计算结果构建了船体结构局部冰载荷图谱。从而可以定性的给出曲面结构冰压力随曲面的形状、曲面与冰层夹角等参数的变化情况,帮助船舶设计人员选择合适的船体外形。最后,本文开展了冰山作用下船体结构安全性简化评估方法研究。在极地水域,除了浮动的冰排外,还存在着漂浮的冰山。冰山的存在对船舶的安全运行构成了威胁。为提高冰区船舶的安全性,对冰山作用下船体结构的安全性评估方法进行研究是十分必要的。本文采用基于损伤力学的冰压力直接计算法作为理论分析的有效补充,研究了冰山作用下船体结构安全性评估方法。首先,采用基于损伤力学的冰压力直接计算法确定了冰山与船体舷侧结构作用过程中,船体结构受到的冰力。而后,基于刚塑性理论提出了船体结构极限承载能力简化分析方法。最后,结合直接计算法得到的冰压力和简化分析方法,对冰山作用下船体结构安全性进行了评估,建立了冰山作用下船体结构安全性简化评估方法。从而为相关工程技术人员提供了一种可供选用的冰山作用下船体结构安全性评估方法。