近年来,北极资源开发和与之相关的北极航线建设成为世界热点问题。对我国而言,在“一带一路”战略背景下,精心打造的“冰上丝绸之路”不仅能减少常规海上运输的成本和时间,而且将大大提高我国在国际贸易上的影响力。随着船舶在极地冰覆盖海域中的运输和勘探活动日益频繁,对破冰船和具有破冰能力的极地船舶市场的需求也必将日益增加。目前,虽然大多数学者通过附加质量法和流固耦合对船-冰碰撞进行了相关研究,但只有少数研究集中在附加质量法和流固耦合法相对于破冰船破冰过程以及结构损伤之间的差异,同时更缺乏一种有效预测破冰船艏部极端应力的方法。基于上述原因,本文一方面基于经验公式和ALE流固耦合算法对船舶破冰阻力预报研究,另一方面对水介质中破冰船艏部结构响应及极端应力进行了研究。对快速计算破冰阻力,并为船体结构设计和优化提供依据有着重要的意义。本文的主要工作如下:(1)基于不同方法的冰载荷计算研究。主要包括对海冰的形成与分类、物理力学特性进行了归纳整理。同时对船舶破冰时冰的失效模式进行了整理分析,并利用不同计算模型和规范对破冰船在不同破冰场景下所受冰载荷进行了对比分析。(2)基于ALE流固耦合算法在船冰碰撞中的应用研究。对非线性有限元软件LS-DYNA中ALE算法中的一些基本原理进行描述,选取并验证了合适的冰材料。最后通过水介质中冰体与船体板架碰撞的数值仿真和模型试验相对比,验证了该方法在船-冰碰撞仿真中的适用性。(3)水介质中船舶破冰阻力预报研究。首先主要基于不同的经验公式模型对破冰船所受冰阻力进行了估算,然后对各经验公式中的主要参数进行了敏感性分析。最后基于ALE算法对破冰船在水介质中所受冰阻力进行了数值仿真计算,并将经验公式和数值仿真计算的冰阻力进行对比,以验证对冰阻力预报的适用性和准确性。(4)水介质中破冰船艏部结构响应及极端应力预测研究。首先基于流固耦合法对船舶破冰进行了数值仿真计算,分析了水域流场对破冰船艏部的影响变化。然后与附加质量法计算下的破冰船艏部的损伤变形、局部压力和碰撞力大小等方面差异进行了比较,揭示水介质对船舶破冰过程的影响规律。最后将数值仿真结果和Naess-Gaidai尾部外推方法相结合,对破冰船艏部极端应力进行了预测。