目前世界破冰船建造国家多为北欧国家,还有俄罗斯、美国、日本等国家。而中国现今制造的破冰船多基于渤海及黑龙江冰情,还未有自主建造的极地航行区域破冰船下水。随着极地近岸地区冰情的减弱,北美欧洲等国纷纷开通北极近岸航线。由于极地地区环境十分恶劣,无论是专业破冰船还是运输船舶,都无法回避冰载荷带来的严峻挑战。在海冰的作用下,船舶很容易发生漏油事故,一方面既会造成船员的伤亡又会给企业造成极大的经济损失;另一方面,将对极地的环境造成巨大的破坏。所以在极地航行的船舶必须重视船舶与冰体的作用。本文以一艘冰区油船为研究对象,通过对船冰相互作用的模拟来分析船体的挤压力及其损伤情况。考虑船冰的舷侧动挤压和回转挤压两种工况,研究了船速、挤压速度、冰厚、转舵速度等因素对船体舷侧的挤压响应的影响,获得船体结构的挤压力、剩余速度及损伤。具体研究内容如下:为了研究船舶与冰体的相互作用,本文首先分析了低温下钢材料的性质及海冰的失效准则。利用LS-DYNA建立各向同性粘塑性有限元数值模型,并查阅资料定义冰材料的本构模型。结合ISO推荐压强-面积理论曲线和相关学者的实验数据,验证数值模型的可靠性。其次,描述了船冰发生挤压的两种场景,分析挤压发生的原因。比较了两种冰体与船体的挤压作用,分析船舶舷侧所受到的挤压力,发现船舶遇到有棱角的海冰时塑性变形较大,因而冰排的形状采用有棱角的海冰;比较了三种不同的海冰和船体之间的摩擦系数,通过船冰挤压响应比较了不同摩擦系数造成的影响。探索了船舶具有恒定的航行速度及逐渐递减的初速度时船冰挤压相互作用的不同。再次,建立油船双底双壳的货仓区域和具有棱角的冰排的有限元模型,分析船冰动挤压过程中,挤压力、速度的变化及船体舷侧的吸能情况。考虑航速、挤压速度及冰厚三种因素对船舶挤压响应的影响。计算结果表明,随着挤压速度增加,船冰接触面积也相应增加,船舶舷侧与冰体挤压作用增加,船舶舷侧破坏严重。不同的冰排厚度对挤压响应影响较大,冰排厚度越大,对船舶造成的挤压影响越大,挤压损伤也就越大。航行速度的大小对挤压影响不明显,但随着航行速度的增加,损伤有所增加。最后,建立油船双底双壳的货仓区域和方形冰排的有限元模型,分析船舶回转挤压过程中,挤压力的变化、船体舷侧的吸能情况。考虑冰厚、转舵速度及冰排状态三种因素对船舶回转挤压响应的影响。计算结果表明,冰排越厚,对船舶的损伤越严重;相比于自由浮冰,船舶遇到有迎面速度或者固定冰排时,船冰之间的相对运动较小,船舶舷侧损伤较严重;由于转舵速度的增加,船舶旋转的速度也就相应的增加,船舶舷侧与冰排接触的面积增加,因而转舵速度越大,船舶舷侧的损伤也就越大。