随着全球气候的变暖,北极地区冰面正以每10年9%左右的速度消失,北极资源开发正趋于可行。北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气、矿物和渔业资源。因此,开发北极资源正受到世界各国,尤其是沿海国家的广泛关注和高度重视。然而,船舶在高纬度海域航行,将会不可避免地与各种形状的冰体发生碰撞。一旦船只与冰体发生碰撞,极有可能损坏船体、引起货物泄露和环境污染,甚至造成重大人员伤亡。为了能够大规模有效开发世界范围内的结冰海域油气资源,必须解决海冰灾害引起的各种问题。基于上述原因,本文开展了冰撞载荷作用下船体结构抗冲击设计研究。首先,研究船—冰碰撞有限元仿真技术,建立了适用于有限元仿真的冰体材料参数;其次,根据冰级规范进行冰区结构加强,设计了横向和纵向两种加强方式,并与传统未加强结构进行比较,突出冰区结构加强的重要性和横向加强方式的优越性;然后,在规范加强的基础上,进行船舶结构冰区加强方案研究,进一步研究单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性;最后,设计了两种新型夹芯抗冲击肩部结构,并与传统肩部结构作比较,对比分析不同结构的抗冲击性能,得出一种较优的新型抗冰载荷冲击肩部结构形式。主要工作如下:(1)基于弹塑性力学理论及非线性有限元软件LS-DYNA,研究了船—冰碰撞的材料模型。以典型成品油船为例对船体结构有限元仿真技术进行详细阐述,包括船体结构简化、网格划分、接触定义等建模过程;建立了适用于有限元仿真的冰体材料参数。最后,参考前人的研究成果,验证了本文所确定的冰体材料模型及仿真方法的可行性。(2)以一艘成品油船为例,应用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体的有限元模型,通过非线性有限元软件LS-DYNA,分别模拟未进行肩部加强船舶与冰体发生碰撞以及肩部采取横向和纵向两种不同加强方式的船舶与冰体碰撞。对比研究了不同碰撞方案下船体结构响应的异同,揭示了现有的冰区加强规范的可行性与横向、纵向两种加强方式的差异。(3)在按冰级规范进行冰区加强的基础上,进一步研究了单一构件强度的增加对整体结构影响的规律性。选取经横骨架式加强后的油船为研究对象,在其他因素不变的前提下,对比分析了不同外板厚度、不同横隔板厚度以及不同肋骨间距下船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度、肋骨间距的变化而变化的规律,获得船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。(4)将夹层板应用于肩部结构,设计出I型、V型两种新型抗冲击结构形式。基于非线性有限元软件LS-DYNA,对比分析了传统加强结构、I型夹层板结构、V型夹层板结构的船舶肩部与冰体碰撞的结构的动态响应,揭示了不同方案下船舶的损伤变形、碰撞力、能量吸收的规律和特性,提出了一种较优的抗冰载荷冲击结构形式。