近年来,随着全球气候的变暖,南北两极的冰川日益消融,一条“传说中的航道”——北极航道的开通逐渐由梦想变为现实。冰区船舶迎来了前所未有的发展机遇。冰区船舶的破冰原理、航行特点、冰载荷等方面已成为研究热点。而冰区船舶与层冰和碎冰的相互作用是航行过程中的常见情形,也是本文的研究重点。本文的工作主要包括如下五方面:(1)研究冰区船舶的航行特点。基于MMG分离建模思想,建立包含冰载荷、惯性类流体动力、粘性类流体动力、螺旋桨推力、舵力的MMG破冰运动方程组。(2)研究海冰的破坏形式。分析船-冰接触面倾角对海冰破坏形式的影响,建立海冰的动态弯曲破坏模型与挤压破坏模型,确定两种破坏形式在船-冰接触过程中发生的时机、部位、转换关系,提出更加真实的船-冰作用模型。(3)研究海冰的断裂过程。分析海冰的弹性弯曲与二次断裂对破冰力的影响,引入动态弯曲破坏准则与挤压破坏准则,分析加载速率对海冰极限弯曲载荷的影响,提出更加完善的冰载荷数值预报方法。(4)模拟冰区船舶在层冰区航行。使用MATLAB对冰区船舶在层冰区的自由直航与自由回转运动进行数值模拟,并验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究层冰的破坏准则与二次断裂对数值模拟结果的影响,分析艏部参数对破冰能力的影响。(5)模拟冰区船舶在碎冰区航行。基于离散元思想,使用PFC和MAXSURF对冰区船舶在碎冰区的匀速直航运动进行数值模拟,并结合现有的碎冰阻力模型试验,验证数值模拟方法的准确性。在此基础上,研究航速与冰况对碎冰阻力的影响。