随着全球变暖,北极地区油气勘探开发和船舶运输的增加,冰区船舶在极地水域的作业、航行活动显著增加。对于冰区船舶航行来说,在保证安全、经济的前提下,需满足在一定厚度的平整冰或一定密集度的碎冰区中保持合理的速度,并保证在更高级的冰况中航行。在设计阶段进行冰区船舶性能评估,对冰阻进行合理的估计,显得极其的重要。本文在总结前人的基础上,结合模型试验与数值模拟,在数值方法上进行改进,实现了冰区船舶性能预报,完成了船舶-碎冰、船舶-平整冰相互作用分析研究。完成了碎冰区船舶航行性能关键问题的模型试验和数值模拟研究。利用石蜡模型冰模拟极地碎冰环境,完成了 6个航速、3种密集度(60%、80%、90%)的阻力测量和现象观测。同时,采用有限元软件LSDYNA对碎冰条件下的船舶航行性能进行数值仿真,重点考虑了水的浮力影响,利用ALE方法实现了船-碎冰-水-空气四者的耦合计算。两者结果均表明:船舶-碎冰之间碰撞导致碎冰发生堆积、翻转、滑移以及船后尾迹碎冰分布等现象,且剧烈程度受不同大小的航速、碎冰密集度影响;同时,船模阻力随遭遇的碎冰密集度和船模航行速度的增大而增大,船冰之间作用更加剧烈;船模与碎冰碰撞应力主要集中在船艏部位,且航行方向的冰载荷最大;数值模拟与模型试验均能很好地实现碎冰条件下船舶航行性能预报,为冰区运输船设计提供技术参考。对平整冰区条件下的破冰船航行过程进行有限元数值模拟研究,利用LSDYNA软件的ALE方法、侵蚀接触算法、罚函数法,重点考虑水的浮力和HJC冰材料模型选择及材料屈服准则,实现了模型冰厚37.5mm(实际冰厚1.5m)、4个船模航速的数值仿真分析。数值模拟结果与天津大学冰工程试验室完成的船模冰阻力试验结果对比分析,表明:平整冰条件下船模阻力随航速的增大而增大,其不同破冰速度下的冰破坏模式不一样。分析了破冰船-平整冰相互作用过程,通过平整冰的应力传播规律得到平整冰的裂纹扩展模式。同时,对船体三个方向所受的冰载荷进行傅里叶变化分析,可为冰激振动、船体设计做参考。有限元数值方法,能够准确模拟平整冰的破坏模式,实现平整冰条件下的破冰船航行性能预报。对国外相关学者提出的对船模阻力成分经验式进行理论研究,同时对两种不同船型进行碎冰条件下的阻力试验,分析了其碎冰阻力成分占总阻力的比例,表明船艏兴波有助降低冰阻力成分。