随着北极地区的地缘价值、航道价值和能源价值等战略价值日益凸显,世界各国都对北极战略给予了前所未有的重视。大型水下航行器可以在北极地区执行资源勘探、地貌信息采集和资源运输等任务。由于北极环境复杂,大型水下航行器在执行任务时难免会遇到特殊工况需要上浮破冰至水面,因此垂向破冰冰载荷特性的研究工作极为重要。当前关于冰载荷的研究工作集中在纵向破冰和横向破冰,由于垂向破冰与前两种破冰形式下海冰力学模型的破坏方式并不一致,研究成果无法直接应用到垂向破冰的研究工作。为了开展垂向破冰冰载荷的研究工作,本文以大型水下航行器垂向上浮破冰为例,研究垂向破冰冰载荷的动态特性,总结垂向破冰冰载荷计算方法。主要内容如下:(1)开展海冰物理特性以及力学特性的研究工作,分析不同的海冰本构模型和破坏准则。参考海冰模型试验,采用数值模拟方法建立不同的海冰力学模型,通过对比模型试验结果和三点弯曲验证,发现基于各向同性弹塑性本构模型和Drucker-Prager失效准则的海冰力学模型满足本文的研究需求。(2)建立大型水下航行器的数值模型,基于海冰力学模型的研究工作,分别对比分析弹性体模型和刚体模型垂向破冰的冰载荷以及局部模型和整体模型垂向破冰的冰载荷结果,兼顾计算结果的准确性和计算效率,最终采用刚体材料的水下航行器整体模型建立垂向上浮破冰的数值模拟方法。(3)基于大型水下航行器垂向上浮破冰数值模拟方法,研究破冰过程中其典型部位(艏部、围壳、艇身、艉部)的冰载荷特性。统计分析不同工况下典型部位的冰载荷,分析得到冰载荷的时空分布特性,并得到水下航行器垂向上浮破冰典型部位设计冰载荷计算公式并进行验证。