船艏结构冰载荷反演分析与响应计算
摘要
极地战略是国际影响力与国际竞争的战略制高点。近年来，随着国力增强，中国积
极推动极地科考活动并不断加大科研投入。随着极地科考的日益频繁，极地破冰船也面
临着未知冰载荷的巨大挑战。由于船艏结构冰带区域频繁处于不同类型的冰载荷碰撞，
为了确保船舶航行的结构安全，对于冰载荷的研究尤为重要。
目前，一方面由于冰载荷在实际航行中无法直接监测而运用应变反演载荷；另一方
面，由于冰在不同情况下参数差异较大，国内对于冰载荷的研究由于缺少实船的数据而
成果较少。所以，本文将基于实船航行中的监测数据进行冰载荷的反演与极值预报，并
对船艏肩部区域进行有限元响应计算，研究动态响应与静态响应的转换关系。
本文的主要工作内容如下：（1）根据影响系数矩阵反演冰载荷。研究载荷反演传统
计算方法，基于某极地破冰船实船测点位置和结构模型计算系数矩阵，根据系数矩阵直
接计算得到载荷时历数据，并作为下一步机器学习的训练集。（2）尝试和研究各种类型
机器学习算法对传统冰载荷反演方案进行改进。选择神经网络算法（ANN），并详细介
绍ANN算法的具体步骤，包括数据归一化，激活函数、学习策略及损失函数的选取，
根据训练集进行模型训练，并通过验证集进行试算，最后对比其他算法模型，进不同模
型的评估。（3）进行冰载荷统计分析。根据反演得到的大量数据研究其不同冰载荷类型
下的统计参数，进行峰值分布拟合，计算各场景下船体各部位的冰载荷长短期分布函数，
采用十分钟极值法和长短期极值预报法计算冰载荷极值，并与IACS规范计算得到的结
果进行对比。（4）基于有限元响应计算构建极地航行冰载荷动力-准静态等效转化方法。
针对船体结构关键区域与极端冰载荷作用过程进行模拟求解，以结构响应等效判断准则
为基准，研究动态与静态载荷作用下结构响应。并提出等效转换系数的概念，构建极地
航行冰载荷动静等效转化方法，并计算破冰船全寿期等效动响应。
综上所述，本文基于极地破冰船的两次航行数据和船体结构模型，计算完成了影响
系数矩阵及反演冰载荷，得到基于神经网络的冰载荷反演模型，并基于载荷时历，利用
两种冰载荷极值预报方法进行极值预报，最后基于动力与静态响应计算得到了不同冰载
荷类型下的动静转换系数，并根据极值计算破冰船全寿期最大等效动响应。
关键词：冰载荷；系数矩阵；人工神经网络；极值预报；动静转换
船艏结构冰载荷反演分析与响应计算
Abstract
Polarstrategyisthecommandingheightofinternationalinfluenceandinternational
competition.Inrecentyears,withtheenhancementofnationalstrength,Chinahasactively
promotedpolarscientificresearchactivitiesandcontinuouslyincreasedscientificresearch
investment.Withthedevelopmentofpolarscientificresearch,polaricebreakersarealsofacing
greatchallengesofunknowniceloads.Duetothefrequentcollisionofdifferenttypesofice
loadsintheicezoneareaofthebowstructure,thestudyoficeloadsisparticularlyimportant
inordertoensurethestructuralsafetyofshipnavigation.
Atpresent,ontheonehand,thestraininversionloadisusedbecausetheiceloadcannot
bedirectlymonitoredin