基于Monte-Carlo法的破冰船船艏结构可靠性研究
摘要
随着各国对极地探索的愈加频繁，作为在极地科考过程中不可或缺的船舶种类，破
冰船的结构可靠性受到了研究人员越来越多的关注。破冰船在破冰过程中，除了受到极
地地区恶劣的气候影响，更主要的危险来源于破冰过程中长期的循环冰载荷，此类冰载
荷极易引发船体结构件的疲劳损伤。相关研究表明，冰载荷受海冰的厚度影响较大，现
如今计算冰载荷的方法中，对于海冰厚度的选取一般为确定值，以此来建立的海冰模型
存在一定的局限性。因此，为了更真实准确的计算破冰船的结构可靠性，本文建立了海
冰内聚力模型，并基于对有限元软件ABAQUS的二次开发，利用Monte-Carlo法考虑海
冰厚度的随机分布，计算破冰船与平整冰碰撞过程中所受冰载荷、结构响应以及结构疲
劳热点的可靠度。本文主要研究内容如下：
首先，基于内聚力接触法与均匀化弹塑性本构建立海冰数值模型，通过与规范公式
计算结果对比验证模型的有效性，并对该模型的网格敏感性进行分析。利用该海冰内聚
力数值模型，基于对有限元软件ABAQUS的二次开发，使用Monte-Carlo法结合有限元
计算方法计算了锥体-平整冰的碰撞过程，通过与确定厚度的海冰数值模拟数据以及模
型试验数据对比，讨论不同抽样次数对Monte-Carlo法精度的影响，并为提高计算效率
和精度，提出了改进的拉丁超立方抽样的Monte-Carlo方法。
其次，模拟了某型号破冰船在平整冰区破冰航行过程。建立船艏结构的数值模型以
及平整冰的内聚力模型，利用简化浮力和拖曳力模型模拟浮冰与海水的作用关系，并提
出了一种考虑冰厚随机性的船冰碰撞长时历计算方法，计算了某型号与随机厚度平整冰
排的碰撞冰载荷。对船艏结构的典型疲劳热点进行筛选，并对其进行网格细化计算其疲
劳损伤。
最后，基于有限元软件ABAQUS的二次开发利用Monte-Carlo法计算某型号典型
疲劳热点的可靠性。采用低温S-N疲劳曲线、Miner累积损伤理论以及雨流计数法计算
典型热点的疲劳损伤度，将疲劳损伤度作为可靠度计算变量，利用改进的拉丁超立方抽
样Monte-Carlo法计算各个热点的可靠度与可靠度指标，并讨论抽样次数的影响，选取
合适的抽样的次数。
关键词：破冰船；Monte-Carlo；；内聚力接触法；疲劳分析：结构可靠性
基于Monte-Carlo法的破冰船船艏结构可靠性研究
Abstract
Ascountriesincreasinglyexplorethepolarregions,thereliabilityoficebreakers,an
essentialtypeofvesselinpolarscientificresearch,hasreceivedincreasingattentionfrom
researchers.Icebreakersarenotonlyaffectedbytheharshweatherconditionsinthepolar
regions,butalsobythelong-termcycliciceloadsduringtheicebreakingprocess,whichcan
easilycausefatiguedamagetotheshipsstructuralcomponents.Studieshaveshownthatice
loadsaregreatlyaffectedbythethicknessofseaice.However,incurrentmethodsfor
calculatingiceloads,theselectionofseaicethicknessisgenerallyafixedvalue,whichlimits
theaccurac