在过去的半个世纪里,由于全球气候变暖的影响,北极海冰的覆盖面积减少约50%,大面积层冰和冰山发生融化,由小尺寸浮、碎冰和敞水区域所构成的碎冰区、冰缘区逐渐增多。相比于层冰、冰脊、冰山这些极端的冰况,极地船舶,特别是极地运输船舶,更多的是在冰缘区域或航道内碎冰区中航行。碎冰冰况一般不会对船体的结构造成明显的损伤,但是会明显提高船舶阻力,严重影响船舶航行性能,降低极地航道的经济性。进行碎冰阻力的准确预报、认识碎冰阻力的形成机理并明确碎冰阻力的影响规律,对确保船舶在极地环境下的安全和经济航行有着重要的意义。目前人们对船舶碎冰阻力预报的相关研究仍然十分薄弱,对碎冰阻力形成机理和影响规律的认知存在不足。船舶与碎冰相互作用过程的复杂性与多样性、碎冰分布和冰区环境的随机性与差异性,都给船舶碎冰阻力研究带来了非常大的挑战。本文通过模型试验和数值模拟相结合的方式,开展船舶在碎冰区中的冰阻力预报及其影响规律的研究。在模型试验方面,采用常温人工冰块进行了船舶碎冰阻力预报的试验研究,探究了碎冰阻力的形成机理和影响规律,并为数值模拟提供了试验数据支撑。在数值模拟方面,在非光滑离散单元法的基本框架下,分别针对船舶-碎冰碰撞、冰-水耦合载荷以及碎冰的失效破坏建立了相应的数值模型,并在此基础上形成了船舶碎冰阻力的预报模型。本文的主要研究工作如下:（1）基于聚丙烯材料制备的人工冰块,在常温船模拖曳水池中,开展了船舶碎冰阻力预报的模型试验研究。根据冰区航行规范以及现场实测统计数据,针对低-中密集度的碎冰区,设计了试验中的航速、密集度、碎冰形状以及尺寸分布,定量化地描述了碎冰区的随机分布特点。在此基础上,开展了船舶在多船速、多冰况下船舶的碎冰阻力试验预报研究。采用分段方法处理冰阻力数据的均值以及不确定度,并对当前试验的可行性、各因素的影响规律以及船舶与碎冰相互作用过程中观察到“顶冰前行”、“逆向翻转”等物理现象进行了详尽分析。（2）基于非光滑离散单元法（Non-smooth Discrete Element Method,NDEM）,开展了船舶碎冰阻力的数值预报研究。采用非光滑离散单元法建立了船舶与碎冰之间的碰撞力计算模型,引入了简化的流体力计算模型,构造了船舶碎冰阻力的数值预报框架。提出了考虑碎冰形状和尺寸分布特点的碎冰区随机生成算法,实现了真实碎冰区的数值重构。数值模拟得到的冰阻力数值和变化规律与模型试验的结果以及经验公式吻合良好,验证了数值模型的准确性。在此基础上进一步展开了碎冰形态、厚度以及航道宽度等冰区特性对碎冰阻力影响规律的研究。（3）在船舶碎冰阻力数值预报框架的基础上,进一步考虑冰-水耦合载荷。基于移动粒子半隐式方法（Moving Particle Semi-implicit method,MPS）和NDEM,建立了MPS-NDEM耦合计算模型,开展了冰-水耦合载荷特性研究。针对压力振荡、精度不够、固体边界难处理以及自由液面难以捕捉等问题,对原始MPS方法进行修正,提高了流体计算的精度和稳定性。实现了改进的MPS方法与NDEM的耦合计算,并将程序进行并行化以提高计算效率。通过溃坝、波浪、浮冰在波浪中运动以及溃坝冲击物块等问题的模拟,验证了耦合模型的准确性。在此基础上,实现了船舶以高航速在低密集度碎冰区中的运动模拟,得到了水动力载荷模型对碎冰阻力数值预报的影响规律。（4）在船舶碎冰阻力数值预报框架的基础上,进一步考虑碎冰的失效破坏行为,开展了船舶在大尺寸碎冰、高密集度碎冰区中航行的数值模拟研究。采用理论解析模型与NDEM相结合的方法,实现了碎冰挤压破坏、弯曲破坏以及劈裂破坏的模拟。通过对单块浮冰与柱体结构碰撞问题和锥体结构在层冰中运动问题的数值模拟,验证了数值模型的可行性。在此基础上,针对大尺寸碎冰、高密集度碎冰区,进行了船舶碎冰阻力预报,深入探究了航速和航向角对碎冰阻力的影响规律,进一步揭示了碎冰阻力的特性。