第1章绪论
　　近年来，全球气候变暖，北极冰雪融化加速。在经济全球化和区域一体化不断深入发展的背景下，北极在战略、经济、科研、环保、航道和资源等方面的价值不断提升，受到国际社会的普遍关注。北极问题已超出北极国家间问题和区域问题的范畴，更涉及北极域外国家的利益和国际社会的整体利益，其攸关人类生存与发展的共同命运。作为国际社会的重要成员，中国在北极国际规则制定和北极治理机制构建方面发挥了积极作用。中国在地缘上为“近北极国家”，是陆上最接近北极圈的国家之一。北极的自然状况及其变化对中国的气候系统和生态环境具有直接影响，关系到中国在农业、林业、渔业和海洋等领域的经济利益。中国发起共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”（“一带一路”）重要合作倡议，为促进北极地区互联互通和经济社会可持续发展带来合作机遇。《中国的北极政策》白皮书（2018）明确指出，我国将不断深化对北极的探索和认知、保护北极生态环境和应对气候变化、依法合理利用北极资源、积极参与北极治理和国际合作，并促进北极和平与稳定。我国倡导构建人类命运共同体，是北极事务的积极参与者、建设者和贡献者，努力为北极发展贡献中国智慧和中国力量。
　　我国于1984年派出首支南极考察队，开启了中国南极事业的发展历程。自1985年成为《南极条约》协商国以来，我国正式参与南极治理已有38年历史（截至2023年）。近年来，气候变化与科技发展使南极更易到达，人类活动已大规模涌入，南极保护区、南极旅游与生物勘探等问题成为当前南极治理中的焦点议题。
　　南极大陆未来的开发利用，已经为世界各国所关注。我国目前在南极建成了长城站、中山站、昆仑站和泰山站等四个科学考察站，目前正在建设罗斯海新站。1994年“雪龙”号极地考察船投入使用，2019年“雪龙2”号首航南极，开启我国“双龙探极”的新篇章。每年夏季开展南极科学考察并为科考站补给物资，已成为当前我国南极研究的业务化工作。《中国的南极事业》（2017）阐述了我国在南极基础建设、文化宣传、科学研究、环境保护、可持续利用、全球治理、国际交流与合作等领域取得的重要成就，也明确提出了我国在国际南极事务中的基本立场、我国南极事业的未来发展愿景和行动纲领。
1.1船舶与海洋工程结构冰载荷研究的工程需求
　　极地海域具有极高的国家发展战略价值，各海洋强国均已将其列为未来海洋资源争夺的重点。北极地区蕴含丰富的自然资源，其中原油储量和天然气储量分别占全世界储量的25％和41％。南北极地区的渔业资源及淡水资源也相当丰富，磷虾是南大洋的特产，其储量约为1.25亿～7.25亿吨，日本、澳大利亚和挪威等国均有专业化运营团队。另外，两极地区是受到人类影响最小的区域，极地生态系统是地球生态系统重要组成部分，被称为“全球气候变化的驱动器”，故两极地区的科研价值也十分重要。此外，极地问题在中国安全战略和外交战略中的地位也日益提升。对正在崛起的中国而言，极地问题涉及政治、经济、安全、科技、气候、环境、资源和海洋等多领域问题。由此可见，极地是影响世界可持续发展和人类生存的新疆域，是未来大国之间围绕利益和影响力竞争的战略制高点。为提升我国在极地航行运输、科学考察、油气开发、资源勘探和军事战略等方面的竞争力，开展船舶与海洋工程结构冰载荷研究具有重要理论意义和工程实用价值。
　　1.1.1极地航行运输及科学考察中的冰载荷问题
　　北极航道的开发利用和我国科考事业的快速推进，为极地船舶与海洋工程装备的设计制造提供了良好的发展契机，但极地海冰环境所引起的复杂力学问题也相应地带来了艰巨的挑战。
　　1.极地航行运输
　　随着全球气候变暖，北极海冰覆盖面积逐渐减小，北极航道的通航时间逐年延长。北极航道大幅缩短了东亚与北欧地区之间的海上运输距离，其商业价值不容忽视，将对世界经济格局产生重大影响（蔡梅江等，2020;李振福等，2016）。北极航道分东北、西北和中央航道，其中东北航道是中俄共建“冰上丝绸之路”的主要载体，俄罗斯又称其为北方海航道，可将欧洲市场到中国的运输时间缩短40％。
　　目前该航道每年的窗口期为3～4个月，有可能在2030年实现全年通航。此外，北极航道的开辟，降低和分担了途经马六甲海峡、巴拿马运河、索马里海域和苏伊士运河等高政治敏感区所带来的政治风险。
　　我国作为近北极国家，北极航道对我国未来的经济发展和海上运输均具有重要战略意义。“雪龙”号科学考察船分别于2012年、2017年和2018年首航东北、西北和中央航道，创造了我国航海史的多项新纪录。北极航道将成为打通中国东北部与欧洲北部的新纽带。2013年，中国远洋海运集团有限公司“永盛”号货轮首航东北航道，拉开了我国商船北极航行的序幕，目前每年夏季均有10个航次左右（胡冰等，2021）。为保障极地船舶的航行安全，掌握冰区航道信息及冰–船作用机理至关重要。
　　极地运输船的冰级一般较低，其破冰能力尚不能达到自由通航于北极航道的程度。为保障极地运输船的航行安全、保护北极地区脆弱的生态环境，相关政策规定：除航道无冰或冰况较弱等可以自行通航的情况外，极地运输船需要在破冰船的引航下穿越北极航道。中国远洋海运集团有限公司“天恩”号货轮在俄罗斯破冰船引航下的编队航行如图1.1.1所示。极地运输船需要以一个安全的距离跟随破冰船，在其开辟的尾迹中航行。若距离过远，则航道会被大量碎冰堵塞，导致冰困的发生；若距离过近，则会增加撞船的风险。目前，这一安全距离的设定仍来源于航行经验，如何科学地建立破冰船引航下的编队航行模型已成为极地研究中的难点问题。
　　2.极地科学考察
　　经过三十余年的积累，我国已逐渐形成极地科学考察的研究支撑体系，为极地科学研究奠定了坚实的基础。科考船和漂流站作为极地运输和观测的主要载体，近年来逐渐受到人们的关注。
　　1）科学考察船
　　我国于1984年11月和1999年7月分别开始第一次南极和北极科学考察，截至2022年4月已完成38次南极科学考察和12次北极科学考察。船舶在冰区航行时会受波浪和海冰等多个环境因素的影响，船舶破冰能力的不足或船员对冰情的误判均会导致冰困的发生。2014年1月，“雪龙”号成功救援在南极冰区受困且有沉没风险的俄罗斯“绍卡利斯基院士”号破冰船后，周边冰情的突变导致其在厚达3m的浮冰阻碍下一时无法脱险，如图1.1.2（a）所示（张林等，2014）。
　　当船舶受视线不良、风浪过大和操纵性不佳等因素影响时，也会造成与其他船舶或冰山相撞的后果。2019年1月19日“雪龙”号在南极阿蒙森海因避让不及而与冰山相撞，导致船首桅杆和部分舷墙发生损坏，如图1.1.2（b）所示。因此，掌握冰–船作用机理并确定合理的冰载荷和操纵性能，是极地科学考察的重要研究内容。
　　随着科学考察任务的日益增加，我国对极地科考船的投入逐渐加大，其数量和功能也在增加和完善。“雪龙2”号项目从2009年6月国务院批准立项到2019年7月正式交付，历经10年。该船融合了国际新一代考察船的技术功能需求和绿色环保理念，是国际上首艘满足极地规则、具有艏艉双向破冰能力的新一代PC3级科考破冰船，船上配有完备的海洋和冰区科考设备，显著提升了我国在两极的科考能力（吴刚，2021）。作为我国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船，“雪龙2”号标志着我国极地科考装备迈入独立建设的新时代，也为我国后续开发系列重型破冰船，乃至核动力破冰船奠定了坚实的研究基础。2019年10月15日，“雪龙2”号在我国第36次南极科学考察期间首航南极，与“雪龙”号携手开启“双龙探极”时代（图1.1.3），成功执行冰芯取样、海冰物理力学性质试验、船体冰载荷监测识别、艏艉双向破冰等多项科考任务，为极地船舶的结构抗冰设计、冰激疲劳分析和安全航行操作提供了科学依据。
　　2）漂流站
　　科考船在常年连续观测方面的局限性，使基于漂移平台的长期冰站考察的必要性逐渐显现。冰站观测也是研究北冰洋气–冰–海相互作用过程的最直接和最有效手段。苏联自1937年就开始实施北极浮冰站建设计划。1997年，美国自然科学基金委员会支持的SHEBA冰站观测项目获得了最为完备的北冰洋气–冰–海相互作用过程全冰季观测数据，并沿用至今。以德国AWI研究所为首于2015年提议了一项庞大的北极气候研究多学科漂流冰站项目MOSAiC。该项目依托德国的“极星”号破冰船，于2020～2021年成功实施，获得了一年的多学科综合观测数据，是北冰洋中央区域最为全面的观测计划（雷瑞波，2020）。
　　随着北极海冰的减少和变薄，在冰上建立营地实施漂流冰站观测计划越来越困难。2017年，俄罗斯政府决定建造一艘新型考察平台——“北极”号抗冰自航漂流站（IRSPP），如图1.1.4所示。其可为北极科学考察提供更可靠的观测平台，通过搭载先进的现代化极地海洋考察装备，为科学家考察期间提供更为舒适的工作和生活场所，同时规避在冰上建立营地的风险。该漂流平台可在北极高纬度海域全年开展复杂的科学研究，为提高北极环境的认知提供广泛的越冬考察数据。该极地漂流站还计划安装冰载荷监测系统，为极地装备的冰载荷特性研究和冰激疲劳损伤分析提供可靠依据（Svistunov et al.，2019）。
　　1.1.2渤海冰区及极地油气开发中的冰载荷问题
　　海洋油气的勘探开发是我国能源事业的重要组成部分，随着市场需求的不断增加，海洋油气开发的目光逐渐由渤海转移到极地。亚马尔液化天然气（LNG）项目的开启成为我国参与极地资源勘采的重要契合点，虽然我国在渤海冰区油气开发中积累了大量经验，但极地油气勘探、生产、运输和安全保障等重大设备设计建造能力的不足，仍严重制约了我国极地油气资源的开发。