船舶采用铝合金上层建筑是实现船舶结构轻量化制造的发展趋势。铝合金上层建筑与钢质船体连接的铝/钢复合结构的可靠性主要取决于铝-钢过渡接头。但由于异种金属间的物理特性差异和冶金不相容性,现使用的铝/钢复合结构在焊接制造及服役过程中,容易出现过渡接头发生开裂的重大安全隐患,严重影响船舶复合结构的安全服役性能。单纯依靠增加复合过渡接头的宽度和调控焊接工艺参数尚未解决铝/钢复合结构开裂问题,制约了复合结构的广泛应用。首先,本文基于铝-钢复合过渡接头具有拉/剪强度相当的特性,提出了船舶铝/钢复合连接结构拉-剪双承载模式,即将铝-钢过渡接头的承载模式从传统的正向拉伸承载模式改变为拉伸与剪切共同作用模式,复合过渡接头倾斜角度由复合界面处的拉伸强度与剪切强度确定()。数值模拟研究表明,拉-剪双承载模式能够将铝/钢复合结构承受拉伸负荷能力提高27%;并经试验验证,该模式将铝/钢复合结构的抗拉应力从256 MPa提高到306 MPa,承载能力提高了20%以上。然后,通过数值模拟发现,复合连接结构角焊缝焊接时铝-钢界面处产生较高温度且温度场非均匀分布,从而导致界面抗拉强度不同程度降低,影响铝/钢复合结构可靠性。本文首次提出了基于力学性能非均匀性的复合过渡接头确定方法,即基于抗拉强度随温度变化关系来确定非均匀温度分布的复合界面分区特征,进而准确计算复合过渡接头宽度尺寸。通过该方法确定铝板厚度为4 mm时,过渡接头宽度应取24 mm,并经拉伸试验证明,复合过渡接头界面承载能力满足要求,且断裂于复合连接结构角焊缝处。最后,通过数值模拟方法研究了复合连接结构中残余应力与外载荷应力分布特征并确定了复合界面的危险区域。模拟结果表明,外载荷和残余应力两者共同作用时,铝-钢复合界面两端应力值会接近加热后界面的结合强度,因而提出了在铝-钢过渡接头复合界面危险区域布置阶梯式榫接形式“焊-榫”结构的设计方法,从而提高铝-钢过渡接头复合界面承载能力。经数值模拟表明,阶梯式榫接形式“焊-榫”结构可完全承受残余应力与外载荷的共同作用。