超大型集装箱船(Ultra Large Container Ship-ULCS)被认为是现代航运业中最具有代表性的高科技产品之一,与一般集装箱船相比其具有更大的甲板开口、更高的航速、更高的稳定性要求以及更多高强钢的使用等特点。当船舶在恶劣海况中航行时,船舶的运动状态及其承受的载荷种类多种多样,各种运动形式和载荷作用也将呈现出高度耦合的特点。在这种环境下,波浪与船舶运动的相互作用使船体梁承受的载荷不再是单一状态,而是不同的载荷在最危险工况下的联合作用。超大型集装箱船的甲板大开口特殊结构形式,使得船体舱段抗扭刚度明显降低。因此,当评估超大型集装箱船船体结构强度时,不仅需要考虑船体结构抵抗垂向弯曲变形的能力,还需要对船体结构抵抗扭转变形的能力进行相应的评估分析,以及分析扭转载荷对船体梁极限强度带来的附加效应,即需要研究联合载荷作用下船体结构的极限承载能力。在众多的船体梁极限强度评估方法中,试验技术方法是最为可靠的。但是从客观实际情况尤其是从经济成本的角度出发,对实船直接进行极限强度试验显然是不可行的,所以在船舶极限强度试验中通常使用缩尺相似模型。因此设计出与实船相似并且能够反映实船在极限载荷作用下破坏机理的缩尺模型在极限强度模型试验中特别重要。本文针对上述超大型集装箱船船体结构在联合载荷作用下极限强度的研究所面临的问题,具体开展了以下工作:(1)研究了超大型集装箱船在弯扭联合载荷作用下的极限强度模型试验相似准则,考虑了典型横剖面的几何相似,包括中和轴的位置、剖面模数、抗扭截面系数以及关于中和轴的惯性矩和极惯性矩,同时也考虑了船体局部结构的屈曲和极限强度相似,以及考虑了船体梁整体结构的极限强度的相似,包括弯曲极限强度、扭转极限强度以及弯扭联合载荷作用下的极限强度相互作用关系,使试验模型和实船在船体梁整个逐步破坏过程中都相似,旨在可以通过该相似准则设计与实船相似的缩尺模型用以开展超大型集装箱船弯曲、扭转以及弯扭联合载荷作用下的极限强度模型试验。(2)研究了超大型集装箱船船体梁弯曲极限强度模型试验,详细介绍了试验流程和试验结果,同时又结合非线性有限元分析方法详细研究了超大型集装箱船在纯弯作用下的破坏机理。通过中和轴的位置、极限强度值以及船体梁逐步破坏顺序三方面的数值计算与试验结果的对比,验证了非线性有限元分析方法的合理性与有效性。(3)研究了超大型集装箱船船体梁扭转极限强度模型试验,详细介绍了试验流程和试验结果,并结合非线性有限元方法详细研究了超大型集装箱船在纯扭作用下的破坏机理。此外本文提出一个模型纯扭转施加装置,解决了模型在扭转时因非线性力学行为产生的附加侧向力问题,既将纯扭载荷施加到试验模型上,也保护油缸在试验过程中免于损坏。(4)通过对比一般集装箱船和超大型集装箱船的弯曲和扭转极限强度,归纳总结了超大型集装箱船的极限强度特点。在集装箱船扭转过程中剪切破坏和翘曲破坏是其主要崩溃模式,前者因为扭转时船体梁受到剪应力作用,后者则因为集装箱船船体梁是变截面梁,扭转时变截面处有翘曲应力的存在。因此,本文分析了超大型集装箱船扭转过程中两个破坏模式的区别和产生原因。(5)分析了超大型集装箱船在恶劣海况中航行时,船体梁在垂向弯矩、水平弯矩以及扭矩三种载荷联合作用下的极限强度,并提出了描述船体梁三维极限强度安全区域的方法,以及包含初始缺陷的超大型集装箱船在三向载荷联合作用下的船体梁极限强度预测公式。本文的主要创新点归纳如下:(1)通过弯扭联合载荷作用下超大型集装箱船船体梁的破坏机理研究,并在几何线性相似理论的基础上引入局部结构强度相似的概念,提出了超大型集装箱船弯扭联合载荷作用下极限强度模型试验相似准则,改善了相似模型和实船之间逐步破坏过程中非线性阶段的相似性,提高了通过模型试验评估实船失效模式及极限强度的能力。(2)基于满足与实船弯扭联合载荷作用下极限强度相似的同一模型,首次开展了超大型集装箱船弯曲极限强度模型试验和扭转极限强度模型试验,并结合数值仿真分析方法详细阐述了超大型集装箱弯曲和扭转极限强度特点,为研究超大型集装箱船在联合载荷作用下的极限强度模型试验奠定了基础。(3)系统性研究了超大型集装箱船在三向载荷联合作用下的极限强度相互作用关系,首次提出了表征含有初始缺陷的超大型集装箱船三维极限强度安全区域公式,评估了复杂载荷作用下超大型集装箱船的极限强度,为船舶设计提供方法性指导。