轻量化技术：船舶与港口装备的未来趋势

水路运输利用船舶等工具，通过水域通道实现货物和人员的运输，具有运量大、成本低的优势，占据运输体系重要位置。中国水运货运周转量占全国总量的53%。船舶和港口装备是水路运输的核心，负责货物的装卸和转移。船舶和港口装备的功能包括载重、托运、起吊和输送，通常需要大型机械和高功率装置，导致它们具有大吨位和高耗能的特点。为了提高效率和降低成本，装备轻量化技术成为关键，包括材料轻量化和结构轻量化两个方向。轻量化技术通过使用新型轻质材料和优化设计，可以降低重量、提高性能，满足新时代的发展需求。轻量化技术已在多个领域展现潜力，但在船舶与港口装备领域尚需系统研究。

1概述

船舶装备的主要构成包括船舶、港口设施和辅助设备。如图1所示，船舶种类多样，包括货船、油轮等，其船体结构由船壳、龙骨等组成，现代船舶多用高强度钢材和复合材料，以抵抗海水腐蚀。船壳常用防腐涂层或耐腐蚀金属，以延长使用寿命。港口设施包括码头、堆场、仓库和装卸设备，码头通常采用钢筋混凝土或钢结构，现代港口多用自动化装卸设备，如集装箱起重机，以提高效率和降低成本。堆场和仓库是货物存储的重要设施，堆场用高强度混凝土，仓库多为钢结构，具备防火、防潮和保温性能。

图1 船舶与港口装备运行环境特点

船舶与港口装备的运行环境复杂，对材料的环境适应性要求严格。海洋环境中的盐雾和海水对金属材料腐蚀作用强，海洋生物附着会增加船体阻力，降低航速。材料需具备抗紫外线性能，以延长使用寿命。船舶与港口装备还需应对极端温度环境，材料需具备耐高温和低温性能。船舶与港口装备可能受到冲击和振动的作用，因此材料需要具备良好的抗冲击、振动性能。风载荷是船舶与港口装备在运行中面临的重要环境因素，材料和结构设计需考虑风载荷的影响。此外，船舶与港口装备还需应对频繁的湿热、冰雪等环境。冰层撞击可能导致结构损坏，材料需具备有抗冰冲击性能，确保其在低温下不发生脆性断裂。

船舶与港口装备的材料及结构性能需求严格，材料的选择和结构设计影响装备的性能和寿命，还关系到作业的安全性和效率。材料的基本性能需求包括力学性能、耐腐蚀性能、疲劳性能和韧性。船舶与港口装备结构设计需考虑负荷分布、应力集中、重量优化和安全冗余。合理的负荷分布和优化的载荷路径设计能提高结构的承载能力和稳定性。轻量化设计在满足强度和刚度的前提下，采用高强度合金和复合材料，显著减轻装备重量，提高性能并降低能耗。安全冗余设计确保在意外情况下结构仍能安全运行。此外，材料需具备有良好的环境适应性，包括海洋环境、气候环境和机械环境适应性。高耐腐蚀性和防海洋生物附着材料可以延长使用寿命，抗紫外线、耐高温和低温性能确保了材料在极端环境中稳定运行,抗冲击和抗振动性能保障了设备在高冲击和振动环境中稳定性。在开展船舶与港口装备轻量化过程中需综合考虑其材料及结构的性能需求。

综上所述，船舶与港口装备对材料及结构性能的要求极为严格。在推进这些装备的轻量化进程中，必须全面考虑材料和结构的性能需求。高分子材料的分子量分布广泛，分子链结构复杂，这为通过调整分子量分布或改变分子结构（如主链结构、侧基、交联度等）来优化性能提供了可能。此外，将高分子基体与轻质填料或增强材料相结合，可以制备出轻质高分子复合材料。轻质高分子复合材料因其低密度、高强度、高韧性、耐磨性和耐腐蚀性而备受青睐。这些材料不仅强度高，而且密度低，机械性能卓越，已经在汽车、航空航天、体育器材等多个领域得到广泛应用。

2轻质高分子复合材料

在船舶领域，特别是船体结构中，高分子复合材料的应用日益增多。常见的高分子基体包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)和聚乙烯亚胺(PEI)等。而常用的增强材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、天然纤维、石墨烯和MXene等二维纳米材料。根据所选高分子基体和增强材料的类型，轻质高分子复合材料的制备方法主要包括熔融共混法、纤维缠绕、真空袋法和逐层组装法等。由于高分子复合材料具有质量轻、强度高的特点，它们常被用于船舶壳体结构的制造，有效减少船舶吃水深度，提高航速。例如，Daekyun等人制备了一种碳纤维复合层板，通过优化层板纤维含量，使得高速艇的船体质量减轻了12.5%，同时保持了船体的强度。Neser等人采用含有15%质量分数长碳纤维的高分子聚乙烯复合材料，制备了1/14比例的船舶螺旋桨，与金属螺旋桨相比，重量减轻了60%。

此外，由泡沫塑料、木质、蜂窝芯材等夹芯与聚合物构成的夹层材料，能够在减轻全复合式气垫船重量的同时，提升燃料经济性。Balkoǎlu等人使用聚氯乙烯泡沫、E-玻璃纤维、松木/白蜡木、双酚A环氧乙烯基酯树脂制备了一种可用于船舶甲板及舱壁板的夹层复合材料，与常规甲板夹层相比，其质量显著降低。在港口装备轻量化设计方面，张宏山等人采用新型聚氨酯复合材料制造了煤炭输送机滚筒包胶，发现滚筒的耐磨性能明显优于天然橡胶，并且整体质量也有所下降。李复懿等人比较了纤维绳与钢丝绳在起重机起升中的应用效果，认为纤维绳具有自重轻、不易产生剪切破坏和摩擦磨损、抗弯曲疲劳性能与耐腐蚀性能优良等优点，在起重机的起重绳选择中具有良好的应用前景。

图2 轻质高分子复合材料的制备方法

3结构轻量化技术

1）轻量化结构的设计技术

传统船舶和港口设施的重型结构设计不仅具有高昂的建造和运营成本，也加大了能源的消耗量。为了应对这些挑战，轻量化结构设计技术应运而生，其专注于通过优化船舶与港口装备结构的尺寸、形状等特征参数来实现装备的轻量化。轻量化结构设计技术的关键在于通过智能化设计和计算优化，简化结构组件，减少冗余部件，从而降低装备的自重。目前轻量化结构设计技术根据不同的设计变量类型，通常可以分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化及其他优化方法。

2）轻量化结构的成型技术

在前述轻量化结构设计技术的基础上，通过进一步优化轻量化结构的成型技术，我们可以在确保结构完整性和机械强度满足要求的同时，降低基体积、重量和建造成本。这已成为船舶与港口装备轻量化技术发展的关键问题。由于轻量化结构设计趋向于多功能、小体积的复杂结构，这为轻量化结构成型技术提出了更高的要求。为了实现复杂结构的成型，轻量化结构成型技术已从传统的金属切削、浇铸成型等方式，转变为增材制造、复合材料制造等新型成型手段。部分产品甚至采用多技术、多工艺的协同成型技术。

增材制造技术是当前流行的轻量化结构成型技术之一。它能够实现制造部件的一体化设计及制造，从而改变了传统的拼接、焊接等制造模式和理念。增材制造技术被誉为“第三次工业革命”的核心技术，并且是《中国制造2025》计划的重要发展方向。增材制造技术包括3D打印技术、激光技术、固相增材技术及电弧熔丝制造技术等，它具有制造灵活性强、生产效率高、原材料用量少、适配度高等优势。这使得它能够应对大部分复杂结构的制造需求，并且可以缩短验证周期。同时，增材制造技术减少了制造部件内部连接不紧密、连接件损坏的风险。

早在2014年，美国海军就已经在部分大型船舶和舰船上装备了3D打印机，以供随时进行3D打印成型，制备船用零件。2017年，荷兰达门船厂利用3D打印成型技术，设计并制造了一个直径达到1.3米的船用推进螺旋桨。这不仅复刻了螺旋桨的复杂结构，而且成为首个通过船级社要求的船用螺旋桨。王华明等在国内率先突破了钛合金大型复杂整体关键构件的激光增材成形技术，能够制造较大尺寸的产品，并已应用于多种大型航空装备的研制。Cai et al.利用激光选区熔化技术，制备了泡沫材料的仿生多孔结构，使原有材料体积减少了68%。美国MOOG公司同样利用激光选区熔化技术开发了航空用液压管，将管内复杂流道进行统一集中设计并成型，实现了部件的轻量化，同时保留了其高性能及可靠性。Geope等将固相增材技术运用到了结构板的制备中，不仅减轻了结构板的用材量和重量，同时在结构板内部实现了复杂且精确的多层叠加结构。Cunningham等将电弧熔丝运用在高强度铝合金上，制造了重达300公斤的大型起落架支撑设备。综合来看，增材制造技术因其成型精度高、效率高和原料用量少等特点，在船舶与港口装备轻量化的发展中具有重要的应用前景。

3）复合材料轻量化结构技术

复合材料轻量化结构技术涉及将纤维材料等多样材料通过铺放、缠绕、编织等方法成型为复合材料。这种技术不仅实现了材料的融合以减少体积，而且结合了各类材料的优势，更好地满足了轻量化结构设计的需求，并在新型材料成型技术中得到了广泛应用。例如，洛克希德·马丁公司采用编织成型技术制造F-35战斗机的进气道，从而省去了壳体的紧固件和钢钉，实现了结构的轻量化和材料的节约。

复合材料轻量化结构成型技术在船舶和港口装备领域的应用正日益广泛。诸如美国和欧洲等造船业的强国，早已开始采用纤维增强材料来替代合金材料，用于制造螺旋桨和船舾件等关键船用部件，从而显著减轻了部件的重量。在中国，复合材料轻量化技术在船舶和港口装备领域的进展同样迅猛。琚裕波的报道指出，2021年全球船舶领域对碳纤维的需求量大约为1.5千吨（kt），预计到2025年这一数字将增长至2.2千吨。全球船舶领域碳纤维需求的增长趋势如图3所示。2021年，广东中威复合材料有限公司成功下水了全碳纤维结构的高速客轮“海珠湾”号。这艘船全长超过40米，成为亚洲首艘采用纤维材料实现轻量化结构成型的高速客船。它不仅在材料上用碳纤维复合材料取代了传统的铝合金材料，从而减轻了船体重量，还采用了先进的整体成型技术，减少了传统部件的拼接，实现了结构的轻量化。这使得航行时的燃油消耗降低了30%。此外，广东中威复合材料有限公司还参与了另一艘碳纤维高速客船“新明珠3”的建造工作，该船预计将于2024年12月底完工并交付使用，将服务于中国香港的水域客运交通。这进一步证明了该公司在碳纤维船舶制造领域的领先地位。

图3 船舶领域对碳纤维需求趋势

此外，复合材料结构编织制造技术、连续纤维打印技术以及金属近净成型技术等轻量化结构成型技术也在多个领域得到了广泛应用，以适应不同领域对材料结构轻量化的需求。

轻量化结构成型技术不再局限于单一技术的自我发展，而是与其他技术相结合，共同进步，发挥各自的优势，为结构成型发挥重要作用。随着工业的快速发展，轻量化结构设计及成型技术在航空航天、汽车设计等领域展现了显著的优势，并已得到广泛应用。这些技术不仅提升了装备性能，降低了成本，还推动了环境友好型工程解决方案的实现。在船舶与港口装备方面，轻量化结构设计及成型技术也开始逐渐扩大其影响。此外，结构轻量化技术还在防空导弹、火箭设计、高速列车、土木工程等领域得到了广泛应用。

图4 轻量化结构设计与成型技术

4船舶行业装备未来发展

工业和信息化部等五部委联合发布了关于推动船舶绿色智能发展的指导意见，明确指出通过型线优化、船机桨匹配以及轻量化技术等工程应用，是提高绿色智能船舶产业水平的有效手段。与此同时，交通运输部亦提出了建设世界顶级港口的指导方针，强调了“重点推动成本降低与效率提升，以及绿色、智慧、安全的发展方向”，而港口装备的轻量化发展正是实现这些目标的关键技术路径。综合分析，船舶与港口装备轻量化技术的发展趋势如图5所示。

图5 船舶与港口装备轻量化技术发展趋势

1）材料轻量化技术

材料轻量化技术在船舶和港口装备中的应用正迅速发展，主要涉及高强度钢、铝合金、镁合金等轻质金属材料和高性能高分子复合材料。这些材料具有轻质、高强度和耐腐蚀等特点，已在航空航天、汽车工业等领域广泛应用，并适合用于高性能船舶和港口装备。未来的发展应聚焦于优化设计技术，开发适合远洋运输和大型港口设备的复合材料，注重材料的可再生性和生物降解性以满足环保和可持续发展的需求。

制造工艺方面，需要发展先进的轻量化材料制造工艺以实现大尺寸结构件生产和降低材料制造成本。目前，激光焊接、高压铸造、内高压成形及辊压成形等工艺得到优化，3D打印技术、增材制造技术、自动化焊接技术等在快速制造复杂几何形状材料方面具有重要意义，但精度需进一步提高。发展先进的制造工艺也是降低制造成本的重要途径，如直接铸造成型一体化技术和新型树脂基体的开发。

建立相应的应用标准和规范对于确保材料应用的安全性和可靠性至关重要，有助于促进轻量化材料在全球范围内的广泛使用。中国船级社和国际海事组织(IMO)正在制定铝合金和复合材料等轻量化材料在海洋工程中的应用标准，涵盖机械性能、耐腐蚀性能、焊接工艺要求等方面。随着技术的发展和应用，建设船舶与港口装备轻量化材料的应用标准和规范是未来的必然趋势。

2）结构轻量化技术

为了满足船舶和港口设备对结构轻量化的需求，针对这些设备的尺寸、形状、拓扑等结构优化设计方法，以及增材制造和复合材料制造技术等轻量化结构成型技术，已经经历了快速的发展。当前，轻量化设计技术已被广泛应用于船舶和港口设备的设计，包括船舶中剖面纵向构件、横向构件以及舱壁结构的优化设计。此外，轻量化结构成型技术也逐渐被用于船体制造和船舶与港口设备零部件的生产。结构轻量化技术已经成为船舶和港口装备轻量化技术的一个关键方向，尽管在创新应用方面仍面临重大挑战。

随着现代工程的迅速发展，船舶与港口装备的结构轻量化设计技术正面临新的挑战和机遇。当前，尽管已有多种轻量化设计技术应用于船体、履带式起重机管架和船舶柴油机等装备，但这些技术多为单一优化对象，缺乏系统间的综合考虑。未来的发展趋势是开发面向多对象的结构轻量化设计技术，通过尺寸、形状、拓扑等方法，实现船舶与港口装备各系统整体质量的降低，同时保证工作可靠性。此外，船舶与港口装备在设计时不仅要考虑力学性能和工作性能，还需兼顾隔水、防热、减振、降噪、防磁等多功能需求，以确保装备的使役寿命。因此，基于多功能需求的结构-功能一体轻量化设计技术将成为未来的重要发展方向。

轻量化结构成型技术在船舶与港口装备中的应用也面临精度和检测准确度的挑战。提高制造精度、实现复杂结构的快速制造，并拓展其应用范围，是轻量化结构成型技术的发展目标。同时，开发更为先进的轻量化结构成型技术，优化微观结构的成型技术，并结合宏观大尺度装备的制造，是实现船舶与港口装备结构轻量化的重要方向。

轻量化技术在多个领域取得了显著进展，但仍面临新材料高成本和加工难度等挑战。结合增材制造技术与轻量化设计是未来的一个新趋势。未来研究方向包括多学科交叉仿生轻量化、智能算法应用和多目标优化技术。这些技术进步将推动低碳、节能、环保的发展理念。结构轻量化技术通过多种方法在多个领域实现了性能提升和成本节约，其应用范围和效果将进一步扩大。新材料设计、制备、新结构和新成型工艺是船舶与港口装备轻量化的重要手段。随着环境政策和国家计划的要求，船舶与港口装备轻量化技术需进一步提高。未来发展方向包括轻量化材料、制造工艺、应用标准和规范，以及结构轻量化设计技术、结构-功能一体化设计技术和轻量化结构精度控制技术。

[1]郭智威,吴祖旻,饶响,等.船舶与港口装备轻量化技术的研究现状与展望[J].现代交通与冶金材料,2024,4(06):1-14.

[2]琚裕波,李智,柏挺,等.低成本碳纤维的研究进展与应用[J].工程塑料应用,2023,51(11):181-186.