水路運(yùn)輸利用船舶等工具，通過(guò)水域通道實(shí)現(xiàn)貨物和人員的運(yùn)輸，具有運(yùn)量大、成本低的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)運(yùn)輸體系重要位置。中國(guó)水運(yùn)貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量占全國(guó)總量的53%。船舶和港口裝備是水路運(yùn)輸的核心，負(fù)責(zé)貨物的裝卸和轉(zhuǎn)移。船舶和港口裝備的功能包括載重、托運(yùn)、起吊和輸送，通常需要大型機(jī)械和高功率裝置，導(dǎo)致它們具有大噸位和高耗能的特點(diǎn)。為了提高效率和降低成本，裝備輕量化技術(shù)成為關(guān)鍵，包括材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩個(gè)方向。輕量化技術(shù)通過(guò)使用新型輕質(zhì)材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低重量、提高性能，滿足新時(shí)代的發(fā)展需求。輕量化技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，但在船舶與港口裝備領(lǐng)域尚需系統(tǒng)研究。

1概述

船舶裝備的主要構(gòu)成包括船舶、港口設(shè)施和輔助設(shè)備。如圖1所示，船舶種類多樣，包括貨船、油輪等，其船體結(jié)構(gòu)由船殼、龍骨等組成，現(xiàn)代船舶多用高強(qiáng)度鋼材和復(fù)合材料，以抵抗海水腐蝕。船殼常用防腐涂層或耐腐蝕金屬，以延長(zhǎng)使用壽命。港口設(shè)施包括碼頭、堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)和裝卸設(shè)備，碼頭通常采用鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代港口多用自動(dòng)化裝卸設(shè)備，如集裝箱起重機(jī)，以提高效率和降低成本。堆場(chǎng)和倉(cāng)庫(kù)是貨物存儲(chǔ)的重要設(shè)施，堆場(chǎng)用高強(qiáng)度混凝土，倉(cāng)庫(kù)多為鋼結(jié)構(gòu)，具備防火、防潮和保溫性能。

圖1 船舶與港口裝備運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)

船舶與港口裝備的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)材料的環(huán)境適應(yīng)性要求嚴(yán)格。海洋環(huán)境中的鹽霧和海水對(duì)金屬材料腐蝕作用強(qiáng)，海洋生物附著會(huì)增加船體阻力，降低航速。材料需具備抗紫外線性能，以延長(zhǎng)使用壽命。船舶與港口裝備還需應(yīng)對(duì)極端溫度環(huán)境，材料需具備耐高溫和低溫性能。船舶與港口裝備可能受到?jīng)_擊和振動(dòng)的作用，因此材料需要具備良好的抗沖擊、振動(dòng)性能。風(fēng)載荷是船舶與港口裝備在運(yùn)行中面臨的重要環(huán)境因素，材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮風(fēng)載荷的影響。此外，船舶與港口裝備還需應(yīng)對(duì)頻繁的濕熱、冰雪等環(huán)境。冰層撞擊可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，材料需具備有抗冰沖擊性能，確保其在低溫下不發(fā)生脆性斷裂。

船舶與港口裝備的材料及結(jié)構(gòu)性能需求嚴(yán)格，材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響裝備的性能和壽命，還關(guān)系到作業(yè)的安全性和效率。材料的基本性能需求包括力學(xué)性能、耐腐蝕性能、疲勞性能和韌性。船舶與港口裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮負(fù)荷分布、應(yīng)力集中、重量?jī)?yōu)化和安全冗余。合理的負(fù)荷分布和優(yōu)化的載荷路徑設(shè)計(jì)能提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。輕量化設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，采用高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料，顯著減輕裝備重量，提高性能并降低能耗。安全冗余設(shè)計(jì)確保在意外情況下結(jié)構(gòu)仍能安全運(yùn)行。此外，材料需具備有良好的環(huán)境適應(yīng)性，包括海洋環(huán)境、氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性。高耐腐蝕性和防海洋生物附著材料可以延長(zhǎng)使用壽命，抗紫外線、耐高溫和低溫性能確保了材料在極端環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行,抗沖擊和抗振動(dòng)性能保障了設(shè)備在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中穩(wěn)定性。在開(kāi)展船舶與港口裝備輕量化過(guò)程中需綜合考慮其材料及結(jié)構(gòu)的性能需求。

綜上所述，船舶與港口裝備對(duì)材料及結(jié)構(gòu)性能的要求極為嚴(yán)格。在推進(jìn)這些裝備的輕量化進(jìn)程中，必須全面考慮材料和結(jié)構(gòu)的性能需求。高分子材料的分子量分布廣泛，分子鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這為通過(guò)調(diào)整分子量分布或改變分子結(jié)構(gòu)（如主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)基、交聯(lián)度等）來(lái)優(yōu)化性能提供了可能。此外，將高分子基體與輕質(zhì)填料或增強(qiáng)材料相結(jié)合，可以制備出輕質(zhì)高分子復(fù)合材料。輕質(zhì)高分子復(fù)合材料因其低密度、高強(qiáng)度、高韌性、耐磨性和耐腐蝕性而備受青睞。這些材料不僅強(qiáng)度高，而且密度低，機(jī)械性能卓越，已經(jīng)在汽車、航空航天、體育器材等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2輕質(zhì)高分子復(fù)合材料

在船舶領(lǐng)域，特別是船體結(jié)構(gòu)中，高分子復(fù)合材料的應(yīng)用日益增多。常見(jiàn)的高分子基體包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亞胺(PI)和聚乙烯亞胺(PEI)等。而常用的增強(qiáng)材料有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、天然纖維、石墨烯和MXene等二維納米材料。根據(jù)所選高分子基體和增強(qiáng)材料的類型，輕質(zhì)高分子復(fù)合材料的制備方法主要包括熔融共混法、纖維纏繞、真空袋法和逐層組裝法等。由于高分子復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，它們常被用于船舶殼體結(jié)構(gòu)的制造，有效減少船舶吃水深度，提高航速。例如，Daekyun等人制備了一種碳纖維復(fù)合層板，通過(guò)優(yōu)化層板纖維含量，使得高速艇的船體質(zhì)量減輕了12.5%，同時(shí)保持了船體的強(qiáng)度。Neser等人采用含有15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)長(zhǎng)碳纖維的高分子聚乙烯復(fù)合材料，制備了1/14比例的船舶螺旋槳，與金屬螺旋槳相比，重量減輕了60%。

此外，由泡沫塑料、木質(zhì)、蜂窩芯材等夾芯與聚合物構(gòu)成的夾層材料，能夠在減輕全復(fù)合式氣墊船重量的同時(shí)，提升燃料經(jīng)濟(jì)性。Balkoǎlu等人使用聚氯乙烯泡沫、E-玻璃纖維、松木/白蠟?zāi)尽㈦p酚A環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂制備了一種可用于船舶甲板及艙壁板的夾層復(fù)合材料，與常規(guī)甲板夾層相比，其質(zhì)量顯著降低。在港口裝備輕量化設(shè)計(jì)方面，張宏山等人采用新型聚氨酯復(fù)合材料制造了煤炭輸送機(jī)滾筒包膠，發(fā)現(xiàn)滾筒的耐磨性能明顯優(yōu)于天然橡膠，并且整體質(zhì)量也有所下降。李復(fù)懿等人比較了纖維繩與鋼絲繩在起重機(jī)起升中的應(yīng)用效果，認(rèn)為纖維繩具有自重輕、不易產(chǎn)生剪切破壞和摩擦磨損、抗彎曲疲勞性能與耐腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在起重機(jī)的起重繩選擇中具有良好的應(yīng)用前景。

圖2 輕質(zhì)高分子復(fù)合材料的制備方法

3結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

1）輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)船舶和港口設(shè)施的重型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅具有高昂的建造和運(yùn)營(yíng)成本，也加大了能源的消耗量。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其專注于通過(guò)優(yōu)化船舶與港口裝備結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀等特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝備的輕量化。輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)智能化設(shè)計(jì)和計(jì)算優(yōu)化，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)組件，減少冗余部件，從而降低裝備的自重。目前輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)變量類型，通?？梢苑譃槌叽鐑?yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化及其他優(yōu)化方法。

2）輕量化結(jié)構(gòu)的成型技術(shù)

在前述輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化輕量化結(jié)構(gòu)的成型技術(shù)，我們可以在確保結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械強(qiáng)度滿足要求的同時(shí)，降低基體積、重量和建造成本。這已成為船舶與港口裝備輕量化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。由于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向于多功能、小體積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這為輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型，輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)已從傳統(tǒng)的金屬切削、澆鑄成型等方式，轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾闹圃?、?fù)合材料制造等新型成型手段。部分產(chǎn)品甚至采用多技術(shù)、多工藝的協(xié)同成型技術(shù)。

增材制造技術(shù)是當(dāng)前流行的輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)之一。它能夠?qū)崿F(xiàn)制造部件的一體化設(shè)計(jì)及制造，從而改變了傳統(tǒng)的拼接、焊接等制造模式和理念。增材制造技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)，并且是《中國(guó)制造2025》計(jì)劃的重要發(fā)展方向。增材制造技術(shù)包括3D打印技術(shù)、激光技術(shù)、固相增材技術(shù)及電弧熔絲制造技術(shù)等，它具有制造靈活性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、原材料用量少、適配度高等優(yōu)勢(shì)。這使得它能夠應(yīng)對(duì)大部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造需求，并且可以縮短驗(yàn)證周期。同時(shí)，增材制造技術(shù)減少了制造部件內(nèi)部連接不緊密、連接件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

早在2014年，美國(guó)海軍就已經(jīng)在部分大型船舶和艦船上裝備了3D打印機(jī)，以供隨時(shí)進(jìn)行3D打印成型，制備船用零件。2017年，荷蘭達(dá)門船廠利用3D打印成型技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)直徑達(dá)到1.3米的船用推進(jìn)螺旋槳。這不僅復(fù)刻了螺旋槳的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且成為首個(gè)通過(guò)船級(jí)社要求的船用螺旋槳。王華明等在國(guó)內(nèi)率先突破了鈦合金大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材成形技術(shù)，能夠制造較大尺寸的產(chǎn)品，并已應(yīng)用于多種大型航空裝備的研制。Cai et al.利用激光選區(qū)熔化技術(shù)，制備了泡沫材料的仿生多孔結(jié)構(gòu)，使原有材料體積減少了68%。美國(guó)MOOG公司同樣利用激光選區(qū)熔化技術(shù)開(kāi)發(fā)了航空用液壓管，將管內(nèi)復(fù)雜流道進(jìn)行統(tǒng)一集中設(shè)計(jì)并成型，實(shí)現(xiàn)了部件的輕量化，同時(shí)保留了其高性能及可靠性。Geope等將固相增材技術(shù)運(yùn)用到了結(jié)構(gòu)板的制備中，不僅減輕了結(jié)構(gòu)板的用材量和重量，同時(shí)在結(jié)構(gòu)板內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜且精確的多層疊加結(jié)構(gòu)。Cunningham等將電弧熔絲運(yùn)用在高強(qiáng)度鋁合金上，制造了重達(dá)300公斤的大型起落架支撐設(shè)備。綜合來(lái)看，增材制造技術(shù)因其成型精度高、效率高和原料用量少等特點(diǎn)，在船舶與港口裝備輕量化的發(fā)展中具有重要的應(yīng)用前景。

3）復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)

復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)涉及將纖維材料等多樣材料通過(guò)鋪放、纏繞、編織等方法成型為復(fù)合材料。這種技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了材料的融合以減少體積，而且結(jié)合了各類材料的優(yōu)勢(shì)，更好地滿足了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，并在新型材料成型技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，洛克希德·馬丁公司采用編織成型技術(shù)制造F-35戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道，從而省去了殼體的緊固件和鋼釘，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化和材料的節(jié)約。

復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)在船舶和港口裝備領(lǐng)域的應(yīng)用正日益廣泛。諸如美國(guó)和歐洲等造船業(yè)的強(qiáng)國(guó)，早已開(kāi)始采用纖維增強(qiáng)材料來(lái)替代合金材料，用于制造螺旋槳和船舾件等關(guān)鍵船用部件，從而顯著減輕了部件的重量。在中國(guó)，復(fù)合材料輕量化技術(shù)在船舶和港口裝備領(lǐng)域的進(jìn)展同樣迅猛。琚裕波的報(bào)道指出，2021年全球船舶領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量大約為1.5千噸（kt），預(yù)計(jì)到2025年這一數(shù)字將增長(zhǎng)至2.2千噸。全球船舶領(lǐng)域碳纖維需求的增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖3所示。2021年，廣東中威復(fù)合材料有限公司成功下水了全碳纖維結(jié)構(gòu)的高速客輪“海珠灣”號(hào)。這艘船全長(zhǎng)超過(guò)40米，成為亞洲首艘采用纖維材料實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)成型的高速客船。它不僅在材料上用碳纖維復(fù)合材料取代了傳統(tǒng)的鋁合金材料，從而減輕了船體重量，還采用了先進(jìn)的整體成型技術(shù)，減少了傳統(tǒng)部件的拼接，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。這使得航行時(shí)的燃油消耗降低了30%。此外，廣東中威復(fù)合材料有限公司還參與了另一艘碳纖維高速客船“新明珠3”的建造工作，該船預(yù)計(jì)將于2024年12月底完工并交付使用，將服務(wù)于中國(guó)香港的水域客運(yùn)交通。這進(jìn)一步證明了該公司在碳纖維船舶制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

圖3 船舶領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求趨勢(shì)

此外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)編織制造技術(shù)、連續(xù)纖維打印技術(shù)以及金屬近凈成型技術(shù)等輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)也在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，以適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)輕量化的需求。

輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)不再局限于單一技術(shù)的自我發(fā)展，而是與其他技術(shù)相結(jié)合，共同進(jìn)步，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，為結(jié)構(gòu)成型發(fā)揮重要作用。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成型技術(shù)在航空航天、汽車設(shè)計(jì)等領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)，并已得到廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)不僅提升了裝備性能，降低了成本，還推動(dòng)了環(huán)境友好型工程解決方案的實(shí)現(xiàn)。在船舶與港口裝備方面，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成型技術(shù)也開(kāi)始逐漸擴(kuò)大其影響。此外，結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)還在防空導(dǎo)彈、火箭設(shè)計(jì)、高速列車、土木工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型技術(shù)

4船舶行業(yè)裝備未來(lái)發(fā)展

工業(yè)和信息化部等五部委聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于推動(dòng)船舶綠色智能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)，明確指出通過(guò)型線優(yōu)化、船機(jī)槳匹配以及輕量化技術(shù)等工程應(yīng)用，是提高綠色智能船舶產(chǎn)業(yè)水平的有效手段。與此同時(shí)，交通運(yùn)輸部亦提出了建設(shè)世界頂級(jí)港口的指導(dǎo)方針，強(qiáng)調(diào)了“重點(diǎn)推動(dòng)成本降低與效率提升，以及綠色、智慧、安全的發(fā)展方向”，而港口裝備的輕量化發(fā)展正是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)路徑。綜合分析，船舶與港口裝備輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 船舶與港口裝備輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）材料輕量化技術(shù)

材料輕量化技術(shù)在船舶和港口裝備中的應(yīng)用正迅速發(fā)展，主要涉及高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)金屬材料和高性能高分子復(fù)合材料。這些材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐腐蝕等特點(diǎn)，已在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并適合用于高性能船舶和港口裝備。未來(lái)的發(fā)展應(yīng)聚焦于優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)適合遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和大型港口設(shè)備的復(fù)合材料，注重材料的可再生性和生物降解性以滿足環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求。

制造工藝方面，需要發(fā)展先進(jìn)的輕量化材料制造工藝以實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)和降低材料制造成本。目前，激光焊接、高壓鑄造、內(nèi)高壓成形及輥壓成形等工藝得到優(yōu)化，3D打印技術(shù)、增材制造技術(shù)、自動(dòng)化焊接技術(shù)等在快速制造復(fù)雜幾何形狀材料方面具有重要意義，但精度需進(jìn)一步提高。發(fā)展先進(jìn)的制造工藝也是降低制造成本的重要途徑，如直接鑄造成型一體化技術(shù)和新型樹(shù)脂基體的開(kāi)發(fā)。

建立相應(yīng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于確保材料應(yīng)用的安全性和可靠性至關(guān)重要，有助于促進(jìn)輕量化材料在全球范圍內(nèi)的廣泛使用。中國(guó)船級(jí)社和國(guó)際海事組織(IMO)正在制定鋁合金和復(fù)合材料等輕量化材料在海洋工程中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋機(jī)械性能、耐腐蝕性能、焊接工藝要求等方面。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，建設(shè)船舶與港口裝備輕量化材料的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是未來(lái)的必然趨勢(shì)。

2）結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

為了滿足船舶和港口設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化的需求，針對(duì)這些設(shè)備的尺寸、形狀、拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以及增材制造和復(fù)合材料制造技術(shù)等輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)歷了快速的發(fā)展。當(dāng)前，輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于船舶和港口設(shè)備的設(shè)計(jì)，包括船舶中剖面縱向構(gòu)件、橫向構(gòu)件以及艙壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)也逐漸被用于船體制造和船舶與港口設(shè)備零部件的生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)已經(jīng)成為船舶和港口裝備輕量化技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵方向，盡管在創(chuàng)新應(yīng)用方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。

隨著現(xiàn)代工程的迅速發(fā)展，船舶與港口裝備的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)正面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。當(dāng)前，盡管已有多種輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于船體、履帶式起重機(jī)管架和船舶柴油機(jī)等裝備，但這些技術(shù)多為單一優(yōu)化對(duì)象，缺乏系統(tǒng)間的綜合考慮。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)面向多對(duì)象的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)尺寸、形狀、拓?fù)涞确椒?，?shí)現(xiàn)船舶與港口裝備各系統(tǒng)整體質(zhì)量的降低，同時(shí)保證工作可靠性。此外，船舶與港口裝備在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮力學(xué)性能和工作性能，還需兼顧隔水、防熱、減振、降噪、防磁等多功能需求，以確保裝備的使役壽命。因此，基于多功能需求的結(jié)構(gòu)-功能一體輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)將成為未來(lái)的重要發(fā)展方向。

輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)在船舶與港口裝備中的應(yīng)用也面臨精度和檢測(cè)準(zhǔn)確度的挑戰(zhàn)。提高制造精度、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，并拓展其應(yīng)用范圍，是輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的成型技術(shù)，并結(jié)合宏觀大尺度裝備的制造，是實(shí)現(xiàn)船舶與港口裝備結(jié)構(gòu)輕量化的重要方向。

輕量化技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨新材料高成本和加工難度等挑戰(zhàn)。結(jié)合增材制造技術(shù)與輕量化設(shè)計(jì)是未來(lái)的一個(gè)新趨勢(shì)。未來(lái)研究方向包括多學(xué)科交叉仿生輕量化、智能算法應(yīng)用和多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)。這些技術(shù)進(jìn)步將推動(dòng)低碳、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展理念。結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)通過(guò)多種方法在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了性能提升和成本節(jié)約，其應(yīng)用范圍和效果將進(jìn)一步擴(kuò)大。新材料設(shè)計(jì)、制備、新結(jié)構(gòu)和新成型工藝是船舶與港口裝備輕量化的重要手段。隨著環(huán)境政策和國(guó)家計(jì)劃的要求，船舶與港口裝備輕量化技術(shù)需進(jìn)一步提高。未來(lái)發(fā)展方向包括輕量化材料、制造工藝、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)和輕量化結(jié)構(gòu)精度控制技術(shù)。

[1]郭智威,吳祖旻,饒響,等.船舶與港口裝備輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代交通與冶金材料,2024,4(06):1-14.

[2]琚裕波,李智,柏挺,等.低成本碳纖維的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2023,51(11):181-186.