水路運輸利用船舶等工具，通過水域通道實現貨物和人員的運輸，具有運量大、成本低的優勢，占據運輸體系重要位置。中國水運貨運周轉量占全國總量的53%。船舶和港口裝備是水路運輸的核心，負責貨物的裝卸和轉移。船舶和港口裝備的功能包括載重、托運、起吊和輸送，通常需要大型機械和高功率裝置，導致它們具有大噸位和高耗能的特點。為了提高效率和降低成本，裝備輕量化技術成為關鍵，包括材料輕量化和結構輕量化兩個方向。輕量化技術通過使用新型輕質材料和優化設計，可以降低重量、提高性能，滿足新時代的發展需求。輕量化技術已在多個領域展現潛力，但在船舶與港口裝備領域尚需系統研究。

1概述

船舶裝備的主要構成包括船舶、港口設施和輔助設備。如圖1所示，船舶種類多樣，包括貨船、油輪等，其船體結構由船殼、龍骨等組成，現代船舶多用高強度鋼材和復合材料，以抵抗海水腐蝕。船殼常用防腐涂層或耐腐蝕金屬，以延長使用壽命。港口設施包括碼頭、堆場、倉庫和裝卸設備，碼頭通常采用鋼筋混凝土或鋼結構，現代港口多用自動化裝卸設備，如集裝箱起重機，以提高效率和降低成本。堆場和倉庫是貨物存儲的重要設施，堆場用高強度混凝土，倉庫多為鋼結構，具備防火、防潮和保溫性能。

圖1 船舶與港口裝備運行環境特點

船舶與港口裝備的運行環境復雜，對材料的環境適應性要求嚴格。海洋環境中的鹽霧和海水對金屬材料腐蝕作用強，海洋生物附著會增加船體阻力，降低航速。材料需具備抗紫外線性能，以延長使用壽命。船舶與港口裝備還需應對極端溫度環境，材料需具備耐高溫和低溫性能。船舶與港口裝備可能受到沖擊和振動的作用，因此材料需要具備良好的抗沖擊、振動性能。風載荷是船舶與港口裝備在運行中面臨的重要環境因素，材料和結構設計需考慮風載荷的影響。此外，船舶與港口裝備還需應對頻繁的濕熱、冰雪等環境。冰層撞擊可能導致結構損壞，材料需具備有抗冰沖擊性能，確保其在低溫下不發生脆性斷裂。

船舶與港口裝備的材料及結構性能需求嚴格，材料的選擇和結構設計影響裝備的性能和壽命，還關系到作業的安全性和效率。材料的基本性能需求包括力學性能、耐腐蝕性能、疲勞性能和韌性。船舶與港口裝備結構設計需考慮負荷分布、應力集中、重量優化和安全冗余。合理的負荷分布和優化的載荷路徑設計能提高結構的承載能力和穩定性。輕量化設計在滿足強度和剛度的前提下，采用高強度合金和復合材料，顯著減輕裝備重量，提高性能并降低能耗。安全冗余設計確保在意外情況下結構仍能安全運行。此外，材料需具備有良好的環境適應性，包括海洋環境、氣候環境和機械環境適應性。高耐腐蝕性和防海洋生物附著材料可以延長使用壽命，抗紫外線、耐高溫和低溫性能確保了材料在極端環境中穩定運行,抗沖擊和抗振動性能保障了設備在高沖擊和振動環境中穩定性。在開展船舶與港口裝備輕量化過程中需綜合考慮其材料及結構的性能需求。

綜上所述，船舶與港口裝備對材料及結構性能的要求極為嚴格。在推進這些裝備的輕量化進程中，必須全面考慮材料和結構的性能需求。高分子材料的分子量分布廣泛，分子鏈結構復雜，這為通過調整分子量分布或改變分子結構（如主鏈結構、側基、交聯度等）來優化性能提供了可能。此外，將高分子基體與輕質填料或增強材料相結合，可以制備出輕質高分子復合材料。輕質高分子復合材料因其低密度、高強度、高韌性、耐磨性和耐腐蝕性而備受青睞。這些材料不僅強度高，而且密度低，機械性能卓越，已經在汽車、航空航天、體育器材等多個領域得到廣泛應用。

2輕質高分子復合材料

在船舶領域，特別是船體結構中，高分子復合材料的應用日益增多。常見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。根據所選高分子基體和增強材料的類型，輕質高分子復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。由于高分子復合材料具有質量輕、強度高的特點，它們常被用于船舶殼體結構的制造，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合層板，通過優化層板纖維含量，使得高速艇的船體質量減輕了12.5%，同時保持了船體的強度。Neser等人采用含有15%質量分數長碳纖維的高分子聚乙烯復合材料，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、蜂窩芯材等夾芯與聚合物構成的夾層材料，能夠在減輕全復合式氣墊船重量的同時，提升燃料經濟性。Balkoǎlu等人使用聚氯乙烯泡沫、E-玻璃纖維、松木/白蠟木、雙酚A環氧乙烯基酯樹脂制備了一種可用于船舶甲板及艙壁板的夾層復合材料，與常規甲板夾層相比，其質量顯著降低。在港口裝備輕量化設計方面，張宏山等人采用新型聚氨酯復合材料制造了煤炭輸送機滾筒包膠，發現滾筒的耐磨性能明顯優于天然橡膠，并且整體質量也有所下降。李復懿等人比較了纖維繩與鋼絲繩在起重機起升中的應用效果，認為纖維繩具有自重輕、不易產生剪切破壞和摩擦磨損、抗彎曲疲勞性能與耐腐蝕性能優良等優點，在起重機的起重繩選擇中具有良好的應用前景。

圖2 輕質高分子復合材料的制備方法

3結構輕量化技術

1）輕量化結構的設計技術

傳統船舶和港口設施的重型結構設計不僅具有高昂的建造和運營成本，也加大了能源的消耗量。為了應對這些挑戰，輕量化結構設計技術應運而生，其專注于通過優化船舶與港口裝備結構的尺寸、形狀等特征參數來實現裝備的輕量化。輕量化結構設計技術的關鍵在于通過智能化設計和計算優化，簡化結構組件，減少冗余部件，從而降低裝備的自重。目前輕量化結構設計技術根據不同的設計變量類型，通常可以分為尺寸優化、形狀優化、拓撲優化及其他優化方法。

2）輕量化結構的成型技術

在前述輕量化結構設計技術的基礎上，通過進一步優化輕量化結構的成型技術，我們可以在確保結構完整性和機械強度滿足要求的同時，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發展的關鍵問題。由于輕量化結構設計趨向于多功能、小體積的復雜結構，這為輕量化結構成型技術提出了更高的要求。為了實現復雜結構的成型，輕量化結構成型技術已從傳統的金屬切削、澆鑄成型等方式，轉變為增材制造、復合材料制造等新型成型手段。部分產品甚至采用多技術、多工藝的協同成型技術。

增材制造技術是當前流行的輕量化結構成型技術之一。它能夠實現制造部件的一體化設計及制造，從而改變了傳統的拼接、焊接等制造模式和理念。增材制造技術被譽為“第三次工業革命”的核心技術，并且是《中國制造2025》計劃的重要發展方向。增材制造技術包括3D打印技術、激光技術、固相增材技術及電弧熔絲制造技術等，它具有制造靈活性強、生產效率高、原材料用量少、適配度高等優勢。這使得它能夠應對大部分復雜結構的制造需求，并且可以縮短驗證周期。同時，增材制造技術減少了制造部件內部連接不緊密、連接件損壞的風險。

早在2014年，美國海軍就已經在部分大型船舶和艦船上裝備了3D打印機，以供隨時進行3D打印成型，制備船用零件。2017年，荷蘭達門船廠利用3D打印成型技術，設計并制造了一個直徑達到1.3米的船用推進螺旋槳。這不僅復刻了螺旋槳的復雜結構，而且成為首個通過船級社要求的船用螺旋槳。王華明等在國內率先突破了鈦合金大型復雜整體關鍵構件的激光增材成形技術，能夠制造較大尺寸的產品，并已應用于多種大型航空裝備的研制。Cai et al.利用激光選區熔化技術，制備了泡沫材料的仿生多孔結構，使原有材料體積減少了68%。美國MOOG公司同樣利用激光選區熔化技術開發了航空用液壓管，將管內復雜流道進行統一集中設計并成型，實現了部件的輕量化，同時保留了其高性能及可靠性。Geope等將固相增材技術運用到了結構板的制備中，不僅減輕了結構板的用材量和重量，同時在結構板內部實現了復雜且精確的多層疊加結構。Cunningham等將電弧熔絲運用在高強度鋁合金上，制造了重達300公斤的大型起落架支撐設備。綜合來看，增材制造技術因其成型精度高、效率高和原料用量少等特點，在船舶與港口裝備輕量化的發展中具有重要的應用前景。

3）復合材料輕量化結構技術

復合材料輕量化結構技術涉及將纖維材料等多樣材料通過鋪放、纏繞、編織等方法成型為復合材料。這種技術不僅實現了材料的融合以減少體積，而且結合了各類材料的優勢，更好地滿足了輕量化結構設計的需求，并在新型材料成型技術中得到了廣泛應用。例如，洛克希德·馬丁公司采用編織成型技術制造F-35戰斗機的進氣道，從而省去了殼體的緊固件和鋼釘，實現了結構的輕量化和材料的節約。

復合材料輕量化結構成型技術在船舶和港口裝備領域的應用正日益廣泛。諸如美國和歐洲等造船業的強國，早已開始采用纖維增強材料來替代合金材料，用于制造螺旋槳和船舾件等關鍵船用部件，從而顯著減輕了部件的重量。在中國，復合材料輕量化技術在船舶和港口裝備領域的進展同樣迅猛。琚裕波的報道指出，2021年全球船舶領域對碳纖維的需求量大約為1.5千噸（kt），預計到2025年這一數字將增長至2.2千噸。全球船舶領域碳纖維需求的增長趨勢如圖3所示。2021年，廣東中威復合材料有限公司成功下水了全碳纖維結構的高速客輪“海珠灣”號。這艘船全長超過40米，成為亞洲首艘采用纖維材料實現輕量化結構成型的高速客船。它不僅在材料上用碳纖維復合材料取代了傳統的鋁合金材料，從而減輕了船體重量，還采用了先進的整體成型技術，減少了傳統部件的拼接，實現了結構的輕量化。這使得航行時的燃油消耗降低了30%。此外，廣東中威復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，該船預計將于2024年12月底完工并交付使用，將服務于中國香港的水域客運交通。這進一步證明了該公司在碳纖維船舶制造領域的領先地位。

圖3 船舶領域對碳纖維需求趨勢

此外，復合材料結構編織制造技術、連續纖維打印技術以及金屬近凈成型技術等輕量化結構成型技術也在多個領域得到了廣泛應用，以適應不同領域對材料結構輕量化的需求。

輕量化結構成型技術不再局限于單一技術的自我發展，而是與其他技術相結合，共同進步，發揮各自的優勢，為結構成型發揮重要作用。隨著工業的快速發展，輕量化結構設計及成型技術在航空航天、汽車設計等領域展現了顯著的優勢，并已得到廣泛應用。這些技術不僅提升了裝備性能，降低了成本，還推動了環境友好型工程解決方案的實現。在船舶與港口裝備方面，輕量化結構設計及成型技術也開始逐漸擴大其影響。此外，結構輕量化技術還在防空導彈、火箭設計、高速列車、土木工程等領域得到了廣泛應用。

圖4 輕量化結構設計與成型技術

4船舶行業裝備未來發展

工業和信息化部等五部委聯合發布了關于推動船舶綠色智能發展的指導意見，明確指出通過型線優化、船機槳匹配以及輕量化技術等工程應用，是提高綠色智能船舶產業水平的有效手段。與此同時，交通運輸部亦提出了建設世界頂級港口的指導方針，強調了“重點推動成本降低與效率提升，以及綠色、智慧、安全的發展方向”，而港口裝備的輕量化發展正是實現這些目標的關鍵技術路徑。綜合分析，船舶與港口裝備輕量化技術的發展趨勢如圖5所示。

圖5 船舶與港口裝備輕量化技術發展趨勢

1）材料輕量化技術

材料輕量化技術在船舶和港口裝備中的應用正迅速發展，主要涉及高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質金屬材料和高性能高分子復合材料。這些材料具有輕質、高強度和耐腐蝕等特點，已在航空航天、汽車工業等領域廣泛應用，并適合用于高性能船舶和港口裝備。未來的發展應聚焦于優化設計技術，開發適合遠洋運輸和大型港口設備的復合材料，注重材料的可再生性和生物降解性以滿足環保和可持續發展的需求。

制造工藝方面，需要發展先進的輕量化材料制造工藝以實現大尺寸結構件生產和降低材料制造成本。目前，激光焊接、高壓鑄造、內高壓成形及輥壓成形等工藝得到優化，3D打印技術、增材制造技術、自動化焊接技術等在快速制造復雜幾何形狀材料方面具有重要意義，但精度需進一步提高。發展先進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和新型樹脂基體的開發。

建立相應的應用標準和規范對于確保材料應用的安全性和可靠性至關重要，有助于促進輕量化材料在全球范圍內的廣泛使用。中國船級社和國際海事組織(IMO)正在制定鋁合金和復合材料等輕量化材料在海洋工程中的應用標準，涵蓋機械性能、耐腐蝕性能、焊接工藝要求等方面。隨著技術的發展和應用，建設船舶與港口裝備輕量化材料的應用標準和規范是未來的必然趨勢。

2）結構輕量化技術

為了滿足船舶和港口設備對結構輕量化的需求，針對這些設備的尺寸、形狀、拓撲等結構優化設計方法，以及增材制造和復合材料制造技術等輕量化結構成型技術，已經經歷了快速的發展。當前，輕量化設計技術已被廣泛應用于船舶和港口設備的設計，包括船舶中剖面縱向構件、橫向構件以及艙壁結構的優化設計。此外，輕量化結構成型技術也逐漸被用于船體制造和船舶與港口設備零部件的生產。結構輕量化技術已經成為船舶和港口裝備輕量化技術的一個關鍵方向，盡管在創新應用方面仍面臨重大挑戰。

隨著現代工程的迅速發展，船舶與港口裝備的結構輕量化設計技術正面臨新的挑戰和機遇。當前，盡管已有多種輕量化設計技術應用于船體、履帶式起重機管架和船舶柴油機等裝備，但這些技術多為單一優化對象，缺乏系統間的綜合考慮。未來的發展趨勢是開發面向多對象的結構輕量化設計技術，通過尺寸、形狀、拓撲等方法，實現船舶與港口裝備各系統整體質量的降低，同時保證工作可靠性。此外，船舶與港口裝備在設計時不僅要考慮力學性能和工作性能，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構-功能一體輕量化設計技術將成為未來的重要發展方向。

輕量化結構成型技術在船舶與港口裝備中的應用也面臨精度和檢測準確度的挑戰。提高制造精度、實現復雜結構的快速制造，并拓展其應用范圍，是輕量化結構成型技術的發展目標。同時，開發更為先進的輕量化結構成型技術，優化微觀結構的成型技術，并結合宏觀大尺度裝備的制造，是實現船舶與港口裝備結構輕量化的重要方向。

輕量化技術在多個領域取得了顯著進展，但仍面臨新材料高成本和加工難度等挑戰。結合增材制造技術與輕量化設計是未來的一個新趨勢。未來研究方向包括多學科交叉仿生輕量化、智能算法應用和多目標優化技術。這些技術進步將推動低碳、節能、環保的發展理念。結構輕量化技術通過多種方法在多個領域實現了性能提升和成本節約，其應用范圍和效果將進一步擴大。新材料設計、制備、新結構和新成型工藝是船舶與港口裝備輕量化的重要手段。隨著環境政策和國家計劃的要求，船舶與港口裝備輕量化技術需進一步提高。未來發展方向包括輕量化材料、制造工藝、應用標準和規范，以及結構輕量化設計技術、結構-功能一體化設計技術和輕量化結構精度控制技術。

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