0 引　言

航运是国际贸易运输中最主要的方式之一^[1]，全球 90% 以上的货物由船舶运输，特别使用重质燃料油和船用轻柴油的海上船舶承担主要运输角色。在全球范围内，航运排放^[2]约占国际贸易产生的全球温室气体的 2.4%，如果不采取任何措施，这些排放量将随着更多的人口和不断上升的国际贸易量而增长。船舶在建造中需要消耗大量的原材料，在航运过程中同样也会消耗大量能源。降低燃料消耗和CO₂排放是船舶设计要求中重要的考察标准，如何提高船舶能效，减少污染成为了目前亟待解决的问题。

为了应对这一挑战，业界开始探索多种途径。其中，船舶轻量化^[3]通过减少船舶重量以提升船舶运行能效、降低能耗，被认为是最有实用价值的解决方案。轻量化是一个跨学科的工程科学^{[4 - 5]}，其中涉及包括材料力学、材料学和制造技术等领域的相关知识。为了实现这个目标，需要选择适当的轻质材料、构造、连接技术以确保船舶设计方案的可行性以及船舶制造工艺的可达性。目前船舶轻量化研究可以根据实现途径分为为轻量化材料的应用以及轻量化结构设计2个方面，具体如图1所示。

1 船舶轻量化节能路径的多维度分析 1.1 优选轻量化材料 1.1.1 轻质金属材料

降重^[8]和减阻^[9]是目前最广泛的船舶节能思路，金属材料作为船舶建造的主要材料，近年涌现了一大批相关特性的船舶轻质金属材料研究。目前工业应用主流的轻质金属材料是铝合金^[10]，钛合金和高熵合金等。表1为轻质合金在船舶中的应用研究情况。

铝合金具有轻量且廉价的优点，是研究减少船舶能源使用和碳影响的金属材料主力军，现阶段我国已成功研制出变形铝合金和铸造铝合金两大类船用结构材料^{[10 - 11]} 。钛合金^[17]凭借轻量、高强度、耐腐蚀和耐高温等优异特性，在船舶设计的关键部件如发动机、如潜艇耐压壳体、海水管路等区域展现出了独特优势。目前，由中船725所与宝鸡钛业、中船701所共同研制的Ti70合金^[18]已成功应用在船舶导流罩上，其对海水的耐腐蚀性保证船体受到的阻力长期稳定，间接减少船舶运营的燃料消耗。

高熵合金^[19]（High Entropy Alloys，HEAs）作为新兴材料，展现出高温强度、卓越的耐腐蚀性和抗辐照性。虽然目前其在船舶中的应用仍处于理论研究阶段，但如AlCuFeMnMgTi合金^[20]和LWHEA合金^[21]的研究表明，高熵合金具有广阔的应用前景，未来有望替代不锈钢，成为船舶及海洋工程中的重要耐腐蚀材料。

1.1.2 复合材料

复合材料^[22]凭借其轻量化性能，可以减少与造船过程相关的能源消耗和碳足迹，在船舶节能中展现出巨大潜力。复合材料如今广泛应用于船体^[23]、甲板及上层建筑等，例如，挪威“宝石”号豪华邮轮设计中采用了新型FRP复合材料^[24]；瑞典的Visby隐身轻型护卫舰率先采用全碳纤维复合材料构建上层建筑，材料的轻质、无磁性及高比强度不仅增强了隐身能力，还显著减轻了重量，提升了航速。Ismail^[25]响应绿色制造，开发了一种新型低成本聚氨酯（PU）弹性材料，以垫状玻璃纤维增强，用于替代船舶材料。此外，Stenius等^{[26 - 27]}研究发现，碳纤维夹层结构的重量比铝轻50%，仅为结构钢的25%，在减重方面优势明显。

目前，复合材料在船舶领域的应用前景愈加广阔，为现代船舶设计制造提供了更加先进的解决方案，也为船舶轻量化和节能减排提供了新的思路。表2总结了部分关于复合材料在船舶轻量化领域中的研究。

1.1.3 超材料

超材料通过多孔结构替代实体材料，减少总体积，从而实现轻量化。目前已经被应用在船舶底板^[32]、耐压壳体^[33]以及船舶防撞结构等部位。

在超材料技术研究方面：李琛等^[32]运用增材制造技术，设计制造了蜂窝超材料船底板，通过对比传统的纵/横骨架式船底板的屈曲强度，证明了正泊松比蜂窝超材料在船舶轻量化和承载能力方面的潜力。Mohanty等^[33]对AUV头部耐压壳进行了轻量化优化，采用四边形蜂窝超材料作为夹层，优化后的结构重量减轻了38%。Hui等^[34]通过圆形和正六边形蜂窝结构的超材料，优化了力学性能与孔隙率，得到了轻量化且剪切应力较小的结构。其有限元模型分别如图2(a)和图2(b)所示。Nian等^{[35 - 37]}通过一种轻质晶格超材料在实现船舶轻量化的同时提升结构在船舶冲击载荷作用下的能量吸收特性，该防撞结构、内部填充结构的应力云图以及外壳应力云图如图2(c)所示。

此外，超材料在船舶上的应用包括：美国开发的声隐身技术，通过减少噪声吸收材料，实现船体轻量化；芬兰船舶公司使用3D打印蜂窝超材料组件^[26]，用于甲板和舱壁等关键部位；英国皇家海军通过电磁超材料设计隐形战舰^[24]，使战舰重量减轻近20%。这些应用展示了超材料在船舶轻量化和节能减排上的潜力。

1.2 优化船舶结构设计 1.2.1 传统优化

传统优化方法涵盖尺寸优化与形状优化^[7]。通过数值仿真等手段优化船舶结构的几何与布局，实现船舶轻量化设计，并进一步提升了船舶航行的能源效率，实现船舶轻量化和节能减排的目标。

佘小林等^[38]通过应力、位移和固有频率等设计约束对船舶基座、管线支架及舵机进行结构优化，为辅助结构的轻量化提供了参考，应力分布如图3(a)和图3(c)所示。高原等^[7]利用有限元分析优化了耐压球壳开孔加强结构，显著提升其刚度和承载能力，建模效果如图3(b)所示；黄陈哲等^[39]则通过尺寸优化使船舶加筋板减轻了19.2%的重量，加筋板模型如图3(d)所示。此外，在细小结构方面为满足船舶尤其是军用远洋航行对于船舶结构的辅助要求。Helmut等^[40]研究出一种用于夹芯板之间 T 形接缝的纤维复合接头,其轻量化 T 型接头的实验强度比原型设计高 20%，重量仅为原设计的 40% 左右，T 形接头的部分实验如图3(e) 和图3(f)所示。梁晓峰等^[41]通过形状-尺寸联合优化方法，对雷达桅杆的轮廓和厚度进行了优化，实现了轻量化设计。

1.2.2 拓扑优化

在船舶领域，结构优化设计的研究起步较晚，但拓扑优化的引入正逐步改写着传统船舶设计的格局^[36]。通过拓扑优化，船舶能够在保证结构强度的同时，显著降低重量，提高航行效率，减少燃油消耗，进而促进绿色航运的发展。

沈晓曦对比了3种拓扑优化方法——具有惩罚的实体各向同性材料方（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）、渐进结构优化法（Evolutionary Structural Optimization，ESO）和双向进化结构优化法（Bidirectional Evolutionary Structural Optimization，BESO），将SIMP方法用于船舶的拓扑优化，并以体积分数为约束条件对船体板架结构中的横梁部分进行优化，得到优质的轻量化横框架结构，框架优化示意图如4(a)所示。Kendibilir等^[42] 为提升舱壁结构抗裂纹性能，采用一种周动力拓扑优化（PD–TO）方法，其舱壁初始设计域在八种不同工况、不同破解场景的备选设计和多样化区域如图4(b)所示。张聪等^[43]通过有限元仿真分析了三体船舱壁的应力分布，应用变密度拓扑优化方法，成功将非水密舱壁的结构重量减少了一半，舱壁加固舱壁的应力分析如图4(c)所示。此外，龙周^[44]将动态代理模型技术应用于船舶轻量化设计中，提出了一种基于信赖域和主效应分析的动态代理模型优化策略，为船舱节能减重带来了新的思路。

此外，熊勇^[45]对某船用汽轮机转子的基座进行了研究，利用变密度理论并通过Matlab编程计算，得出了基座材料的最优分布方案，显著减轻了结构重量。董有凡等^[46]则将正交实验与拓扑优化结合，对锚机机架进行了轻量化设计，成功减轻了15.27%的机架重量。

拓扑优化技术为船舶设计制造中的轻量化提供了强大的技术支持，特别是在船舶舱壁、横框架等关键结构的优化中，使船舶设计朝着更加高效、环保的方向发展。

1.2.3 夹层设计优化

夹层结构是新型的轻量化技术，其带来的好处包括^[47]：减少燃料消耗，简化建筑过程，可用体积增加和排水量减少，随之而来的有效载荷增加，稳定性和可作性提高，减少建筑材料的体积和质量，从而节省运输成本和时间，提高选定功率的速度。夹层设计分为全金属夹层设计、复合材料夹层设计和混合材料夹层设计，而复合材料的夹层结构设计已经在上文中提及，不再复述。

全金属夹层结构一般应用在游轮的楼梯、甲板和甲板房等部位。铝泡沫夹层材料（Aluminum Foam Sandwich Material，AFC）^[48]因其轻质、高比强度和优良的减震性能，逐渐用于轻型船舶部件，如电梯平台、水密门、舱口和舱壁等，展现出良好的轻量化潜力。图5(a)展示了基于仿生学构造的AFS板材在静态和动态弯曲试验中的表现，证明了其在强度要求下具备出色的减重效果。

混合材料夹层设计^[49]在现代赛艇和军舰制造业中应用愈加宽广，尤其针对满足部分高强度与轻量化的建造需求。Romanoff等^[50]通过混合配置对船用钢夹层结构进行机械改进。图5(b)为I–core夹层板的实物图，在I–core夹层板的冲击实验表明，泡沫填充减少了表面和激光焊接中的挠度和剪切引起的正应力，泡沫填充的重量增加仅在6%～15%。Sujiatanti等^[51]也对滚装甲板夹层结构的使用进行了研究，图5(c)～图5(e)分别为船侧夹芯板在冲击实验下的表现图和装甲夹层板的实物图。他们提出了一个夹层结构，由2个钢饰面和1个合成树脂芯组成。根据数值分析，与传统甲板结构相比，所研究的夹层结构产生了约15%的应力减小和重量减轻。

2 节能背景下船舶轻量化的发展趋势 2.1 设计方法趋势—仿生设计

在自然界中，植物和动物提供了许多低密度、高强度和高能量吸收能力的优秀结构，可以激发具有显著能量吸收能力的新型结构的设计。例如柚子果实^[52] ，其具有的独特海绵状中果皮层，可以消散自由落体测试的能量，而不会导致果皮的明显外部损伤；竹子的维管系统^{[53 - 55]}形成多孔结构，在整体材质轻的同时具有很强的韧性。而仿生结构作为新时代轻量化技术和生物科学的结合，模仿动植物的仿生结构进行能量吸收应用是未来取代传统结构的一条有前途的途径。图6总结了一些典型的基于仿生学的结构轻量化设计。

在船舶应用上，Yao等^[56]根据海洋中射线的形状和结构特点，设计了一种仿生被动阻尼减摇装置，实验显示该装置在零航速时的减摇效果达到45%～70%，设计如图7(a)所示。Busch等^[12]基于Salvinia效应设计一种仿生表面，作为船体上增滑剂时，其在水流中产生的空气层能显著减少阻力，文章对全球75%的船舶类型进行计算，估算该仿生涂层可节省约3250万吨燃料，占全球航运燃料消耗的13% ，设计如图7(b) 所示。此外，Schrader^[57]模仿海豚皮肤设计出一种涂层，通过延缓从层流到湍流的过渡减少船舶阻力，图7(c)～图7(f) 为仿生涂层模仿的现实层次结构。

2.2 制造技术趋势—增材制造

增材制造（Additive Manufacturing，AM）在制造复合材料方面的多功能性已被证明有利于提升效率和节能^[58]，自20世纪80年代提出以来，逐渐成为制造业转型升级的新风标。增材制造可以一体成型，减少了零件装配的复杂性和工作量，提高生产效率。同时也进一步推动了船舶轻量化和性能提升，特别是在定制化、高强度和耐腐蚀船舶部件的生产上具有显著优势。图8展示了增材制造的不同分类^[60]。

粉末床增材制造技术是一种能够生产金属零件的先进工艺，适用于船舶建造。该技术主要包括激光粉末床熔融^[61]（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）和电子束粉末床熔融^[62]（Electron Powder Bed Fusion，EPBF）2种方法。选区激光熔化利用激光束的高能量密度将金属材料局部加热至熔点以上，熔化材料后通过控制激光束的移动速度和功率密度，精确控制熔化区域的位置。随着激光束移动，已熔化的区域迅速冷却并凝固，逐层堆积形成完整的金属零件，如图9(a)所示。激光熔融沉积技术则通过逐层熔化金属材料，快速凝固并沉积，以此直接制造出“近净形”的高性能金属零件，无需任何模具或工装，适用于复杂零件的制造，如图9(b)所示。这些技术在船舶制造中，尤其是制造大型船体部件时，展现了高效、灵活的优势，大幅减少了加工时间和成本，同时提升了船体的结构性能。

随着激光增材制造技术的进一步发展，未来有望与拓扑优化技术相结合^[60]，弥补传统工艺在制造复杂拓扑结构时的局限性。通过这种融合，能够制备出更轻质、更高效的船体结构，突破传统制造工艺在轻量化设计中的瓶颈推动船舶轻量化技术的进一步发展。

3 结　语

船舶轻量化是实现节能降耗的重要路径。轻质金属材料中，铝合金已形成规模化应用，复合材料的工况适应性显著提升了船体能效；超材料作为新兴体系，通过结构–功能一体化设计展现出更高节能潜力。拓扑优化技术突破传统设计的经验局限，以数学驱动实现材料分布与承载效率的最优解，避免冗余重量造成的能耗损失。夹层结构的高比刚度特性验证了仿生设计在轻量化领域的有效性。未来需聚焦增材制造技术，其几何自由度可突破超材料与拓扑优化结构的工艺瓶颈，推动船舶轻量化从“减重设计”向“能量最优设计”的范式转变，为航运业碳中和目标提供核心技术支撑。