1轻量化技术的发展现状
轻量化技术最早应用在飞机制造中，由于飞机重量成为了制约众多飞机性能参数的重要影响因素，工程师们就一直致力于重量问题，后来在航空领域，重量是非常关键的性能参数。因此，轻量化技术最早在航空航天领域得到了较好发展。
随着全球汽车工业的蓬勃发展，轻量化技术被广泛应用于汽车领域。对于车辆而言，车辆轻量化具有减少行车助力，减少牵引力，提高能效，提高行驶平稳性，减少排放等众多优点。在汽车轻量化研究中，有车架轻量化、发动机的轻量化以及变速箱的轻量化研究。
轻量化技术在船舶领域也有应用，早期的轻量化技术主要是为了降低建造中钢材的使用，减少建造成本，技术手段单一，以结构开孔的方式为主。由于船舶结构以桁架结构为主，其中剖面加强筋位置和尺寸就成为船舶轻量化研究的又一个方向。随着材料科学的不断进步，轻质材料价格有所降低，加工工艺的不断改善，出现了使用轻量化材料替代钢材的船舶轻量化的相关研究。目前实现轻量化主要有三个途径：
（1）使用轻质材料，用强度高、重量轻的材料代替原有相对沉重的材料，例如新型复合材料、高强度钢、玻璃纤维、碳纤维、塑料、铝板等，替换后虽然成本会相对增加，但重量也能够得到很好的控制。
（2）采用先进的制造工艺，利用先进的制造工艺实现结构间连接部位的轻量化，如激光焊技术，或者直接采用一体成型技术，如 3D 打印技术、冲压技术等，减少结构间连接材料的使用，以实现轻量化。
（3）采用更合理的结构，通过最大限度地使用材料的承载能力，合理分配材料，削减多余材料，达到在保证性能的前提下，减少重量。例如采用连续体结构拓扑优化、尺寸优化等，对已有结构在允许空间内重新设计，实现结构轻量化设计。
2船用铝合金分析
在船舶制造过程中，对于船用铝合金的金属物理特性要求比较高，像是铝合金的强度，耐腐蚀性以及焊接性，都需要符合船舶生产制造的要求。因此，在当代船舶与海洋工程中，大多数使用的是"铝-镁”合金或是"铝-镁-硅”合金系列，当然还是要数“铝-镁”应用最多，这是因为“铝-锌”和“铝-硅”系列的合金在进行焊接以后，强度会降低，耐腐蚀性也会变差。因此“铝-锌”系列合金不能很好地被应用在船舶与海洋工程的生产和制造，并且需要在焊接后进行热处理，将“锌-铝-镁”合金看作是可以进行热处理的构件，而铝-镁-硅”系列合金可以被看作是船用制型材料。一般情况下，船舶生产所用的铝合金根据实际施工用途进行分类，可以分成船体结构所用的铝合金，舾装工艺生产所用铝合金等。在船体结构设计中，船用铝合金规格型号为5083、5086以及5456号合金。需要注意的是，6000系列以上的合金会在海水中出现品间腐蚀问题，因此只能被应用在船体结构的上半部分。而7000系列铝合金进行热处理以后，结构强度以及工艺性能变得更加完善，可以将7000系列合金应用在军用舰艇船只生产设计中，比如装甲板机结构等，但是7000系列合金结构应力不高，不能被应用在船只下部结构设计中。
3船用铝合金特性
要想更好地了解船用铝合金的特性，首先我们应当去了解与船舶工程密切相关的海水特性。众所周知，海水可以算作一种电解质溶液，那么铝合金在海水浸泡过程中会受到腐蚀，而且还是电化学腐蚀。从船用铝合金耐腐蚀性角度来看，合金耐腐蚀性水平高低主要是由铝合金表面钝化膜来决定的，钝化膜的完好程度越高，合金的耐腐蚀性能力就越高。同时还涉及到了合金钝化膜在破裂以后的自我修复和恢复能力，从物理学角度来看，海水中存在的氯离子会在其种程度上对合金钝化膜进行破坏，使得铝合金浸泡在海水中的结构特性并不是很稳定，非常容易出现合金点蚀现象以及一系列的合金缝隙腐蚀问题，从而导致合金晶间腐蚀，合金剥落和应力腐蚀现象的出现。从实践调查中可以发现，海水对5000系列合金的腐蚀性会比较慢，由此可以证明，型号系数越低的铝合金，它们的耐腐蚀性反而越强，所以5000系列合金在船舶与海洋工程中的应用依然十分广泛，合金本身的耐腐蚀性也比较好，基本上很少出现合金结构应力腐蚀的问题。
4铝合金与船舶海洋工程轻量化设计分析
4.1船舶框架设计要点
通过在高温高压的条件下合成铝合金，由于其具备耐腐蚀、抗压性等特点，所以在设计船舶及海洋工程时，设计者要了解船舶所处区域的环境变化、运动特征等，明确水流和风力对船体产生的影响。由于船舶操控难度较大，所以需要控制设计船舶在运行期间的阻力。如果在降低船舶质量的基础上，依旧无法抵抗海浪产生的影响，很容易引发翻船。由此可知，要想达到真正意义上的轻量化设计，必须要在全面了解以往设计方案后，适当调节船舶的灵活性，并保障其在运行期间的稳定性。此时要想运用铝合金，需要在高温条件下融合多种金属。以铝、氮及钛为例，因为添加金属比例不同，最终得到的铝合金硬度也有差异。通过在设计船舶时将其划分为多个铝合金应用区域，不仅能充分利用铝合金材料，而且可以满足轻量化设计的要求
4.2船舶上层建筑设计要点
对船舶而言，运用铝合金材料设计上层建筑的原因在于其筋板结构质间隙的密度较小，不仅应用方便，而目实际效果佳。一般来讲，在设计船舶上层结构时，最常见的材料就是CCS-A级钢板和铝合金5038。其中，铝合金5038既可以作为上层建筑的支撑架，控制船舶上层结构的重力，又可以应用在上层结构的夹板层中，提高船身与船板的关联稳定性。在完成设计后，设计者可以发现，铝合金不仅能够控制船舶的重量，而且可以提高整体设计的灵活性。
4.3船舶内部结构设计要点
随着铝合金技术开发技术逐步深入，船舶及海洋工程轻量化设计中，铝合金材料已成为船舶内部操控技术设备设计的主要材料。一方面，数字化操控系统的硬件结构，逐渐从塑料、铁质设备，转换为以铝合金为主体的硬件设备。如，船舶操控程序的外部操控设备，电子移动导航设备，船舶应急保护设备等，均以铝合金作为生产材料的第一选择。另一方面，船舶内部结构中，座椅、床铺支架等结构，也逐渐利用铝合金进行材料替换。这些船舶内部需长时期应用的物品，虽然不会直接受到海水腐蚀，但长期处于潮温的空气中，以及高浓度二氧化碳、高浓度氧化环境下，也容易出现氧化、变质的情况。运用铝合金将传统的特质材料替换出来，是利用了铝合金抗氧化性强等特征。
4.4船舱底部设计要点
铝合金在船舶底部船舱设计中的应用，是利用铝合金的一些特性，强化船舱结构的灵活调节能力。如，现代船舱设计中，将船舶中心、两端的合金应用比例相应调节，就是利用了合金材质不同，在船舶结构设计中的重力作用，增强现代船舶及海洋工程的设计灵活度。
5结语
所谓船舶轻量化技术，就是在船舶安全性得到保障的前提下，合理减轻船舶的整体质量。轻量化技术对于船舶制造而言，可以有效减少钢材的使用，减少原料消耗，降低造船成本和能耗；对于船舶运营而言，船舶总体重量的减少，使得船舶航行的油耗降低，间接提高燃油效率，缓解对环境和能源的压力。
参考文献
[1]黄陈哲,向阳,黄进安.船舶加筋板轻量化设计研究[J].舰船科学技术,2021,43(03):13-19.
[2]邓节军.基于动力分配的船舶能耗最优化算法研究[J].舰船科学技术,2018,40(22):19-21.
姓名：张君华，性别：女，出生年月：1986.08，民族：汉，籍贯：江苏镇江，学历：本科，职称：工程师，研究方向：船舶船体生产设计