復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)船舶部件的增材制造

復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)船舶部件的增材制造

I目錄

■CONTEMTS

第一部分增材制造在復(fù)雜幾何船舶部件中的應(yīng)用...............................2

第二部分金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性...................................4

第三部分聚合物增材制造技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用...................................6

第四部分船舶螺旋槳增材制造的挑戰(zhàn)與解決方案...............................9

第五部分船體結(jié)構(gòu)件增材制造的材料選擇與工藝優(yōu)化..........................12

第六部分船舶管道系統(tǒng)增材制造的輕量化設(shè)計(jì).................................14

第七部分增材制造的船舶部件的力學(xué)性能評估.................................17

第八部分船舶增材制造部件的質(zhì)量控制和缺陷檢測............................21

第一部分增材制造在復(fù)雜幾何船舶部件中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主題名稱：個(gè)性化定制和多

樣化設(shè)計(jì)1.增材制造使復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和定制部件成為可能，滿足

船舶個(gè)性化和多樣化設(shè)計(jì)需求。

2.設(shè)計(jì)師可以探索創(chuàng)新的形狀和拓?fù)鋬?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)輕量化、

強(qiáng)度和效率的最佳組合。

3.這種定制化和多樣性使船舶能夠根據(jù)特定作業(yè)條件和性

能目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

主題名稱：復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

增材制造在復(fù)雜幾何船舶部件中的應(yīng)用

增材制造，也稱為3D打印，已成為復(fù)雜幾何船舶部件制造的一項(xiàng)突

破性技術(shù)。它提供了傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的幾何自由度和設(shè)計(jì)靈活

性，從而為船舶行業(yè)帶來了眾多優(yōu)勢。

輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增材制造使工程師能夠創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輕量化部件。通過優(yōu)

化材料分布，可以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度重量比，同時(shí)保持或改善結(jié)構(gòu)性能。

這對于減少船舶重量、提高燃料效率和整體性能至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)復(fù)雜化

增材制造消除了傳統(tǒng)制造方法的限制，允許設(shè)計(jì)和制造具有高度復(fù)雜

幾何形狀的部件。這樣做可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的流體動(dòng)力特性、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完

整性并創(chuàng)建用于特殊應(yīng)用的定制部件。

材料靈活性

增材制造技術(shù)與各種材料兼容，包括金屬、聚合物和復(fù)合材料。這使

工程師能夠根據(jù)部件的特定要求選擇最合適的對料，同時(shí)滿足強(qiáng)度、

耐久性和耐腐蝕性等性能要求。

定制化和快速原型制作

增材制造允許按需制造定制化部件，以滿足特定船舶的要求。這種靈

活性使船廠能夠快速原型制作新設(shè)計(jì)并根據(jù)船舶的特定需求進(jìn)行優(yōu)

化。此外，增材制造可以用于生產(chǎn)小批量或備件，從而簡化供應(yīng)鏈和

降低成本。

具體應(yīng)用示例

*推進(jìn)器葉片：增材制造的可控沉積過程允許創(chuàng)建具有優(yōu)化葉片幾何

形狀的高效推進(jìn)器葉片。這可以提高推進(jìn)效率、減少噪音并減少振動(dòng)。

*管路系統(tǒng)：增材制造可以生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的輕量化管路系統(tǒng)。

這可以減少重量、空間要求并簡化安裝過程。

*船體結(jié)構(gòu)部件：通過優(yōu)化材料分布和使用輕質(zhì)材料，增材制造可以

創(chuàng)建具有增強(qiáng)強(qiáng)度和耐久性的船體結(jié)構(gòu)部件。

*定制化船舶設(shè)備：增材制造可用于制造定制化的船舶設(shè)備，例如導(dǎo)

航系統(tǒng)、傳感器和控制面板。這可以提高人機(jī)工程學(xué)、空間利用率和

整體效率。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和市場前景

全球復(fù)雜幾何船舶部件的增材制造市場預(yù)計(jì)將快速增長。據(jù)估計(jì)，到

2028年，該市場的規(guī)模將達(dá)到10億美元。這一增長是由對輕量化、

設(shè)計(jì)復(fù)雜性和定制化;解決方案的需求不斷增長的推動(dòng)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和材料選擇范圍的擴(kuò)大，增材制造布望在船舶制

造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。通過與傳統(tǒng)制造方法的結(jié)合，它可以

實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、提高效率并降低總擁有成本。

第二部分金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.幾何復(fù)雜性：

增材制造技術(shù)可生產(chǎn)具有高度幾何復(fù)雜性的部件，這是傳統(tǒng)制造方法

難以實(shí)現(xiàn)的。這使得設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化零件的怛能，同時(shí)減少裝配和

重量。

2.設(shè)計(jì)自由度：

增材制造消除了許多傳統(tǒng)制造方法中的限制，如模具和固定裝置的需

求。這提供了更大的設(shè)計(jì)自由度，允許工程師探索創(chuàng)新設(shè)計(jì)和定制解

決方案。

3.材料利用率高：

增材制造工藝通過逐層沉積材料來構(gòu)建零件，從而最大限度地減少材

料浪費(fèi)。與切削加工等減材技術(shù)相比，其材料利用率明顯更高。

4.快速原型制作：

增材制造加快了原型制作過程，無需傳統(tǒng)制造工藝所需的昂貴模具或

夾具。這縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期并降低了成本。

5.定制化生產(chǎn)：

增材制造技術(shù)非常適合定制化生產(chǎn)，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)需要生產(chǎn)單個(gè)零

件或小批量。這在大批量生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)的情況下特別有利。

金屬增材制造技術(shù)的局限性

1.成本：

增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比，其設(shè)備和材料成本仍然較高。對

于大批量生產(chǎn)，這仍然是限制其廣泛采用的一個(gè)因素。

2.生產(chǎn)速度：

增材制造工藝比傳統(tǒng)方法慢，因?yàn)樗鼈冎饘映练e材料。對于需要大量

生產(chǎn)的應(yīng)用，這可能是一個(gè)限制因素。

3.材料選擇：

雖然金屬增材制造技術(shù)正在不斷進(jìn)步，但可用于增材制造的材料種類

仍有限。這可能會限制特定應(yīng)用中的部件的適用性。

4.表面光潔度：

增材制造部件的表面光潔度可能不如使用傳統(tǒng)制造方法生產(chǎn)的部件。

這可能會影響某些應(yīng)用中的性能和外觀。

5.材料性能：

盡管增材制造技術(shù)不斷完善，但增材制造部件的材料性能可能不如使

用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的部件，特別是對于需要高強(qiáng)度或耐用性的應(yīng)用。

附加信息：

優(yōu)點(diǎn)：

*可縮短生產(chǎn)周期

*可減少裝配時(shí)間和成本

*可集成多個(gè)功能，減少零件數(shù)量

*可減輕重量，提高燃油效率

局限性:

*適用于小批量生產(chǎn)

*設(shè)備和材料成本較高

*加工尺寸受限

*需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施

第三部分聚合物增材制造技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

聚合物熔融沉積成型（FDM）

I.FDM是一種增材制造技術(shù)，通過逐層沉積熔融聚合物絲

材來構(gòu)建復(fù)雜形狀的部件。

2.FDM材料類型廣泛，包括熱塑性塑料、熱固性塑料和復(fù)

合材料，允許根據(jù)特定的應(yīng)用程序調(diào)整部件性能。

3.FDM工藝簡單可靠，適用范圍廣，可用于制造各種幾何

形狀復(fù)雜且尺寸受限的部件，例如船舶內(nèi)部組件和定制連

接器。

立體光刻（SLA）

I.SLA是一種增材制造技術(shù)，哽用激光或投影儀將光敏性

聚合物樹脂逐層固化，以制造高精度和高表面光潔度的復(fù)

雜形狀。

2.SLA材料種類繁多，包括剛性、柔性和透明樹脂，提供

廣泛的機(jī)械和光學(xué)性能。

3.SLA非常適合制造精細(xì)特征和復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀的部

件，例如船舶傳感器外殼和光學(xué)組件。

材料噴射成型（MJ）

1.MJ是一種增材制造技術(shù)，通過將液體光敏性樹脂噴射到

構(gòu)建平臺上逐層制造部件，使用紫外線或熱量固化樹脂。

2.MJ材料范圍涵蓋廣泛的彈性體、剛性和柔性聚合物，提

供獨(dú)特的觸覺和耐用性特性。

3.MJ適用于制造具有多材料、多紋理和復(fù)雜功能的部件，

例如船舶防滑甲板和定制座椅。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）

I.SLS是一種增材制造技術(shù)，使用激光將聚合物粉末燒結(jié)

融合，逐層構(gòu)建部件，不需要支撐結(jié)構(gòu)。

2.SLS材料包括尼龍、聚苯乙晞和熱塑性彈性體，提供高

強(qiáng)度、剛性和耐溫性。

3.SLS適合制造堅(jiān)固耐用的部件，例如船舶管道支架和引

擎蓋。

持續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）

1.CLIP是一種增材制造技術(shù)，結(jié)合了投影系統(tǒng)和氧氣抑制

聚合反應(yīng)，在液體樹脂上方逐層制造部件，無需支撐結(jié)構(gòu)。

2.CLIP材料主要是聚丙烯酸酯樹脂，提供高強(qiáng)度、韌性和

光滑的表面。

3.CLIP適用于快速制造大尺寸和復(fù)雜形狀的部件,例如船

舶推進(jìn)器和流線罩。

聚合物增材制造的未來趨勢

I.多材料和多過程集成：使用不同材料和技術(shù)的組合，實(shí)

現(xiàn)更復(fù)雜和功能性的部件。

2.增材制造與傳統(tǒng)工藝的集成：將增材制造與CNC加

工、注塑成型等傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大批量定制化的生

產(chǎn)。

3.個(gè)性化和定制：根據(jù)具體應(yīng)用和用戶需求定制部件的形

狀、煙料和性能。

聚合物增材制造技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

聚合物增材制造技術(shù)，也稱為3D打印，是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，它

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型將聚合物材料層層堆積，以創(chuàng)建復(fù)

雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。該技術(shù)在船舶部件制造中的應(yīng)用前景廣闊，因

為它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度、成本效益和定制

化。

#技術(shù)進(jìn)展

聚合物增材制造技術(shù)在以下幾個(gè)方面取得了重大進(jìn)展：

*材料創(chuàng)新：開發(fā)了用于增材制造的各種聚合物材料，具有不同的性

能特性，包括機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐化學(xué)性和生物相容性。

*工藝改進(jìn)：增材制造工藝不斷發(fā)展，例如熔融沉積成型（FDM）、立

體光固化(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和納米復(fù)合材料增材制造。

這些工藝提供了各種材料選擇和精度水平。

*軟件優(yōu)化：用于增材制造的軟件工具得到增強(qiáng)，包括用于設(shè)計(jì)優(yōu)化、

工藝規(guī)劃和質(zhì)量控制的軟件。這使得復(fù)雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)的制造更

加容易。

#應(yīng)用

聚合物增材制造技術(shù)在船舶部件制造中的應(yīng)用不斷增長，其中包括：

*原型制作和測試：增材制造可以快速生產(chǎn)原型零件，用于設(shè)計(jì)評估

和性能測試。它可以節(jié)省時(shí)間和成本，同時(shí)允許對設(shè)計(jì)進(jìn)行快速迭代。

*船體和上層建筑組件：增材制造可以創(chuàng)建輕質(zhì)、高強(qiáng)度的船體和上

層建筑組件，具有獨(dú)特的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這可以優(yōu)化流體力學(xué)性能

并減輕重量。

*管道和系統(tǒng)：聚合物增材制造用于生產(chǎn)復(fù)雜的管道系統(tǒng)和機(jī)械部件,

例如泵浦、閥門和傳感器。它可以實(shí)現(xiàn)輕量化、定制化和復(fù)雜幾何形

狀。

*內(nèi)飾和家具：增材制造可以創(chuàng)建定制化和符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)

飾和家具，具有復(fù)雜的形狀和紋理。這提高了美觀性和舒適度。

#優(yōu)勢

聚合物增材制造技術(shù)在船舶部件制造中提供了以下優(yōu)勢：

*設(shè)計(jì)自由度：增材制造消除了幾何形狀和結(jié)構(gòu)的限制，使設(shè)計(jì)師能

夠探索新的可能性和優(yōu)化性能。

*成本效益：對于小批量或高度定制化的部件，增材制造可以比傳統(tǒng)

制造方法更具成本效益。

*定制化：增材制造可以根據(jù)特定規(guī)格和要求生產(chǎn)定制的部件，提高

性能和滿足個(gè)性化需求。

*重量減輕：聚合物材料的輕質(zhì)特性結(jié)合復(fù)雜的幾何形狀，可以減輕

船舶部件的重量，從而提高燃料效率。

*可持續(xù)性：增材制造可以減少材料浪費(fèi)，同時(shí)允許使用可再生或回

收材料，從而提高可持續(xù)性。

#應(yīng)用案例

*北極星游艇：一家船舶制造商使用了增材制造來生產(chǎn)輕質(zhì)、高強(qiáng)度

的船體結(jié)構(gòu)和上層建筑組件，從而提高了性能和減少了重量。

*弗勞恩霍夫制造工程與自動(dòng)化研究所（IPA）：該研究所使用增材制

造來生產(chǎn)大型船舶管道和閥門的定制化原型，用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證和性能評

估。

*美國海軍：海軍正在探索增材制造用于生產(chǎn)定制的海軍艦艇配件和

組件，例如無人機(jī)和傳感器。

#展望

聚合物增材制造技術(shù)在船舶部件制造中的應(yīng)用前景光明，預(yù)計(jì)未來幾

年將繼續(xù)快速增長。隨著材料、工藝和軟件的持續(xù)發(fā)展，該技術(shù)將使

更復(fù)雜、更高效的船舶部件成為可能。

第四部分船舶螺旋槳增材制造的挑戰(zhàn)與解決方案

關(guān)健詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主題名稱：材料選擇和工藝

定制1.常規(guī)螺旋槳材料的限制（如溶點(diǎn)高、后處理復(fù)雜）和選

擇先進(jìn)材料的必要性（如高溫合金、復(fù)合材料）。

2.增材制造工藝參數(shù)的優(yōu)化，如打印速度、層厚和能量輸

入，以滿足螺旋槳的特定幾何和性能要求。

3.定制增材制造工藝，如方向沉積鑄造和熔融沉積成型，

以獲得最佳的材料性能和形狀普度。

主題名稱：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

船舶螺旋槳增材制造的挑戰(zhàn)與解決方案

挑戰(zhàn)：

*復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)：螺旋槳具有扭曲的葉片和復(fù)雜的表面，給增材制造

帶來挑戰(zhàn)。

*材料要求：螺旋槳需要具有高強(qiáng)度、剛度和抗腐蝕性，這限制了可

用于增材制造的材料選擇。

*力學(xué)性能：增材制造的部件可能會出現(xiàn)各向異性力學(xué)性能，這可能

影響螺旋槳的性能和可靠性。

*表面粗糙度：增材制造工藝產(chǎn)生的表面粗糙度可能導(dǎo)致螺旋槳效率

降低和額外的水流阻力。

*尺寸精度：尺寸精度是螺旋槳性能的關(guān)鍵因素，增材制造必須確保

滿足公差要求。

解決方案：

*先進(jìn)工藝：采用定向能量沉積（DED）或選擇性激光熔化（SLM）等

先進(jìn)增材制造工藝，能夠制造具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件。

*材料開發(fā)：研究和開發(fā)適用于螺旋槳增材制造的特定合金和復(fù)合材

料，以滿足強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性要求。

*熱后處理：采用熱后處理技術(shù)（如熱等靜壓或退火）可以改善增材

制造部件的力學(xué)性能和減少各向異性。

*表面加工：采用精密加工技術(shù)（如數(shù)控銃削或研磨）可以改善增材

制造部件的表面粗糙度。

*質(zhì)量控制：實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序，包括非破壞性檢測（NDT）

和機(jī)械測試，以確保部件滿足性能和安全標(biāo)準(zhǔn)。

案例研究：

*金屬增材制造：勞斯萊斯使用SLM技術(shù)制造了一批鈦合金螺旋槳

葉片。這些葉片滿足了強(qiáng)度和抗腐蝕性要求，同時(shí)減輕了重量。

*復(fù)合材料增材制造：CNIM研發(fā)了一種使用DED技術(shù)制造復(fù)合材

料螺旋槳葉片的工藝。該葉片具有改善的水動(dòng)力性能和更高的耐損性。

研究與發(fā)展：

*數(shù)字化設(shè)計(jì)：優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)，以減輕復(fù)雜性并提高增材制造的可

行性。

*過程建模：開發(fā)過程模型，以預(yù)測增材制造過程中發(fā)生的變形和殘

余應(yīng)力。

*材料表征：對增材制造部件進(jìn)行深入的材料表征，以了解其力學(xué)性

能和微觀結(jié)構(gòu)。

*仿真和優(yōu)化：利用干算流體力學(xué)（CFD）和優(yōu)化算法來模擬和優(yōu)化

螺旋槳性能。

結(jié)論：

增材制造為船舶螺旋槳制造提供了獨(dú)特的機(jī)遇。通過解決復(fù)雜幾何結(jié)

構(gòu)、材料要求和力學(xué)性能等挑戰(zhàn)，可以實(shí)現(xiàn)高效、耐用和具有成本效

益的螺旋槳。持續(xù)的研究和發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)船舶螺旋槳增材制造技

術(shù)的發(fā)展，為船舶行業(yè)開辟新的可能性。

第五部分船體結(jié)構(gòu)件增材制造的材料選擇與工藝優(yōu)化

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

材料選擇

1.不同金屬和復(fù)合材料的性能比較：對鋁合金、鈦合金、

不銹鋼和碳纖維增強(qiáng)聚合物等材料在強(qiáng)度、重量和耐腐蝕

性等方面的性能進(jìn)行分析。

2.先進(jìn)材料的應(yīng)用：探索高炮合金、納米復(fù)合材料和輕質(zhì)

金屬等新型材料的增材制造可能性，探討其在船體結(jié)構(gòu)件

中的潛在優(yōu)勢。

3.材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能：研究增材制造工藝對材料

微觀結(jié)構(gòu)的影響，并探討其與刀學(xué)性能之間的關(guān)系。

工藝優(yōu)化

1.不同增材制造技術(shù)的比較：分析定向能量沉積、粉末床

融合和材料噴射等增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，針對不同

船體結(jié)構(gòu)件選擇最優(yōu)工藝。

2.參數(shù)優(yōu)化：探索激光功率、掃描速度、材料送粉率等工

藝參數(shù)對零件質(zhì)量的影客，建立參數(shù)優(yōu)化模型以提高增材

制造船體結(jié)構(gòu)件的可靠性和效定。

3.后處理技術(shù)：研究熱處理、表面處理和后加工等后處理

技術(shù)的應(yīng)用，探討其對船體結(jié)杓件性能的改善作用。

船體結(jié)構(gòu)件增材制造的材料選擇與工藝優(yōu)化

增材制造(AM)技術(shù)在船體結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。材

料選擇和工藝優(yōu)化對于確保AM制造出的船體結(jié)構(gòu)件滿足性能要求

至關(guān)重要。

材料選擇

用于船體結(jié)構(gòu)件AM的材料主要有：

*鈦合金：強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性好，但戌本高昂。

*鋁合金：重量輕、易于加工，但強(qiáng)度相對較低。

*不銹鋼：耐腐蝕性極佳，但強(qiáng)度較鈦合金低。

*媒合金：強(qiáng)度高、耐高溫，但加工較難。

材料的選擇應(yīng)綜合考慮以下因素：

*強(qiáng)度：船體結(jié)構(gòu)件承受著各種載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度。

*重量：為了提高船舶的效率和航程，材料應(yīng)盡可能輕量化。

*耐腐蝕性：船體長期暴露在海洋環(huán)境中，材料必須具有優(yōu)異的耐腐

蝕性。

*成本：材料的成本對制造過程的經(jīng)濟(jì)可行性至關(guān)重要。

工藝優(yōu)化

AM工藝優(yōu)化包括以下方面：

*層厚度：層厚度影響打印件的表面粗糙度和力學(xué)性能。較薄的層厚

度可提高打印件的精度和強(qiáng)度。

*掃描速度：掃描速度影響材料的熔化和凝固過程。較高的掃描速度

可提高生產(chǎn)效率，但可能會導(dǎo)致缺陷。

*能量輸入：能量輸入控制著材料的熔化深度和寬度。較高的能量輸

入可改善粘合強(qiáng)度，但也會增加變形風(fēng)險(xiǎn)。

*支撐結(jié)構(gòu)：對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印件，需要使用支撐結(jié)構(gòu)來防止變形

和懸垂部分的塌陷。支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以最小化材料浪費(fèi)和表面粗糙

度。

具體優(yōu)化策略

針對不同材料和打印件要求，以下是一些常見的優(yōu)化策略：

*鈦合金：采用低層厚度(0?卜0.25mm)、中高掃描速度(1000-2000

mm/min)和較高的能量輸入。

*鋁合金：采用中層厚度(0.2-0.35mm)＞中低掃描速度(600-1200

mm/min)和中等能量輸入。

*不銹鋼：采用高層厚度(0.3-0.6mm)、低掃描速度(400-800

mm/min)和較低的能量輸入。

*鑲合金：采用低層厚度(0.1-0.2mm)、中掃描速度(800T500

mm/min)和較高的能量輸入。

通過優(yōu)化材料選擇和工藝參數(shù)，可以顯著提高AM船體結(jié)構(gòu)件的性

能、效率和經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)制造方法相比，AM在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制

造、材料利用率和設(shè)計(jì)靈活性方面具有顯著優(yōu)勢。

第六部分船舶管道系統(tǒng)增材制造的輕量化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

優(yōu)化管道幾何結(jié)構(gòu)

1.利用拓?fù)鋬?yōu)化算法，基于特定載荷和邊界條件，去除管

道中非關(guān)鍵區(qū)域的材料，實(shí)現(xiàn)輕量化；

2.采用形狀優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化管道彎曲、分支和連接部位的

幾何形狀，降低應(yīng)力集中，減〃材料消耗；

3.探索仿生學(xué)設(shè)計(jì)，從自然界的輕巧結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設(shè)

計(jì)出具有良好力學(xué)性能和輕質(zhì)化的管道結(jié)構(gòu)。

采用輕質(zhì)材料

1.使用高強(qiáng)度、低密度材料，如鋁合金、鈦合金和碳纖維

受合材料，替代傳統(tǒng)鋼材，減輕管道重量；

2.探索新型輕質(zhì)材料，如金屬泡沫、晶格結(jié)構(gòu)和聚合物基

復(fù)合材料，充分利用其輕質(zhì)、吸能和耐腐蝕特性；

3.建立多材料設(shè)計(jì)方法，通過不同密度和剛度的材料組合，

優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)的整體重量和性能。

管壁減薄

1.優(yōu)化管壁厚度分布，根據(jù)管道不同受力部位的需求，增

大或減小壁厚，避免材料浪費(fèi)；

2.采用分級壁厚設(shè)計(jì)，在管道兩端采用較厚壁厚，而在中

間段采用較薄壁厚，減輕整體重量；

3.探索先進(jìn)成形技術(shù)，如液壓成形和爆炸成形，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜

管道形狀和管壁減薄的精確制造。

集成設(shè)計(jì)和制造

1.采用數(shù)字李生技術(shù),建立管遒系統(tǒng)的虛擬模型，模擬和

優(yōu)化制造過程，減少試錯(cuò)和材料浪費(fèi)；

2.利用增材制造技術(shù)，直接制澧一體化的管道系統(tǒng)，無需

焊接和組裝，簡化制造工藝，降低重量；

3.發(fā)展在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控制造過程，確保管

道質(zhì)量和輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

輕量化后的結(jié)構(gòu)評價(jià)

1.通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，評估輕量化管道系統(tǒng)的機(jī)械性能

和流體特性，確保其滿足設(shè)計(jì)要求；

2.建立輕量化管道系統(tǒng)的壽命預(yù)測模型，評估其在不同使

用條件下的耐久性，優(yōu)化維護(hù)間隔；

3.探索輕量化管道的創(chuàng)新應(yīng)用，如特殊部件集成、傳感器

嵌入和模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升管道系統(tǒng)的整體性能。

展望和趨勢

1.未來增材制造技術(shù)將進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)更高精度、更大

尺寸的復(fù)雜管道部件制造；

2.輕量化設(shè)計(jì)方法將與先進(jìn)材料和成形技術(shù)相結(jié)合，打造

更輕、更強(qiáng)、更高效的船舶管道系統(tǒng)；

3.輕量化管道系統(tǒng)將成為船舶綠色化和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵

技術(shù)，助力減少能耗、降低碳排放。

船舶管道系統(tǒng)增材制造的輕量化設(shè)計(jì)

增材制造(AM)技術(shù)在船舶管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有顯著的輕量化

潛力。與傳統(tǒng)制造方法相比，AM能夠生產(chǎn)具有高度復(fù)雜幾何形狀和

輕量化結(jié)構(gòu)的部件。以下介紹AM在船舶管道系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)中的優(yōu)

勢：

1.拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是一種通過優(yōu)化材料分布來實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)方法。使用

AM,可以制造具有交錯(cuò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的幾何形狀的部件，從而去

除不必要的材料并保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

研究表明，對于船舶管道系統(tǒng)，AM拓?fù)鋬?yōu)化可將重量減少高達(dá)30%o

例如，韓國研究與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(KR)報(bào)道了使用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的管道的

重量減少了23.6%。

2.晶格結(jié)構(gòu)

晶格結(jié)構(gòu)是具有周期性孔隙網(wǎng)絡(luò)的輕質(zhì)材料。AM允許制造具有高度

可控孔隙度和剛度的定制晶格結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化晶格參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)輕

量化和機(jī)械性能之間的平衡。

在船舶管道系統(tǒng)中，晶格結(jié)構(gòu)已用于減輕閥門、法蘭和彎管等組件的

重量。例如，意大利國家研究委員會(CNR)使用晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一

種閥門，其重量僅為傳統(tǒng)制造閥門的一半。

3.多材料設(shè)計(jì)

AM能夠制造由多種不同材料制成的復(fù)合部件。通過結(jié)合具有不同機(jī)

械性能的材料，可以實(shí)現(xiàn)輕量化和局部加強(qiáng)。

例如，在管道彎管中，可以通過在彎曲區(qū)域使用高強(qiáng)度材料來提高強(qiáng)

度，同時(shí)在直線區(qū)域使用低密度材料來減輕重量。哈爾濱工程大學(xué)的

研究表明，對于船舶管道彎管，多材料設(shè)計(jì)可將重量減少15%至20%o

4.過程仿真

AM過程仿真工具可以預(yù)測部件在制造過程中的變形和殘余應(yīng)力。通

過優(yōu)化過程參數(shù)，可以減少變形并防止部件損坎，從而避免后續(xù)加工

和額外的重量。

使用過程仿真，可以優(yōu)化部件的放置和支撐結(jié)構(gòu)，以確保其在制造過

程中保持尺寸精度。這有助于降低廢品率并提高輕量化設(shè)計(jì)的整體效

率。

5.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

AM技術(shù)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可用于通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化進(jìn)一步減輕重量。

通過分析傳感器數(shù)據(jù)和制造反饋，可以識別和解決影響輕量化的設(shè)計(jì)

缺陷。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以建立預(yù)測模型，以預(yù)測部件的力學(xué)性能，并

根據(jù)這些預(yù)測調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)可加快輕量化過程并提

高最終部件的性能。

結(jié)論

AM技術(shù)為船舶管道系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)提供了廣泛的可能性。通過實(shí)施

拓?fù)鋬?yōu)化、晶格結(jié)構(gòu)、多材料設(shè)計(jì)、過程仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)等技

末，可以顯著減少重量，同時(shí)保持或提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

隨著AM技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)船舶管道系統(tǒng)的輕量

化潛力將進(jìn)一步提高，從而提高船舶的能效和運(yùn)營成本。

第七部分增材制造的船舶部件的力學(xué)性能評估

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

靜態(tài)力學(xué)性能

1.增材制造的船舶部件具有高度的各向異性，其力學(xué)性能

受構(gòu)建方向、材料選擇和后處理等因素影響。

2.拉伸和壓縮試驗(yàn)已廣泛用于評估增材制造部件的楊氏模

量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。

3.疲勞試驗(yàn)是增材制造部件在循環(huán)載荷下的性能評估的關(guān)

鍵，包括低周疲勞和高周疲勞測試。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

1.阻尼分析用于評估增材制造部件的能量耗散能力，這對

于減輕船舶振動(dòng)和噪聲尤為重要。

2.模態(tài)分析確定了部件的固有頻率和振型，這對于了解其

動(dòng)態(tài)響應(yīng)和避免共振至關(guān)重要。

3.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)正在探索.以實(shí)時(shí)監(jiān)測增材

制造部件的力學(xué)性能，確保船舶的安全性。

斷裂力學(xué)性能

1.斷裂韌性表征了增材制造部件承受裂紋擴(kuò)展的能力，裂

紋擴(kuò)展速率（da/dN）和應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）用于評估斷裂性

能。

2.數(shù)值模擬，如有限元分析（FEA）,用于預(yù)測部件的斷裂

行為，并優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其斷裂韌性。

3.斷裂表面分析有助于識別斷裂機(jī)理，如脆性斷裂或韌性

斷裂，并為部件的性能改進(jìn)提供依據(jù)。

環(huán)境影響

1.海洋環(huán)境（海水、腐蝕、生物附著）對增材制造部件的

力學(xué)性能有顯著影響，需要進(jìn)行長期評估。

2.紫外線輻射、高溫和低溫等極端環(huán)境條件可能導(dǎo)致部件

的力學(xué)性能退化。

3.環(huán)境友好的材料和表面處理咬術(shù)正在開發(fā)，以提高增材

制造部件的耐用性和環(huán)境適應(yīng)性。

連接性能

1.增材制造部件通常通過連接皮術(shù)（如焊接、膠接和機(jī)械

連接）集成到船舶結(jié)構(gòu)中。

2.這些連接的力學(xué)性能對于確果船舶的整體強(qiáng)度和剛度至

關(guān)重要。

3.連接設(shè)計(jì)和制造方法的優(yōu)化對于獲得可靠且高效的連接

至關(guān)重要。

驗(yàn)證和認(rèn)證

1.增材制造部件的力學(xué)性能評咕需要嚴(yán)格的驗(yàn)證和認(rèn)證程

序，以確保其符合船舶設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.第一方和第三方測試、認(rèn)證機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)在評估和認(rèn)

證增材制造部件的力學(xué)性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3.持續(xù)的研究和開發(fā)對于改進(jìn)力學(xué)性能評估方法，并促進(jìn)

增材制造部件在船舶領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

增材制造船舶部件的力學(xué)性能評估

增材制造(AM),又稱3D打印，是一種革命性的技術(shù)，它通過逐層

沉積材料來構(gòu)建復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件，突破了傳統(tǒng)制造工藝的限制。

在船舶工業(yè)中，AM在制造輕量化、高性能部件方面具有巨大潛力，

但其力學(xué)性能評估至關(guān)重要，以確保其在惡劣海洋環(huán)境下的可靠性。

材料性能評估

增材制造的船舶部件所用材料與傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的部件可能具有不同

的力學(xué)性能。這是由于AM工藝固有的熱循環(huán)、層疊結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力。

因此，必須對原材料和打印部件進(jìn)行全面的材料性能評估，包括：

*拉伸性能：評估部件在拉伸載荷下的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和延

伸率。

*彎曲性能：評估部件在彎曲載荷下的屈服強(qiáng)度和極限彎曲強(qiáng)度。

*沖擊韌性：評估部件抵抗突然沖擊載荷的能力，例如高速海浪或碰

撞。

*疲勞強(qiáng)度：評估部件在反復(fù)載荷作用下的耐久性，這是海洋環(huán)境中

常見的損傷模式。

*斷裂韌性：評估部件在存在裂紋或缺陷時(shí)抵抗斷裂的能力。

結(jié)構(gòu)性能評估

除了材料性能評估外，還必須評估增材制造船舶部件的結(jié)構(gòu)性能。這

包括：

*應(yīng)力分布分析：使用有限元分析或?qū)嶒?yàn)方法確定部件在不同載荷條

件下的應(yīng)力分布。

*局部失效模式：識別部件中的局部弱點(diǎn)，例如應(yīng)力集中區(qū)或界面缺

陷。

*全局模型校準(zhǔn)：通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，校準(zhǔn)用于結(jié)構(gòu)評估的數(shù)值模

型。

*破壞分析：確定部件在超過其設(shè)計(jì)載荷時(shí)的失效模式，例如屈服、

斷裂或疲勞損傷。

測試方法

增材制造船舶部件的力學(xué)性能評估涉及廣泛的測試方法，包括：

*標(biāo)準(zhǔn)化測試：使用ASTM.ISO或行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)拉伸、

彎曲和沖擊韌性測試。

*非標(biāo)準(zhǔn)化測試：針對特定應(yīng)用或部件幾何形狀而開發(fā)的定制化測試,

例如疲勞和斷裂韌性測試。

*無損檢測(NDT)：使用X射線、超聲波或其他技術(shù)，在不損壞部

件的情況下檢測缺陷。

*數(shù)值仿真：使用有限元分析或其他數(shù)值方法履擬部件的力學(xué)行為。

質(zhì)量控制和認(rèn)證

增材制造船舶部件的力學(xué)性能評估對于確保其安全性和可靠性至關(guān)

重要。因此，需要建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施以監(jiān)控生產(chǎn)過程并確保部

件符合要求。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，例如DNVGL-ST-C501和ABS2022Guidance

Notefor3DPrintinginMarineApplications,為滿足這些要求

提供了指導(dǎo)。

結(jié)論

增材制造在船舶工業(yè)口為制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件開辟了新的可能

性。然而，必須仔細(xì)評估這些部件的力學(xué)性能以驗(yàn)證其在海洋環(huán)境中

的可靠性。通過全面的材料和結(jié)構(gòu)性能評估，結(jié)合先進(jìn)的測試方法和

嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，可以確保增材制造的船舶部件滿足安全和性能

要求，并為未來船舶設(shè)計(jì)開辟新的途徑。

第八部分船舶增材制造部件的質(zhì)量控制和缺陷檢測

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

增材制造船舶部件的非破壞

性檢測1.計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和超聲波檢測等非破壞性檢測

(NDT)技術(shù)已廣泛用于評估增材制造船舶部件的內(nèi)部缺

陷。CT可提供高分辨率的三維圖像，而超聲波檢測可識別

空隙和裂紋。

2.實(shí)時(shí)在線監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)增材制造過程中的缺陷檢測。通過

嵌入傳感器或使用高速相機(jī)等技術(shù)，可以監(jiān)測溫度、愿力和

其他參數(shù)，以識別潛在的缺陷來源。

3.機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能(AI)用于分析NDT數(shù)據(jù)并自動(dòng)

化缺陷檢測。這些技術(shù)可以提高檢測精度和效率，并可用于

發(fā)展預(yù)測性維護(hù)策喀。

增材制造船舶部件的幾何尺

寸測量1.坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)和激光掃描儀等三維測量技術(shù)可

用于測量增材制造船舶部件的幾何尺寸。這些技術(shù)可提供

高精度的測量數(shù)據(jù)，并可用于驗(yàn)證部件是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.光學(xué)測量技術(shù)，例如結(jié)構(gòu)光和白光干涉，也用于測量復(fù)

雜曲面和內(nèi)部特征。這些技術(shù)提供了非接觸式的測量，可避

免損壞精致的部件。

3.基于圖像的測量技術(shù)，例如攝影測量和三維重建，用于

測量自由曲面的部件。這些技術(shù)利用圖像處理算法從多個(gè)

圖像中提取三維數(shù)據(jù)。

增材制造船舶部件的材料表

征I.機(jī)械測試，例如拉伸試驗(yàn)、彎曲試臉和疲勞試驗(yàn)，用于

評估增材制造船舶部件的機(jī)械性能。這些測試提供有關(guān)屈

服強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞壽命等特性的數(shù)據(jù)。

2.顯微組織分析，例如光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡，用

于研究增材制造部件的微觀結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)可識別影響機(jī)

械性能的晶粒結(jié)構(gòu)、晶界和缺陷。

3.化學(xué)分析，例如能量色散X射線光譜(EDS)和X射

線衍射(XRD),用于確定增材制造部件的化學(xué)成分。這些

技術(shù)有助于確保部件符合材料規(guī)范。

增材制造船舶部件的性能測

試1.力學(xué)性能測試，例如靜力載芍測試和振動(dòng)分析，用于評

估增材制造船舶部件在實(shí)際應(yīng)用中的性能。這些測試模擬

實(shí)際條件，并可識別潛在的失效模式。

2.環(huán)境耐久性測試，例如腐蝕測試和高溫測試，用于評估

增材制造船舶部件在惡劣環(huán)境中的耐用性。這些測試可確

保部件能夠承受海洋環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)和極端溫度。

3.疲勞壽命測試用于評估增材制造船舶部件在重復(fù)載荷下

失效的能力。這些測試提供有關(guān)部件耐用性和安全性的數(shù)

據(jù)。

增材制造船舶部件的質(zhì)量管

理1.過程控制是確保增材制造船舶部件質(zhì)量的關(guān)鍵。監(jiān)控打

印參數(shù)、物料特性和環(huán)境條件可防止缺陷的發(fā)生。

2.統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)技術(shù)用于分析制造數(shù)據(jù)并識別過

程變異。SPC可幫助優(yōu)化過程并降低缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

3.質(zhì)量認(rèn)證，例如ISO9001知AS9100,要求制造商建

立和維護(hù)質(zhì)量管理體系。這些認(rèn)證可確保增材制造船舶部

件符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

增材制造船舶部件的缺陷預(yù)

防1.設(shè)計(jì)優(yōu)化可通過消除應(yīng)力集中、優(yōu)化幾何形狀和選擇合

適的材