拓扑优化与连续纤维制造协同设计在船用舷梯轻量化与性能提升中的创新应用

《Results in Materials》：Innovative nautical component designed by integration of topology optimization, lattice structures and continuous glass fiber manufacturing

为解决船用舷梯重量大、传统制造工艺效率低的问题，研究人员开展基于拓扑优化（TO）和连续纤维制造（CFM）技术的复合材料舷梯设计研究。通过集成晶格结构与拓扑优化方法，实现了部件质量减少69%（仅9.9 kg）的同时保持结构刚度，最大位移控制在5.84 mm以内。该研究为航海领域高性能轻量化部件的数字化制造提供了新范式。

　　

在航海工业中，船用舷梯是连接码头与船舶的关键设备，其设计需兼顾安全性、功能性与耐久性。传统舷梯多采用铝合金、不锈钢或复合木材制造，虽能满足基本需求，但存在重量大、定制化成本高、制造周期长等问题。尤其随着高端船舶对轻量化与性能要求的提升，开发新型制造工艺与设计方法成为行业迫切需求。

近年来，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术为复杂结构部件的生产提供了新思路。其中，连续纤维制造（Continuous Fiber Manufacturing, CFM）技术通过逐层沉积预浸渍连续纤维（如玻璃纤维、碳纤维）并结合紫外光固化反应，可实现高性能复合材料的快速成型。该技术不仅具备传统AM的设计自由度与低浪费特性，更因纤维的连续排布而显著提升部件的机械性能。然而，如何将CFM与先进设计方法（如拓扑优化和晶格结构）结合，以最大化材料效率与结构性能，仍是当前研究的难点。

在此背景下，研究团队基于CFM技术，结合拓扑优化（Topology Optimization, TO）与晶格结构设计，开发了一种新型船用舷梯。该研究旨在通过数字化设计方法，实现部件轻量化与刚度提升的双重目标，并验证CFM在航海部件制造中的可行性。相关成果发表于《Results in Materials》，为航海装备的创新制造提供了重要参考。

为开展本研究，团队采用了多项关键技术方法：

1. 1.
   连续纤维制造（CFM）系统：使用KUKA KR10 R900六轴机器人搭载定制端部执行器，实现连续玻璃纤维（Owens Corning SE1200）与光固化乙烯基酯树脂（XA1014）的协同沉积与原位紫外固化。
2. 2.
   拓扑优化（TO）：通过Altair HyperWorks套件（OptiStruct求解器）进行结构优化，以最小化加权柔度为目标函数，设定质量分数约束为0.3，并考虑制造对称性、最小成员尺寸等工艺限制。
3. 3.
   晶格结构集成：在拓扑优化生成的几何空间中填充规则晶格单元，以平衡结构刚度与行走功能性，避免变密度设计带来的表面不平整问题。
4. 4.
   有限元分析与实验验证：使用SimSolid进行线性结构仿真，并通过三点弯曲试验（INSTRON 8850设备）验证数值模型与实测数据的一致性。

1. 引言

船用舷梯的设计需考虑多种因素，包括长度、宽度、承重能力、防滑表面与扶手配置等。传统材料如不锈钢与柚木组合虽稳定性好，但重量较大；铝制舷轻量化但强度有限；复合材料（如碳纤维）性能优异但成本高昂。此外，传统制造工艺（如手工层压）依赖熟练工人，且设计迭代周期长。本研究通过CFM与拓扑优化、晶格结构的结合，旨在突破这些限制，实现舷梯的轻量化、高性能与快速定制。

2. 材料与方法

CFM技术采用数控机器人沉积预浸渍连续纤维束，并通过紫外辐射引发树脂快速聚合。材料系统选用玻璃纤维（SE1200）与乙烯基酯树脂（XA1014），其力学性能如表1所示：密度ρ_s=19000 kg/m³，拉伸模量X方向为26 GPa，Y方向为4.4 GPa，Z方向为3.4 GPa。拓扑优化过程中，设计域与非设计域如图5所示，优化目标为最小化柔度，约束条件包括质量分数0.3、制造方向约束（沿X轴沉积）与几何对称性。晶格结构采用均匀单元设计，以确保表面平整与行走舒适性。

3. 增材制造设计优化

研究通过拓扑优化生成三种初步设计（图7），并进一步优化晶格参数（如壁厚、高度等）。共对比9种配置（Case 0-8），其中Case 0为实心基准模型（重32.1 kg），Case 7为最优设计（重9.9 kg）。优化后舷梯截面如图11所示，关键参数包括晶格厚度t_ls=1.2 mm、顶底壁厚t_td=3.6 mm、侧壁厚t_lw=2.4 mm、内壁厚t_iw=1.2 mm，高度H=60 mm。

4. 测试制造与结果验证

通过CFM打印晶格试件（图9），并进行三点弯曲试验。数值模拟与实验数据高度吻合（图10），力-位移曲线显示最大偏差小于10%，验证了仿真模型的可靠性。Case 7在单点载荷1960 N下的最大位移为5.84 mm，最大冯·米塞斯应力为53 MPa，远低于材料破坏强度（616.8 MPa）。

5. 结果分析与方案选定

对比各方案（表4、图14-15），Case 7表现出最优刚度-重量比（33.90 N/mm/g），且打印时间较短（167.7小时）。与传统金属舷梯（铝制25-35 kg，不锈钢40-60 kg）相比，CFM方案重量降低69%的同时满足刚度要求，证明了其轻量化与性能优势。

6. 结论与展望

本研究成功开发了一种基于CFM、拓扑优化与晶格结构的船用舷梯设计方法。通过集成数字化设计与增材制造，实现了部件重量的大幅降低（从60 kg至9.9 kg）与刚度性能的保留，最大位移控制在6 mm以内。该方案不仅提升了舷梯的力学效率，还展示了CFM技术在航海部件制造中的潜力。未来工作可进一步探索多材料打印、动态载荷适应性与大规模生产的成本优化，推动该技术在高性能海洋装备中的广泛应用。

研究结论表明，CFM与拓扑优化的结合为复合材料结构设计提供了新范式，尤其在需要轻量化与定制化的航海领域具有重要应用价值。通过精准的纤维排布与结构优化，CFM技术有望替代传统制造工艺，成为高性能船舶部件生产的核心方法。