SPS夹层板具有高强度、重量轻、高比刚度、减振、降噪等优良性能,近年来在船舶结构设计领域得到越来越多的关注。本文为实现舰船烟囱结构的轻量化设计,采用SPS夹层板替换钢制烟囱加筋板,得到等重和减重的SPS烟囱结构设计方案,基于力学性能分析,利用基于Box-Behnken试验设计的响应面法对减重SPS烟囱结构进行尺寸优化,得到减重SPS烟囱结构优化方案,对比优化前后减重SPS烟囱结构力学性能的变化情况,接着对SPS烟囱优化结构进行振动特性分析,研究SPS烟囱结构在进行尺寸优化后,结构振动特性的变化情况。本文主要研究内容如下:(1)介绍了舰船结构轻量化设计与优化常用的方法,通过对比拓扑优化、形状优化、尺寸优化等方法的特点和适用范围,结合SPS烟囱结构的结构特点,采用试验设计简单,效率高,能够较好描述设计变量与目标函数的响应面法对结构进行尺寸优化,并对响应面优化方法的设计变量选取,约束条件确定,目标函数以及优化模型检验等内容进行了详细介绍;(2)基于重量相等的原则,以传统钢加筋板烟囱为替代结构,提出SPS烟囱结构的等重设计方案和三种减重设计方案,依据结构的制造和加工的难易、结构自身的重量选出符合结构轻量化设计要求的方案作为SPS烟囱结构的减重初步替代设计方案。对初步替代设计方案进行静强度分析,并结合钢制烟囱替代目标静强度分析结果和结构强度校核准则,对初步替代方案进行分析和校核;(3)以结构轻量化设计为目标,选用结构尺寸优化作为结构实现轻量化的途径,采用Box-Behnken试验设计的响应面法,对SPS烟囱结构的减重初步替代设计方案进行结构尺寸优化:以结构位移与等效应力为优化目标,部件尺寸和结构总重量作为约束条件,建立优化数学模型,得到优化后重量更轻的SPS烟囱结构设计方案,为适用实际的工程要求,对优化所得的结构尺寸进行调整,得到适用的结构优化方案;(4)对比减重SPS烟囱初步替代设计方案、优化后和进行结构尺寸适用性调整的设计方案,由分析结果得到对应的SPS烟囱结构应力和位移。结果表明,经过优化后和适用性的结构设计方案位移分别减少23.47%和21.27%,等效应力分别降低29.32%和30.05%,重量分别减轻10.04%和10.83%,结构的强度和刚度都符合要求。与钢制烟囱替代目标相比,优化后和适用的方案分别减重12.39%和13.16%,结构尺寸优化在满足结构性能要求的同时实现了结构轻量化的设计目标;(5)对SPS烟囱优化结构进行振动特性研究,采用理论方法验证了有限元仿真分析SPS夹层板振动性能的准确性和可行性,对比钢制烟囱替代目标、SPS烟囱结构初步设计方案、优化后的SPS烟囱结构的固有频率和谐响应分析结果,结果表明,采用钢/聚氨酯夹层板替代的SPS烟囱结构减振性能优于钢制烟囱结构,进行尺寸优化的SPS烟囱结构优化前后固有频率改变不大,谐响应分析中的振幅优化后小幅增加,SPS烟囱整体结构的减振性能优于钢制烟囱结构。