全 文 ：书第 35 卷第 10 期
2013 年 10 月
舰 船 科 学 技 术
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 35，No． 10
Oct．，2013
强声法清除附着藤壶的力学仿真
易定和，欧阳清，周泽均
( 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)
摘 要: 船体等由于表面附着动物、植物和微生物而产生的危害称为生物污损，其带来的安全隐患和能源消
耗一直以来都是人类从事海洋活动的一大难题。藤壶是我国周边海域一种常见的海洋污损生物，附着在船体表面，使
船体行进阻力增加，降低船舶机动性并造成其寿命减短。藤壶具有粘接强度高、难清除的特点。本文研究强声清除附
着藤壶机理，明确强声清污的 2 种可能方式，并利用有限元软件建立藤壶附着模型，对强声清污进行仿真分析。结果
表明，基于强声产生共振力或“综合力”都对附着藤壶有清除效果。
关键词: 藤壶; 强声; 仿真分析
中图分类号: TQ63 文献标识码: A
文章编号: 1672 － 7649(2013)10 － 0051 － 05 doi:10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2013. 10. 012
The dynamics simulation study of strong acoustic method to remove attached barnacle
YI Ding-he，OU Yang-qing，ZHOU Ze-Jun
(Naval Engineering University College of Power Engineering，Wuhan 430033，China)
Abstract: A fouling organism is a general designation of all the living things attaching the faces of
objects in seawater，whose harms are named biofouling，toubling region of oceanics all the time． Barnacles are
common fouling organisms in Chinas surrounding marine waters． When barnacles attach to the hull surface，
they can increase resistance to moving ships，reduce the ship maneuverability and reduce the life of ships．
They have high bonding strength，as a result，it is difficult to be removed clear． In this paper，study on
mechanism of strong sound to remove barnacles and understand two possible ways of strong sound to clean
barnacles． Using COMSOL Multiphysics to establish the barnacle adhesion model and make the simulation
analysis． The results show that resonance force and comprehensive power have the clearance effect on
adhesion barnacle．
Key words: diatoms;strong sound;simulation
收稿日期:2012 － 09 － 17;修回日期:2012 － 10 － 10
作者简介:易定和(1988 －) ，男，硕士研究生，研究方向为舰船工程信息可视化技术、船舶噪声监测等。
0 引 言
藤壶又称为 “马牙”或 “蚵沏仔”，属节肢动
物门甲壳纲围胸目动物，是我国周边海域一种主要
的污损生物。藤壶大多生活在潮间带，附着栖息于
海水中固定或浮动的硬物上，例如船体、浮标、桥
墩、码头、网箱及网具等［1］。
明确藤壶附着情况及机理，已找到一些清除藤
壶的方法，包括:物理清污法、化学防污法和生物
防污法。物理清污法主要指使用人工手段或机械设
备对附着藤壶的船体表面进行擦除。化学防污法大
多基于涂料本身形态或其释放物质抑制藤壶生长。
Schumacher 等［2］发现增大涂层微结构的高宽比能显
著降低藤壶幼虫和绿藻孢子的附着量。文献 ［3］
指出，对涂层引入亲水的聚乙二醇 (PEGs)或者同
时引入 － CH2CH2O －片段与疏水片段能阻止污损生
物附着。生物防污法是一种安全环保的防污方法，
但当前直接提取海洋生物自身防污物质的效率低下
舰 船 科 学 技 术 第 35 卷
以及制取仿生材料的昂贵成本都使该方法暂时无法
大规模使用。
本文对强声清除附着藤壶进行力学仿真研究，
探讨强声清污的理论基础，明确基于强声作用使附
着藤壶得到清除的 2 种方式。仿真结果表明，不论
是基于强声产生共振力还是产生 “综合力”都对附
着藤壶有清除效果。
1 藤壶附着基本情况
藤壶粘接主要经历介虫形幼虫暂时粘附、介
虫形幼虫永久性粘接、幼体藤壶粘接和成体藤壶
粘接 4 个过程。具体附着过程为:生活在海洋中
的成体藤壶在浮游生物上分离出幼虫形态的无节
幼体，该幼体通过吸取浮游生物体养分最终蜕变
成介虫形幼虫，幼体初期通过触角附着接触表面，
该附着称之为暂时粘接;随后介虫形幼虫发现合
适的表面，分泌聚合物并实现永久定居，此时暂
时粘接转变成永久粘接，而介虫形幼虫最终变为
壳状幼体，幼体藤壶继续在基体表面分泌出幼体
胶。幼体变为成体后，成体胶也分泌到基材上，
使附着进一步牢固。
2 强声三大基本效应
2. 1 空化效应
空化是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸
汽压力时出现的空泡生成、长大、溃灭现象，其
实质是在流体动力学及热力学联合作用下，液体
介质局部液 －气相变［4］。强声在液体内传播，导
致液体局部形成负压区，产生空穴或气泡并最终
导致其溃灭。空泡溃灭会产生微射流和冲击波，
强大的冲击波对流体本身及内部物质产生强大的
机械搅拌作用。
2. 2 声辐射力效应
在高强声条件下，声波的非线性效应显著，会
在声压中引起一个“直流”项，这一项时间的平均
值具有固定的方向和大小，从而产生声辐射压力。
声波产生的声辐射压力是惊人的，它可以把常见固
体悬浮于空中。长时间的辐射力对物体有 “持续作
用力”效果。
2. 3 声流效应
气体或液体媒质中有强声波传播时，往往会引起
一种非周期的运动，这种现象称为声流［5］。声流可以
产生巨大的剪切力，液体中的物体受声流作用会发生
运动或形变。声流对破坏附面层，加速传质传热，以
及清除表面污垢、杂物都是非常有效的［6］。
3 强声清污仿真分析
对藤壶的清除机理可以理解为对藤壶分泌胶体
产生何种作用使其 “失效”。当强声作用在附着藤
壶及其胶体表面时，分析强声三大基本效应可知，
其对藤壶分泌胶体可能产生共振力效果和综合力效
果。声波本身是一种周期性机械波，其导致的空化、
声流效应都会有一定的周期 (频率) ，对附着藤壶
施加一定频率的力会使其产生振动等效果。此外，
上述三大效应对流体中物体都会产生 “力”效果，
该效果不能用某单一变量衡量，暂称其为 “综合
力”效果。下面，对附着藤壶 2 种可能清除机理作
相应研究。
3. 1 基于共振力清污仿真分析
考虑藤壶胶体因共振而失效时，可以从胶体
固有模态着手。固有模态是事物一种本真自然属
性，当外界作用力频率与事物固有频率接近或相
同时，事物由于共振具有可能的最大失效破坏。
一般说来，每种事物都有若干固有频率，对应于
每种模态，事物的失效形式是不尽相同的。分析
藤壶分泌胶体各阶模态振型，可以明确藤壶分泌
胶体的失效机理。
根据藤壶分泌胶体基本属性，建立胶体分析
模型，设定胶体材料参数。仿真时假定胶体不存
在气孔等空隙，结构连接完好且结合面不存在缺
陷。设置其材料模型为软件内置的 viscoelastic
material model，查阅相关资料［7 － 8］，设定其主要参
数为密度 1 190 kg /m3，杨氏模量 3E9 Pa，泊松比
0. 1。然后对边界条件进行相应约束。在本仿真实
验中，将胶体下边界设定为固定约束以模拟胶体
实际粘接状态，利用三角形网格单元进行网格划
分，划分后共得到 402 个单元。代入求解器进行
求解运算，得到 “模拟胶体”的前 4 阶固有模态
振型如图 1 ～图 4 所示。
·25·
第 10 期 易定和，等: 强声法清除附着藤壶的力学仿真
图 1 一阶模态 (831 Hz)下胶体变形图
Fig. 1 A modal of colloid deformation diagram
图 2 二阶模态 (833 Hz)下胶体变形图
Fig. 2 Two modals of colloid deformation diagram
图 3 三阶模态 (899 Hz)下胶体变形图
Fig. 3 Three modals of colloid deformation diagram
图 4 四阶模态 (931 Hz)下胶体变形图
Fig. 4 Four modals of colloid deformation diagram
从图 1 ～图 4 得知，藤壶分泌胶体的前 4 阶固
有频率接近 850 Hz。4 阶模态振型是不尽相同的。
在前 2 阶模态中，胶体所受应力基本相当，其变形
以偏移变形为主，区别是胶体偏移方向不相同，基
于声场作用使胶体在该频率下振动，通过对胶体长
时间施加“相同方向作用力”可使胶体的附着特性
受到破坏，有利于附着藤壶的清除;在第三阶模态，
胶体的变形基本可以忽略，此时，共振的唯一效果
是导致胶体内部不同部位出现不同程度的应力集中，
对藤壶的清除效果有限;在第四阶模态，该胶体上
半部分各处受到近似对称的应力集中并发生不一致
的挤压变形，该种变形使得藤壶与胶体的连接处出
现破坏松动，该种频率外力作用下可能出现的结果
是藤壶被清除，其分泌胶体仍然附着在船体表面。
3. 2 基于“综合作用力”清污仿真分析
采用三维建模方法对单个附着藤壶进行清除力学仿
真研究，建立模型如图 5所示。模型主要几何参数为:
下部矩形模拟船体钢板部分厚度，几何尺寸为 20 mm ×
15 mm ×3 mm;上部矩形模拟对象为静态流体，几何尺
寸为 15 mm ×10 mm ×7 mm;椭圆体表征单个成体藤
壶，其三轴几何尺寸分别为2 mm，2 mm，2. 5 mm，藤
壶胶体用三维液体桥［9］形式表征，其主要尺寸为底部
半径 1. 8 mm，高度 1. 8 mm，拉伸半角 35°。
材料参数设定。对于下部矩形区域，模拟对象
为船体，使用结构钢材料，主要参数为密度 7 850
kg /m3，杨氏模量 3E9 Pa，泊松比 0. 33;对于藤壶
分泌胶体区域，如 3. 1 设置其主要参数为密度 1 190
kg /m3，杨氏模量 3E9 Pa，泊松比 0. 1;对于藤壶体
区域，其外壳具有结构强度大，比较坚硬等特点，自
定义材料参数，设定主要参数为密度 5 000 kg /m3，
杨氏模量 100E9 Pa，泊松比 0. 3。
区域及边界条件设置。考虑藤壶附着时受力情
况进行如下属性设置:设定船体处于静止状态，整
体设置为固定约束;对于胶体与船体的接触边界面，
为便于观察仿真效果，设置其为固定约束。不考虑
强声波在介质中的传播，设定声源置于附着藤壶附
近 (其几何位置如图 5 中黑点所示)。上部矩形边
界声场条件设置需要保证边界条件与实际情况的一
致性即不限定声波传播范围。因此，设定该矩形周
边声场边界条件为可允许声波正常传播。
划分网格，进行计算求解。对该模型的网格划
分需要考虑 2 个重要因素。根据文献 ［10］，在进
·35·
舰 船 科 学 技 术 第 35 卷
行声学方面的仿真实验时，为了提高计算精度，需
要保证每个波长内有 6 个网格单元的分析要求。此
外，为准确描述胶体的物理性质，使用十分详细的
实体建模方法对胶体进行建模，在胶层自由边缘必
须至少划分 4 个单元以保证能准确表现出胶层的变
形效果，胶层表面内也应划分尽可能多的网格单元，
这样划分能正确描绘边缘变形的衰减［11］。因此，对
胶体等按文献要求设定网格尺寸大小，用三角形单
元进行网格划分，得到如图 6 所示的三维模型网格
划分示意图，该网格模型共有 21 774 个单元。最后
代入求解器进行相关求解后得到应力应变示意图。
图 5 附着藤壶三维模型
Fig. 5 Barnacle adhesion model
图 6 三维模型网格划分示意图
Fig. 6 3D mesh division
图 7 点声源 (2. 5 W)作用下藤壶及其胶体应力应变图
Fig. 7 Under the action of point source (2. 5 W) the
barnacle stress strain diagram
图 8 点声源 (5 W)作用下藤壶及其胶体应力应变图
Fig. 8 Under the action of point source (5 W) the
barnacle stress strain diagram
图 9 点声源 (7. 5 W)作用下藤壶及其胶体应力应变图
Fig. 9 Under the action of point source (7. 5 W) the
barnacle stress strain diagram
图 10 点声源 (10 W)作用下藤壶及其胶体应力应变图
Fig. 10 Under the action of point source (10 W) the
barnacle stress strain diagram
在不同功率声源 (频率为 100 Hz)条件下，藤
壶及其分泌胶体受到强声 “综合力”产生应力应
变，如图 7 ～图 10 所示，4 种情况的声功率分别为
2. 5 W，5 W，7. 5 W，10 W。由图可知:点声源产
生强声波使附着藤壶受到力作用，导致胶体出现形
变。随着声源功率的改变，强声波对附着藤壶的作
用效果是有区别的，主要体现在 2 方面:一是胶体
局部所受应力不同，随声源功率的增大，藤壶与分
泌胶体的连接处出现应力增大、应力进一步集中等
·45·
第 10 期 易定和，等: 强声法清除附着藤壶的力学仿真
现象，当声功率为 10 W 时，胶体最大应力达到
10. 1 MN /m2;声功率为 2. 5 W时，胶体最大应力为
5. 1 MN /m2，二者的区别十分明显;另一个区别在
于胶体形变程度，随着声功率的增大，分泌胶体形
变越来越显著 (在仿真分析中不会出现胶体断裂的
现象)，反映藤壶被清除的可能性随声功率的增大
而增加。
以胶体中心线处 (如图 5)所受应力为研究对
象，观察其应力变化趋势，得到如图 11 所示的数
值变化图。从图中可以看到:胶体所受应力呈近
似 “V”型分布，在外力 (强声波)作用方向受
到大的拉应力，在挤压方向受到大的挤压应力，
在中心区域所受应力相对小;该处胶体所受应力
随声源功率的增加而增大，且变化趋势基本保持
一致。
图 11 胶体中心线处应力变化图
Fig. 11 Colloidal center line of stress change chart
由于将胶体与船体接触面设置为固定约束致使
其在声波作用时给出的仿真结果表现为所受应力为
0 和没有应变，藤壶整体也没出现清除脱离。但从
胶体失效趋势判断，可以认为强声 “综合力”作用
在胶体表面使胶体失效部位及方式已有所体现。此
外，根据有关海洋生物胶粘剂的综述文献 ［12］，
科学家合成得到与藤壶分泌胶体性质相近的人工模
拟胶，通过实验得到这种人工模拟胶粘接 Fe 基质时
的拉伸强度为 1. 52 MPa，剪切强度为 1. 92 MPa。上
述强度与此时强声作用下胶体 (即将脱离时)所受
应力强度基本相当，这也反映强声对附着藤壶有清
除效果。
4 结 语
借鉴强声在除尘、去垢等方面的应用，将强声
引入船舶清污领域并进行仿真研究。强声具有的三
大基本效应是其能够清污的理论基础，通过仿真分
析可以看到基于强声产生的共振力或 “综合力”都
对附着藤壶有清除效果。下一步准备设计简易实验
装置，通过真实实验验证强声的清污效果。
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