全 文 ：第 28 卷第 2 期 大 连 海 洋 大 学 学 报 Vol． 28 No． 2
2 0 1 3 年 4 月 JOURNAL OF DALIAN OCEAN UNIVERSITY Apr ． 2 0 1 3
文章编号:2095－1388(2013)02－0195－04
船体藤壶附着模型的建立及清除藤壶的仿真研究
易定和，欧阳清，周泽均
(海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033)
摘要:藤壶是中国周边海域一种常见的海洋污损生物，具有黏接强度高、难清除的特点。利用 COMSOL
Multiphysics软件建立藤壶附着的模型，模拟藤壶附着船体的情况并对其进行力学仿真研究，得到了达到清
除效果时藤壶胞外分泌胶体的应力、应变以及应变能等数值模拟数据。本研究表明，当提供的外力 (清除
力)达到 180 N时，该仿真模型中藤壶有被清除的趋势，模拟胞外分泌物 (EPS 部分)的应力强度约为
0. 2 MN/m2，该胶体的黏性应变能为 0. 29 J /m3，在该模型中得出的清除藤壶所需力的数据与其他文献发表
的实验结果基本相符，该模型可用于后续用强声法清除附着藤壶的仿真研究。
关键词:藤壶;附着模型;模拟仿真
中图分类号:Q719 文献标志码:A
藤壶隶属于节肢动物门 Arthropoda、甲壳纲
Crustacea、围胸目 Thoracica，又称为马牙、蚵沏
仔，是中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，如船体、浮标、桥墩、码头、网箱及网具
等［1－2］。
清除藤壶等海洋污损生物的基本方法有物理清
污法、化学防污法和生物防污法。物理清污法对附
着船体表面涂覆材料有严重破坏作用;化学防污方
法是基于涂料释放毒性物质将污损生物杀死，该方
法对其他海洋生物也有不利影响;生物防污法是最
有前途的一种方法，但由于直接提取海洋生物自身
防污物质的效率低下以及制取仿生材料的成本昂
贵，使该方法无法得到大规模应用。本研究中以藤
壶为研究对象，对其附着情况适当简化，建立附着
模型，利用有限元分析软件 COMSOL Multiphysics
从力学角度分析其被清除时的基本受力状态、应力
应变情况，得出应力、应变能的数量级，为下一步
应用强声产生的间接力清除附着生物这一新的清污
方法提供科学依据。
1 藤壶附着模型的建立
1. 1 藤壶的附着机制及附着影响因素
藤壶是靠体内分泌的胶体黏接在基体表面，这
种黏接由开始的暂时性黏接转变为最后的永久性黏
接。藤壶不同生长阶段的黏接力不同，参见表 1。
藤壶的黏接主要经历 4 个过程:介虫形幼虫暂
时黏附、介虫形幼虫永久性黏接、幼体藤壶黏接和
成体藤壶黏接。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的养分最终蜕变成
介虫形幼虫，幼体初期通过触角附着接触表面
(该附着称之为暂时黏接) ，随后介虫形幼虫发现
合适的表面后分泌聚合物，实现永久定居 (此时
暂时黏接转变成永久黏接) ，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。
影响藤壶附着的主要因素有被附着物的粗糙度
(表面能)和水体的理化因子。被附着物表面越粗
糙，表面能越高，初期藤壶幼虫通过重力、水流动
被带到附着体上形成暂时性附着的概率就越高。水
体的理化因子包括温度、盐度、水体所含矿物质成
分等。有关试验表明:一定温度条件下，水温的升
高能促进藤壶的生长;盐度太低不利于藤壶的新陈
代谢活动，使藤壶的附着和生长受到抑制;此外，
K+、Mg2+、Ca2+均能抑制藤壶幼体的附着，其中，
K+可影响幼体早期的变态，Mg2+、Ca2+则影响幼体
晚期的变态［3］。
收稿日期:2012－06－21
作者简介:易定和 (1988－) ，男，硕士研究生。E－mail:ydingh2008@ 126. com
通信作者:欧阳清 (1965－) ，男，副教授。E－mail:oy_ qing@ 163. com
DOI:10.16535/j.cnki.dlhyxb.2013.02.003
表 1 不同生长阶段藤壶的黏接情况［4］
Tab. 1 Barnacle adhesion at different growth stages
生长阶段 growth stage 黏接形式 bonding mode 黏接力 bonding stress /N 强度 bonding strength /(MN·m－2)
介虫形幼虫 cypris larvae 暂时黏接 temporary adhesion ＜0. 0006 0. 15 ～ 0. 30
介虫形幼虫 cypris larvae 永久黏接 permanent adhesion ＜0. 020 0. 97
壳状幼虫 crustaceous larvae 永久黏接 permanent adhesion ＜0. 350 0. 17
成体 adult 永久黏接 permanent adhesion ＜180 0. 93
1. 2 藤壶附着模型的建立
生物的黏附一般可分为 3 种:一是细胞与细胞
的黏附，这是多细胞生物体的形成与生长的前提条
件;二是生物体内有生命组织与无生命部分之间的
黏附;三是生物体与外部表面的黏附。本研究中，
只考虑第三种情况，选择单个藤壶生物体附着在船
体表面的状态为研究内容。从表 1 可以看出，在成
体附着阶段，当移除力为 180 N左右时，移除强度
为 0. 93 MN /m2，此时处于最难清除的状态。因此，
针对成体藤壶黏接阶段附着力进行仿真分析，也可
以对其他 3 个虫体阶段藤壶的附着力情况有大体了
解。
考虑到藤壶生物体个体大小以及对最大清除力
的仿真实现，建立如图 1、图 2 所示的模型，该模
型针对成体藤壶附着状态简化后得到。在该模型
中，下部的矩形 (设定为区域 A)模拟对象为污
损生物附着的船体水下接触体，几何尺寸为长度
20 mm、部分宽度 3 mm;中间部分 (设定为区域
B)模拟的是藤壶分泌的胞外聚合物，参考文献
［5］，将胞外聚合物以液体桥的形式表征，其横向
尺寸约为 3. 4 mm，纵向尺寸约为 1. 8 mm;上部的
椭圆模型 (设定为区域 C)模拟成体的藤壶，几
何尺寸为长轴 5 mm，短轴 4 mm。
2 COMSOL有限元建模过程
1)材料属性的设置。导入 “1. 2”中建立的
几何模型，选取软件自带的力学分析模块对 A、B、
C 3 部分进行材料属性的设置。对于区域 A，模拟
的对象是船体，使用软件自带材料库中结构钢材
料，主要参数设置为密度 7 850 kg /m3、杨氏模量
200 MPa、泊松比 0. 33;对于区域 B，由于其模拟
的对象是藤壶分泌胶体，该胶体是一种具有黏性的
材料，设置该部分材料模型用软件自带的 Viscoe-
lastic material model，参照文献 ［6－7］，设置主要
材料参数为密度 1 190 kg /m3、杨氏模量 3 MPa、
泊松比 0. 1;对于区域 C，模拟的对象是成年藤壶，
其外壳具有结构强度相对较大的特点，采用自定义
材料参数，设置主要材料参数为密度 5 000 kg /m3、
杨氏模量 100 MPa、泊松比 0. 3。
2)区域、边界条件的设置。对于区域 A，整
体设置为固定约束;对于区域 B和 C，设置为受到
体载荷 F (方向从左到右) ，随着藤壶受到的体载
荷不断增大，该附着生物有越来越显著地被清除的
趋势。对于边界，设置为固定约束。
3)网格的划分。COMSOL 有限元分析软件自
带有 3 种网格划分方式:自由划分、映射划分和扫
描划分。每种划分网格的方式都能对区域、边的网
格大小、网格的变化程度进行自行设置，以保证网
格的划分能够符合模拟仿真的需要。
为了能准确描述胶层的物理性质，使用详细的
实体建模方法对胶层进行详细的实体建模，在沿胶
层自由边界划分至少 4 个单元以保证能准确表现出
胶层的变形结果。考虑到胶层材料的应变不规则
性，利用三角形单元对胶层进行细分。
将附着藤壶模拟情况简化为对称结构，为了节
约系统内存，加快运算速度，使用二维模型进行仿
真，采用自由划分网格的方式进行网格划分，为了
能较好的反映连接部分 (分泌物与船体及藤壶自
身连接处)的应力情况，对图 1 中边界 3、4、6、
8、9、10、11、12、13、14、15 设置网格最大尺
寸为 0. 5 mm，得到图 3 所示的网格划分效果。
4)求解。COMSOL 有限元分析软件自带有直
接求解器和迭代求解器，研究的类型包括稳态、瞬
态、特征值等。本研究中，由于建立的模型不复
杂，使用稳态直接求解器进行求解，便能快速准确
地得到模拟仿真数值结果。
3 仿真结果分析
3. 1 藤壶的应力应变
从藤壶应力应变数值分析结果 (图 4)可以看
出:当 F = 180 N 时，分泌胶体 (EPS)受到的应
力基本都大于0 . 2MN / m2，外围应力更大，达到
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图 1 藤壶附着模型
Fig. 1 Barnacle adhesion model
图 2 图 1 局部放大图
Fig. 2 The partial enlargerment of Fig. 1
图 3 模型网格划分示意图
Fig. 3 Model mesh division
图 4 载荷 F=180 N时模型的应力、应变数值分析结果
Fig. 4 When F=180 N，model of stress strain numeri-
cal analysis
0. 496 MN /m2;随着 F 值的增大，清除趋势越明
显，当 F=240 N 时，EPS 受到的应力最大可以达
到 0. 661 MN /m2 (文中未记入)。整体的应力大小
虽与表 1 中测得的强度大小有所不同，但其都处于
同一数量级。这些数据与表 1 中的强度数据不一致
的原因，可能是表 1 中测得的数据不是针对单个藤
壶而言，测得的力包括多个藤壶之间的相互作用
力，该作用力对藤壶的附着强度有较大影响。此
外，对称区域具有基本一致的受力趋势，这是在大
自然中进化演变的结果，在海洋环境中，由于藤壶
要面对各种不同的生存环境，胞外聚合物的分泌应
具有相对对称性，以使藤壶能在各种环境下牢固黏
接。从应变情况可以得出，当 F = 180 N 时，藤壶
已经有被清除的趋势。为了得到胞外聚合物中一段
范围内的应力数值情况，利用软件自带的二维切割
线功能选取图 1 区域 B 中红线部分 (范围)进行
相关分析，得到图 5。从图 5 可见，随着 F 的逐渐
增大，该胞外聚合物中间位置的应力大小与其呈正
相关的变化趋势。
图 5 二维切割线 (图 1 中红线部分)的应力变化曲线
Fig. 5 The stress change chart of two dimensional cut-
ting line (red line in Fig. 1)
贺红彬等［8］ 指出，通过试验的方法可以提取
海洋生物胶 (藤壶分泌的胶体为藤壶胶)和合成
人工模拟胶。对比它们的黏接强度得到藤壶胶对
Fe 的拉伸强度为 1. 52 MPa，剪切强度为 1. 92
MPa，与本试验中当外力为 180 N时，得到的外围
强度值 0. 496 MN /m2 在同一数量级上，这也说明
基于该模型进行的仿真研究是合理的。
3. 2 藤壶的应变能
藤壶能够牢固附着在船体表面是通过分泌胞外
胶体黏接这一途径来实现。在本研究的仿真模拟实
验中，将该分泌物作为整体考虑，通过应变能函数
表征其具有的黏接变形性能。考虑到分泌胶体与藤
壶接触处应变较大，选取图 1 区域 B 中点⑦为研
究对象，进行应变能分析得到图 6。从图 6 可见，
当藤壶受到外力导致应变不断增大时，应变能值也
不断增加，说明该分泌物具有良好的黏接性能，良
好的黏接性能也是藤壶能够在各种复杂海洋环境中
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牢固黏接基底的前提条件。当外力为 240 N时，应
变能为 0. 5 J /m3。
图 6 区域 B内点⑦的应变能变化曲线
Fig. 6 The energy change curve in region B point ⑦
strain
4 结语
通过模拟藤壶附着情形的相关分析可以看到，
当提供的外力 (清除力)达到 180 N 时，该仿真
模型中藤壶有被清除的趋势，模拟胞外分泌物
(EPS部分)的应力强度约为 0. 2 MN /m2，与其他
文献中得到的拉应力强度在同一个数量级上;当外
力为 180 N时，该胶体的黏性应变能为 0. 29 J /m3。
目前强声、超声法［9－10］ 在相关工程清污领域
已有应用，其原理是基于其空化效应、声流效应以
及辐射力效应产生的间接力作用于附着的污损物
质，并将其清除。因此，下一步的研究重点是用强
声源
产生的力代替直接作用力，并通过仿真研究验证强
声、超声效应产生的力是否与直接作用力一样对附
着藤壶有相同的清除效果，以此为用强声法清除附
着污损生物的研究提供基础依据。
参考文献:
［1］ 赵梅英，陈立侨，禹娜． 藤壶————高度适应附着的海洋污损
生物［J］．生物学教学，2004，29(5) :56－57．
［2］ 蔡卫国，汪静，迟建卫，等．测试海洋污损生物附着强度的动态
模拟试验装置［J］．大连海洋大学学报，2011，26(5) :463－466．
［3］ 黄英，柯才焕，周时强． 国外对藤壶幼体附着的研究进展［J］．
海洋科学，2001，25(3) :30－32．
［4］ 史航，王鲁民．海洋污损生物藤壶的附着机理及防除［J］．广东
农业科学，2006(6) :72－74．
［5］ 周群，于鹏，何斌，等． 蚂蚁附着力的测试及 ANSYS 分析［J］．
同济大学学报:自然科学版，2008，36(5) :670－673．
［6］ Tian Y，Pesika N，Zeng H，et al． Adhesion and friction in gecko toe
attachment and detachment［J］． Proceedings of the National Acad-
emy of Sciences，2006，103(51) :19320－19325．
［7］ Gao H J，Wang X，Yao H M，et al． Mechanics of hierarchical ad-
hesion structures of geckos［J］． Mechanics of Materials，2005，37
(2－3) :275－285．
［8］ 贺红彬，王晓光，宋阳，等． 天然海洋生物胶粘剂的研究进展
［J］．中国胶粘剂，2006，15(5) :42－45．
［9］ 韩铁，周永源．用低频强声振荡法清除锅炉结焦积灰［J］．辽宁
工程技术大学学报，2004，23(4) :484－486．
［10］ 谷嘉锦． 高声强声及其应用［J］． 声学技术，1996，16(1) :9－
13．
The adhesion model and removal simulation in barnacles on vessels
YI Ding-he，OU Yang-qing，ZHOU Ze-jun
(College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)
Abstract:Barnacles as common fouling organisms in China marine waters have high bonding strength，and thus
they are difficult to be removed． In this paper，an adhesion model was established by COMSOL Multiphysics and
removal simulation study was conducted in barnacles attached to the surface of hull． The data including stress，
strain and the tensile stress of extracellular secretion were obtained when the barnacles were removed． The results
showed that in the simulation model barnacles were removed at an external force (clearance)of 180 N． The stress
intensity of simulated extracellular secretion (EPS)was about 0． 2 MN /m2，and the viscous strain of the colloid for
0． 29 J /m3 ． The findings are consistent with the previous experimental results and provide a way for the subsequent
preparation for biological removal of barnacles．
Key words:barnacle;attachment model;simulation
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