基于超声振动机制的极地船舶防冰技术研究：JUST电吸式超声振子的设计与应用

针对极地船舶传统除冰方法效率低、损伤船体的难题，研究人员创新性地开发了JUST电吸式超声振子系统，通过数值模拟与实验结合，系统探究了振子排布方式、频率及功率等参数对冰层振动位移和开裂时间的影响。该研究为极地船舶高效、低耗、无损伤除冰提供了新技术路径，填补了国内超声防冰领域的空白。

　　

极地航行船舶长期面临严峻的冰层覆盖问题，传统机械除冰和化学除冰不仅效率低下，还可能损伤船体表面。北极地区年均温度低至-34°C，高湿度环境使船体极易结冰，增加船舶吃水深度和重心，威胁航行安全。现有电加热、流体加热等方法或能耗过高，或结构复杂，难以满足极地船舶需求。针对这一挑战，江苏科技大学团队在《Ocean Engineering》发表研究，提出基于超声振动的新型防冰技术。

研究团队采用数值模拟与实验验证相结合的方法，重点运用ANSYS Harmonic Response模块进行模态分析，设计11种工况对比实验。通过自主研发的JUST电吸式超声振子（吸附力达1000N），在500×500×5mm船用钢板模拟冰层环境，测试20kHz频率、100W功率下振子排布对冰层开裂的影响。

超声防冰振动机制
研究发现，超声波在冰-钢界面反射折射产生的Lamb波和SH波（水平剪切波）能形成界面剪切应力，关键参数振动位移达0.1mm即可引发冰层断裂。数值模拟显示，六振子菱形排布时振动位移最大（0.12mm），较矩形排布提升20%。

实验设计
控制变量法验证显示，振子间距为150mm时，冰层开裂时间最短（28秒）。功率超过120W后，能量转化效率开始下降，表明存在最优功率阈值。

结论与意义
该研究首次将电吸式超声振子应用于极地船舶防冰，证实菱形排布六振子组合在20kHz/100W工况下效率最优。相比传统方法，能耗降低60%且无结构损伤风险，为极地装备防冰提供了创新解决方案。研究获江苏省优秀博士后人才计划支持（2024ZB188），相关技术已申请专利。