船體藤壺附著模型的建立及清除藤壺的仿真研究.pdf

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1、第28卷第2期2013年4月大連海洋大學學報JOURNALOFDALIANOCEANUNIVERSnYV01．28No．2Apr．2013文章編號：2095-1388(2013)02—0195-04船體藤壺附著模型的建立及清除藤壺的仿真研究易定和，歐陽清，周澤均(海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033)摘要：藤壺是中國周邊海域一種常見的海洋污損生物，具有黏接強度高、難清除的特點。利用COMSOLMuhiphysics軟件建立藤壺附著的模型，模擬藤壺附著船體的情況并對其進行力學仿真研究，得到了達到清除效果

2、時藤壺胞外分泌膠體的應力、應變以及應變能等數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。本研究表明，當提供的外力(清除力)達到180N時，該仿真模型中藤壺有被清除的趨勢，模擬胞外分泌物(EPS部分)的應力強度約為0．2MN／m2，該膠體的黏性應變能為0．29J／11113，在該模型中得出的清除藤壺所需力的數(shù)據(jù)與其他文獻發(fā)表的實驗結果基本相符，該模型可用于后續(xù)用強聲法清除附著藤壺的仿真研究。關鍵詞：藤壺；附著模型；模擬仿真中圖分類號：∞19文獻標志碼：A藤壺隸屬于節(jié)肢動物f-jArthmpoda、甲殼綱Cmstacea、圍胸目Thoracica，

3、又稱為馬牙、蚵沏仔，是中國周邊海域一種主要的污損生物。藤壺大多生活在潮間帶，附著棲息于海水中固定或浮動的硬物上，如船體、浮標、橋墩、碼頭、網(wǎng)箱及網(wǎng)具熊【l一2】1rO清除藤壺等海洋污損生物的基本方法有物理清污法、化學防污法和生物防污法。物理清污法對附著船體表面涂覆材料有嚴重破壞作用；化學防污方法是基于涂料釋放毒性物質將污損生物殺死，該方法對其他海洋生物也有不利影響；生物防污法是最有前途的一種方法，但由于直接提取海洋生物自身防污物質的效率低下以及制取仿生材料的成本昂貴，使該方法無法得到大規(guī)模應用。本研究中以藤壺為研

4、究對象，對其附著情況適當簡化，建立附著模型，利用有限元分析軟件COMSOLMultiphysics從力學角度分析其被清除時的基本受力狀態(tài)、應力應變情況，得出應力、應變能的數(shù)量級，為下一步應用強聲產生的間接力清除附著生物這一新的清污方法提供科學依據(jù)。1藤壺附著模型的建立1．1藤壺的附著機制及附著影響因素藤壺是靠體內分泌的膠體黏接在基體表面，這種黏接由開始的暫時性黏接轉變?yōu)樽詈蟮挠谰眯责そ印Ｌ賶夭煌L階段的黏接力不同，參見表1。藤壺的黏接主要經歷4個過程：介蟲形幼蟲暫時黏附、介蟲形幼蟲永久性黏接、幼體藤壺黏接和成體

5、藤壺黏接。具體附著過程為：生活在海洋中的成體藤壺在浮游生物上分離出幼蟲形態(tài)的無節(jié)幼體，該幼體通過吸取浮游生物體的養(yǎng)分最終蛻變成介蟲形幼蟲，幼體初期通過觸角附著接觸表面(該附著稱之為暫時黏接)，隨后介蟲形幼蟲發(fā)現(xiàn)合適的表面后分泌聚合物，實現(xiàn)永久定居(此時暫時黏接轉變成永久黏接)，而介蟲形幼蟲最終變?yōu)闅钣左w；幼體藤壺繼續(xù)在基體表面分泌出幼體膠；幼體變?yōu)槌审w后，成體膠也分泌到基材上，使附著進一步牢固。影響藤壺附著的主要因素有被附著物的粗糙度(表面能)和水體的理化因子。被附著物表面越粗糙，表面能越高，初期藤壺幼蟲通過重

6、力、水流動被帶到附著體上形成暫時性附著的概率就越高。水體的理化因子包括溫度、鹽度、水體所含礦物質成分等。有關試驗表明：一定溫度條件下，水溫的升高能促進藤壺的生長；鹽度太低不利于藤壺的新陳代謝活動，使藤壺的附著和生長受到抑制；此外，K+、M92+、Ca2+均能抑制藤壺幼體的附著，其中，K+可影響幼體早期的變態(tài)，A％2+、ca2+則影響幼體晚期的變態(tài)p1。收稿日期：2012—06—21作者簡介：易定和(1988-)，男，碩士研究生。E-mail：ydingh2008@126．Coltrl通信作者：歐陽清(1965)，

7、男，副教授。E-mail：0y—qiIlg@163．cⅧ196大連海洋大學學報第28卷1．2藤壺附著模型的建立生物的黏附一般可分為3種：一是細胞與細胞的黏附，這是多細胞生物體的形成與生長的前提條件；二是生物體內有生命組織與無生命部分之間的黏附；三是生物體與外部表面的黏附。本研究中，只考慮第三種情況，選擇單個藤壺生物體附著在船體表面的狀態(tài)為研究內容。從表1可以看出，在成體附著階段，當移除力為180N左右時，移除強度為O．93MN／m2，此時處于最難清除的狀態(tài)。因此，針對成體藤壺黏接階段附著力進行仿真分析，也可以對其

8、他3個蟲體階段藤壺的附著力情況有大體了解。考慮到藤壺生物體個體大小以及對最大清除力的仿真實現(xiàn)，建立如圖1、圖2所示的模型，該模型針對成體藤壺附著狀態(tài)簡化后得到。在該模型中，下部的矩形(設定為區(qū)域A)模擬對象為污損生物附著的船體水下接觸體，幾何尺寸為長度20Inlll、部分寬度3mm；中間部分(設定為區(qū)域B)模擬的是藤壺分泌的胞外聚合物，參考文獻[5]，將胞外聚合物以液體橋