船体藤壶附着模型的建立及清除藤壶的仿真研究.pdf

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1、第28卷第2期2013年4月大连海洋大学学报JOURNALOFDALIANOCEANUNIVERSnYV01．28No．2Apr．2013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COMSOLMuhiphysics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

2、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180N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0．2MN／m2，该胶体的黏性应变能为0．29J／11113，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：∞19文献标志码：A藤壶隶属于节肢动物f-jArthmpoda、甲壳纲Cmstacea、围胸目Thoracica，

3、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、网箱及网具熊【l一2】1rO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

4、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COMSOLMultiphysics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

5、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

6、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+、M92+、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，A％2+、ca2+则影响幼体晚期的变态p1。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．Coltrl通信作者：欧阳清(1965)，

7、男，副教授。E-mail：0y—qiIlg@163．cⅧ196大连海洋大学学报第28卷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180N左右时，移除强度为O．93MN／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

8、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20Inlll、部分宽度3mm；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