易定和，歐陽(yáng)清，周澤均

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢430033)

藤壺隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門Arthropoda、甲殼綱Crustacea、圍胸目Thoracica，又稱為馬牙、蚵沏仔，是中國(guó)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(dòng)的硬物上，如船體、浮標(biāo)、橋墩、碼頭、網(wǎng)箱及網(wǎng)具等［1-2］。

清除藤壺等海洋污損生物的基本方法有物理清污法、化學(xué)防污法和生物防污法。物理清污法對(duì)附著船體表面涂覆材料有嚴(yán)重破壞作用;化學(xué)防污方法是基于涂料釋放毒性物質(zhì)將污損生物殺死，該方法對(duì)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(zhì)的效率低下以及制取仿生材料的成本昂貴，使該方法無(wú)法得到大規(guī)模應(yīng)用。本研究中以藤壺為研究對(duì)象，對(duì)其附著情況適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立附著模型，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics從力學(xué)角度分析其被清除時(shí)的基本受力狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變情況，得出應(yīng)力、應(yīng)變能的數(shù)量級(jí)，為下一步應(yīng)用強(qiáng)聲產(chǎn)生的間接力清除附著生物這一新的清污方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 藤壺附著模型的建立

1.1 藤壺的附著機(jī)制及附著影響因素

藤壺是靠體內(nèi)分泌的膠體黏接在基體表面，這種黏接由開(kāi)始的暫時(shí)性黏接轉(zhuǎn)變?yōu)樽詈蟮挠谰眯责そ?。藤壺不同生長(zhǎng)階段的黏接力不同，參見(jiàn)表1。

藤壺的黏接主要經(jīng)歷4 個(gè)過(guò)程:介蟲形幼蟲暫時(shí)黏附、介蟲形幼蟲永久性黏接、幼體藤壺黏接和成體藤壺黏接。具體附著過(guò)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(wú)節(jié)幼體，該幼體通過(guò)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(guò)觸角附著接觸表面(該附著稱之為暫時(shí)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(shí)現(xiàn)永久定居(此時(shí)暫時(shí)黏接轉(zhuǎn)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(jìn)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(guò)重力、水流動(dòng)被帶到附著體上形成暫時(shí)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(zhì)成分等。有關(guān)試驗(yàn)表明:一定溫度條件下，水溫的升高能促進(jìn)藤壺的生長(zhǎng);鹽度太低不利于藤壺的新陳代謝活動(dòng)，使藤壺的附著和生長(zhǎng)受到抑制;此外，K+、Mg2+、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)，Mg2+、Ca2+則影響幼體晚期的變態(tài)［3］。

表1 不同生長(zhǎng)階段藤壺的黏接情況［4］Tab.1 Barnacle adhesion at different growth stages

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(xì)胞與細(xì)胞的黏附，這是多細(xì)胞生物體的形成與生長(zhǎng)的前提條件;二是生物體內(nèi)有生命組織與無(wú)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(gè)藤壺生物體附著在船體表面的狀態(tài)為研究?jī)?nèi)容。從表1可以看出，在成體附著階段，當(dāng)移除力為180 N 左右時(shí)，移除強(qiáng)度為0.93 MN/m2，此時(shí)處于最難清除的狀態(tài)。因此，針對(duì)成體藤壺黏接階段附著力進(jìn)行仿真分析，也可以對(duì)其他3 個(gè)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(gè)體大小以及對(duì)最大清除力的仿真實(shí)現(xiàn)，建立如圖1、圖2所示的模型，該模型針對(duì)成體藤壺附著狀態(tài)簡(jiǎn)化后得到。在該模型中，下部的矩形(設(shè)定為區(qū)域A)模擬對(duì)象為污損生物附著的船體水下接觸體，幾何尺寸為長(zhǎng)度20 mm、部分寬度3 mm;中間部分(設(shè)定為區(qū)域B)模擬的是藤壺分泌的胞外聚合物，參考文獻(xiàn)［5］，將胞外聚合物以液體橋的形式表征，其橫向尺寸約為3.4 mm，縱向尺寸約為1.8 mm;上部的橢圓模型(設(shè)定為區(qū)域C)模擬成體的藤壺，幾何尺寸為長(zhǎng)軸5 mm，短軸4 mm。

2 COMSOL 有限元建模過(guò)程

1)材料屬性的設(shè)置。導(dǎo)入“1.2”中建立的幾何模型，選取軟件自帶的力學(xué)分析模塊對(duì)A、B、C 3 部分進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。對(duì)于區(qū)域A，模擬的對(duì)象是船體，使用軟件自帶材料庫(kù)中結(jié)構(gòu)鋼材料，主要參數(shù)設(shè)置為密度7 850 kg/m3、楊氏模量200 MPa、泊松比0.33;對(duì)于區(qū)域B，由于其模擬的對(duì)象是藤壺分泌膠體，該膠體是一種具有黏性的材料，設(shè)置該部分材料模型用軟件自帶的Viscoelastic material model，參照文獻(xiàn)［6-7］，設(shè)置主要材料參數(shù)為密度1 190 kg/m3、楊氏模量3 MPa、泊松比0.1;對(duì)于區(qū)域C，模擬的對(duì)象是成年藤壺，其外殼具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較大的特點(diǎn)，采用自定義材料參數(shù)，設(shè)置主要材料參數(shù)為密度5 000 kg/m3、楊氏模量100 MPa、泊松比0.3。

2)區(qū)域、邊界條件的設(shè)置。對(duì)于區(qū)域A，整體設(shè)置為固定約束;對(duì)于區(qū)域B和C，設(shè)置為受到體載荷F(方向從左到右)，隨著藤壺受到的體載荷不斷增大，該附著生物有越來(lái)越顯著地被清除的趨勢(shì)。對(duì)于邊界，設(shè)置為固定約束。

3)網(wǎng)格的劃分。COMSOL 有限元分析軟件自帶有3種網(wǎng)格劃分方式:自由劃分、映射劃分和掃描劃分。每種劃分網(wǎng)格的方式都能對(duì)區(qū)域、邊的網(wǎng)格大小、網(wǎng)格的變化程度進(jìn)行自行設(shè)置，以保證網(wǎng)格的劃分能夠符合模擬仿真的需要。

為了能準(zhǔn)確描述膠層的物理性質(zhì)，使用詳細(xì)的實(shí)體建模方法對(duì)膠層進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)體建模，在沿膠層自由邊界劃分至少4 個(gè)單元以保證能準(zhǔn)確表現(xiàn)出膠層的變形結(jié)果。考慮到膠層材料的應(yīng)變不規(guī)則性，利用三角形單元對(duì)膠層進(jìn)行細(xì)分。

將附著藤壺模擬情況簡(jiǎn)化為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存，加快運(yùn)算速度，使用二維模型進(jìn)行仿真，采用自由劃分網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了能較好的反映連接部分(分泌物與船體及藤壺自身連接處)的應(yīng)力情況，對(duì)圖1 中邊界3、4、6、8、9、10、11、12、13、14、15 設(shè)置網(wǎng)格最大尺寸為0.5 mm，得到圖3所示的網(wǎng)格劃分效果。

4)求解。COMSOL 有限元分析軟件自帶有直接求解器和迭代求解器，研究的類型包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、特征值等。本研究中，由于建立的模型不復(fù)雜，使用穩(wěn)態(tài)直接求解器進(jìn)行求解，便能快速準(zhǔn)確地得到模擬仿真數(shù)值結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 藤壺的應(yīng)力應(yīng)變

從藤壺應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析結(jié)果(圖4)可以看出:當(dāng)F=180 N 時(shí)，分泌膠體(EPS)受到的應(yīng)力基本都大于0.2 MN/m2，外圍應(yīng)力更大，達(dá)到0.496 MN/m2;隨著F 值的增大，清除趨勢(shì)越明顯，當(dāng)F=240 N 時(shí)，EPS 受到的應(yīng)力最大可以達(dá)到0.661 MN/m2(文中未記入)。整體的應(yīng)力大小雖與表1 中測(cè)得的強(qiáng)度大小有所不同，但其都處于同一數(shù)量級(jí)。這些數(shù)據(jù)與表1 中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)不一致的原因，可能是表1 中測(cè)得的數(shù)據(jù)不是針對(duì)單個(gè)藤壺而言，測(cè)得的力包括多個(gè)藤壺之間的相互作用力，該作用力對(duì)藤壺的附著強(qiáng)度有較大影響。此外，對(duì)稱區(qū)域具有基本一致的受力趨勢(shì)，這是在大自然中進(jìn)化演變的結(jié)果，在海洋環(huán)境中，由于藤壺要面對(duì)各種不同的生存環(huán)境，胞外聚合物的分泌應(yīng)具有相對(duì)對(duì)稱性，以使藤壺能在各種環(huán)境下牢固黏接。從應(yīng)變情況可以得出，當(dāng)F=180 N 時(shí)，藤壺已經(jīng)有被清除的趨勢(shì)。為了得到胞外聚合物中一段范圍內(nèi)的應(yīng)力數(shù)值情況，利用軟件自帶的二維切割線功能選取圖1 區(qū)域B 中紅線部分(范圍)進(jìn)行相關(guān)分析，得到圖5。從圖5可見(jiàn)，隨著F 的逐漸增大，該胞外聚合物中間位置的應(yīng)力大小與其呈正相關(guān)的變化趨勢(shì)。

圖1 藤壺附著模型Fig.1 Barnacle adhesion model

圖2 圖1 局部放大圖Fig.2 The partial enlargerment of Fig.1

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Model mesh division

圖4 載荷F=180 N 時(shí)模型的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值分析結(jié)果Fig.4 When F=180 N，model of stress strain numerical analysis

圖5 二維切割線(圖1 中紅線部分)的應(yīng)力變化曲線Fig.5 The stress change chart of two dimensional cutting line(red line in Fig.1)

賀紅彬等［8］指出，通過(guò)試驗(yàn)的方法可以提取海洋生物膠(藤壺分泌的膠體為藤壺膠)和合成人工模擬膠。對(duì)比它們的黏接強(qiáng)度得到藤壺膠對(duì)Fe 的拉伸強(qiáng)度為1.52 MPa，剪切強(qiáng)度為1.92 MPa，與本試驗(yàn)中當(dāng)外力為180 N 時(shí)，得到的外圍強(qiáng)度值0.496 MN/m2在同一數(shù)量級(jí)上，這也說(shuō)明基于該模型進(jìn)行的仿真研究是合理的。

3.2 藤壺的應(yīng)變能

藤壺能夠牢固附著在船體表面是通過(guò)分泌胞外膠體黏接這一途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本研究的仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，將該分泌物作為整體考慮，通過(guò)應(yīng)變能函數(shù)表征其具有的黏接變形性能?？紤]到分泌膠體與藤壺接觸處應(yīng)變較大，選取圖1 區(qū)域B 中點(diǎn)⑦為研究對(duì)象，進(jìn)行應(yīng)變能分析得到圖6。從圖6可見(jiàn)，當(dāng)藤壺受到外力導(dǎo)致應(yīng)變不斷增大時(shí)，應(yīng)變能值也不斷增加，說(shuō)明該分泌物具有良好的黏接性能，良好的黏接性能也是藤壺能夠在各種復(fù)雜海洋環(huán)境中牢固黏接基底的前提條件。當(dāng)外力為240 N 時(shí)，應(yīng)變能為0.5 J/m3。

圖6 區(qū)域B 內(nèi)點(diǎn)⑦的應(yīng)變能變化曲線Fig.6 The energy change curve in region B point ⑦strain

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬藤壺附著情形的相關(guān)分析可以看到，當(dāng)提供的外力(清除力)達(dá)到180 N 時(shí)，該仿真模型中藤壺有被清除的趨勢(shì)，模擬胞外分泌物(EPS 部分)的應(yīng)力強(qiáng)度約為0.2 MN/m2，與其他文獻(xiàn)中得到的拉應(yīng)力強(qiáng)度在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上;當(dāng)外力為180 N 時(shí)，該膠體的黏性應(yīng)變能為0.29 J/m3。

目前強(qiáng)聲、超聲法［9-10］在相關(guān)工程清污領(lǐng)域已有應(yīng)用，其原理是基于其空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)以及輻射力效應(yīng)產(chǎn)生的間接力作用于附著的污損物質(zhì)，并將其清除。因此，下一步的研究重點(diǎn)是用強(qiáng)聲源產(chǎn)生的力代替直接作用力，并通過(guò)仿真研究驗(yàn)證強(qiáng)聲、超聲效應(yīng)產(chǎn)生的力是否與直接作用力一樣對(duì)附著藤壺有相同的清除效果，以此為用強(qiáng)聲法清除附著污損生物的研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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