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(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?。藤壺不同生長階段的黏接力不同，參見表1。

藤壺的黏接主要經(jīng)歷4 個(gè)過程: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(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;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的前提條件;二是生物體內(nèi)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(gè)藤壺生物體附著在船體表面的狀態(tài)為研究內(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，幾何尺寸為長軸5 mm，短軸4 mm。

2 COMSOL 有限元建模過程

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?？紤]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，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分泌胞外膠體黏接這一途徑來實(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，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

通過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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