贝壳表面三维形貌评价及防污特征分析

摘要

海洋污损生物的附着对船舶航运具有重大影响，不仅增加燃油消耗还加剧船体腐蚀，降低了船舶经济性和安全性。传统的涂装有毒防污涂料的方式，因对海洋生态环境的破坏，将逐渐被禁止。发展环境友好型防污方式是海洋防污领域的趋势。人们从仿生学角度研究了海洋生物表面无污损生物附着的现象，发展了表面微结构防污方法。贝壳在海洋中移动缓慢，表面无粘液分泌，选择贝壳作为仿生对象，符合船舶动态防污、静态污损的实际情况。贝壳表面连续渐变的沟槽纹理增加了三维形貌表征的难度，阻碍了贝壳仿生沟槽防污研究的进展。论文通过设定贝壳表面三维评价体系，测量贝壳表面形貌，分析了表面几何结构与防污特性之间的关系。
　　论文选取3种贝壳作为研究对象：华贵类栉孔扇贝（3个）、魁蚶（4个）和日本镜蛤（2个）。根据查阅文献和收集大量贝壳样本，确认魁蚶为污损贝壳，日本镜蛤为防污贝壳，华贵类栉孔扇贝表面同时存在污损区域和非污损区域。根据3种贝壳表面纹理横切面轮廓的波形，提出了用9种参数来表征贝壳表面形貌：肋间距Wp、槽间距Wv、槽深H、肋弧度Rp、槽弧度Rv、深宽比Rsk、槽左右高度比Rpvp、肋左右比Rvpv和肋上下比Rprh。实验使用超景深三维显微镜获取贝壳表面三维图像，保存断面轮廓曲线，利用MATLAB软件提取数据，采用cftool工具箱拟合断面轮廓，编写程序对三维表征参数进行数值计算。分别以贝壳种类和测量区域为控制变量，对统计数据进行直观分析和单因素方差分析。
　　对不同种类的贝壳表面防污特性进行分析，结果显示，贝壳种类对9种表面参数的影响是高度显著的。对华贵类栉孔扇贝表面具有不同污损特性的区域进行分析，结果显示，肋间距Wp、槽间距Wv、槽深H、肋弧度Rp以及槽弧度Rv存在显著性差异，但是深宽比Rsk、槽左右高度比Rpvp、肋左右比Rvpv以及肋上下比Rprh并没有差异。单因素方差分析结果证明了论文提出的三维表面参数评价体系的可行性。
　　论文以影响因素的不同，分两种情况对防污形貌和污损形貌的参数尺度进行了数字特征分析：一种是不同种类贝壳中，防污贝壳和污损贝壳的形貌尺度对比；另一种是同一种类贝壳华贵类栉孔扇贝表面防污区域与污损区域的形貌尺度对比。结果表明，两种分析中防污形貌肋间距Wp、槽间距Wv和槽深H均小于污损形貌，但防污尺度范围不同；肋弧度Rp与槽弧度Rv参数在两种对比分析中，结论相反，不同种类贝壳间，防污贝壳尺度明显大于污损贝壳尺度，而华贵类栉孔扇贝表面防污形貌的弧度尺度要比污损区域略小，两种不同对比方式显示防污尺度不等；深宽比Rsk与肋左右比Rvpv在不同种类的对比分析中防污形貌尺度小于污损形貌尺度，在单一种类华贵类栉孔扇贝分析结果中则无明显差异，防污尺度范围不等；槽左右高度比Rpvp和肋上下比Rprh在不同种类分析中，日本镜蛤防污尺度与华贵类栉孔扇贝污损尺度范围基本相同，都小于魁蚶污损形貌尺度，在单一种类华贵类栉孔扇贝的分析结果中无明显区别，两次实验中防污尺度范围基本相同。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 船舶防污的研究背景及意义

1.2 污损生物的附着机理

1.3 海洋污损生物防除方法

1.4 表面微结构防污

1.5 主要研究意义与内容

第2章 贝壳表面形貌测量与尺寸提取

2.1 选取贝壳样本

2.2 表面形貌测量方法

2.3 表面形貌参数评定

2.4 本章小结

第3章 贝壳表面形貌提取与数值分析

3.1 贝壳表面形貌获取

3.2 表面轮廓坐标提取

3.3 贝壳表面三维参数计算

3.4 实验过程流程图

3.5 小结

第4章 贝壳表面形貌特征的比较

4.1 贝壳表面性能分析

4.2 数据处理方式

4.3 不同贝壳表面形貌参数比较

4.4 同种类贝壳表面不同区域形貌分析

4.5 实验结果分析

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文