運(yùn)動(dòng)艇造型參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)

嚴(yán) 順， 金 雁

(武漢理工大學(xué) a. 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b. 交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，游艇慢慢進(jìn)入大眾的生活。在國(guó)外，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)，游艇的需求就如同汽車一樣普遍。如今，國(guó)內(nèi)對(duì)于游艇的需求也在迅速提高，然而，國(guó)內(nèi)游艇設(shè)計(jì)缺乏原創(chuàng)性，提供給客戶的游艇設(shè)計(jì)方案往往比較大眾化，缺乏個(gè)性化設(shè)計(jì)。有些客戶有著自己對(duì)游艇造型的獨(dú)特要求，但往往苦于難以準(zhǔn)確描述，或與游艇設(shè)計(jì)師溝通不順暢，并且設(shè)計(jì)公司缺乏個(gè)性化設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)而導(dǎo)致在游艇設(shè)計(jì)初期客戶參與度不大，有時(shí)甚至出現(xiàn)設(shè)計(jì)完成的游艇造型與客戶預(yù)想大相徑庭的窘境。針對(duì)上述問題，本文開發(fā)了一個(gè)將客戶個(gè)性化需求轉(zhuǎn)化為造型設(shè)計(jì)參數(shù)并能快速完成游艇造型三維設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)以客戶為主體，極大限度參與游艇造型設(shè)計(jì)的目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)艇作為游艇的一種，具有價(jià)格低、娛樂性強(qiáng)等特點(diǎn)，在游艇需求中占據(jù)主要地位，因此本文選擇運(yùn)動(dòng)艇作為研究對(duì)象。

國(guó)內(nèi)外常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法有：代數(shù)法、基于幾何推理的人工智能法、直接編程法、基于構(gòu)造過程的方法和基于輔助線的方法。在這些方法中，代數(shù)法是應(yīng)用最廣泛的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，國(guó)外學(xué)者SUTHERLAND在研究幾何物體表達(dá)時(shí)，首次采用非線性方程來表征物體的幾何約束。LIGHT在之后的研究中對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)用性總結(jié)，基于代數(shù)法理論提出了數(shù)值迭代法，使用數(shù)值迭代法可以解決約束集的問題。由于船體曲面的復(fù)雜性，構(gòu)成船體曲面的線型很難直接用某一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型完整表達(dá)，使得船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)研究存在很大難度。但隨著對(duì)NURBS建模技術(shù)研究的深入，利用NURBS已經(jīng)能夠?yàn)樽杂汕€、曲面提供精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，這一特點(diǎn)使船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)有了重大提升。SHAMSUDDIN等[1]基于NURBS理論，利用最小控制點(diǎn)原理成功構(gòu)建光順船體曲面的數(shù)學(xué)模型。馮佰威等[2]針對(duì)船體型線優(yōu)化問題，在NURBS技術(shù)的基礎(chǔ)上提出2種參數(shù)化建模方法。區(qū)別于船型參數(shù)化，造型參數(shù)化設(shè)計(jì)更傾向于水上部分船體及上層建筑的造型設(shè)計(jì)。遵循一般船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)原理，造型參數(shù)化設(shè)計(jì)同樣可以通過尋找特征參數(shù)以及特征曲面的方法完成參數(shù)化設(shè)計(jì)。李磊鑫[3]研究了游艇上層建筑的造型設(shè)計(jì)，從船舶美學(xué)以及上層建筑功能這兩方面分析上層建筑的造型特征，并采用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)上層建筑造型參數(shù)化建模。

1 運(yùn)動(dòng)艇造型風(fēng)格參數(shù)

1.1 運(yùn)動(dòng)艇造型特征參數(shù)

分析大量同類型運(yùn)動(dòng)艇外輪廓特征可知：(1)船舶水線以上主船體、上層建筑可抽象為簡(jiǎn)單的幾何圖形；(2)為方便參數(shù)化建模，船舶水線以上側(cè)面船體部分可以簡(jiǎn)化成1個(gè)平行四邊形，上層建筑側(cè)面則可以簡(jiǎn)化成1個(gè)鈍角三角形，兩者組合起來形成1個(gè)運(yùn)動(dòng)艇側(cè)面水上造型的簡(jiǎn)化模型；(3)運(yùn)動(dòng)艇造型風(fēng)格的不同可由變化幾何圖形的組合方式和形心位置來體現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 外觀造型變化

將簡(jiǎn)化模型的組合方式與其相對(duì)位置進(jìn)行略微調(diào)整，簡(jiǎn)化模型的視覺感受會(huì)產(chǎn)生很大變化。例如，圖1a)進(jìn)行簡(jiǎn)單變化變成圖1b)，將表示水線以上主船體的平行四邊形進(jìn)行改變，首柱前傾角α變大使得造型的視覺效果變得毫無沖擊感，視覺上缺失速度感，再加上船長(zhǎng)L變小，使主船體的造型變得十分臃腫，缺乏美感。上層建筑前端壁傾角β的略微變小使上層建筑造型流線感更強(qiáng)，增強(qiáng)視覺上的速度感。同樣，主船體與上層建筑的相對(duì)位置對(duì)整體造型也很重要，不考慮尺寸的改變，從圖1a)、圖1b)的對(duì)比可以看出：上層建筑的位置相對(duì)主船體往船艏方向移動(dòng)，導(dǎo)致整船重心前移，在運(yùn)動(dòng)艇高速行進(jìn)過程中形成一種穩(wěn)定感缺失的視覺效果。

通過上述對(duì)側(cè)面造型效果圖的研究，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)艇的整體造型與以下3個(gè)方面相關(guān)：

(1) 主船體形狀及尺寸。

(2) 上層建筑形狀及尺寸。

(3) 主船體與上層建筑相對(duì)位置關(guān)系及比例。

1.2 運(yùn)動(dòng)艇意象特征參數(shù)

意象是人們對(duì)物體的直接感受，它存在于各種形態(tài)關(guān)系中并具有獨(dú)立意義和表現(xiàn)形式。運(yùn)動(dòng)艇意象的形成來源于對(duì)運(yùn)動(dòng)艇經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)知，傳遞了客戶對(duì)于運(yùn)動(dòng)艇這類產(chǎn)品的情感需求，反應(yīng)客戶對(duì)運(yùn)動(dòng)艇的心理滿意度，因此，在運(yùn)動(dòng)艇造型風(fēng)格的設(shè)計(jì)中需要結(jié)合形態(tài)意象。

萬：貴所在2000至2002年間，歷經(jīng)“分類定位”后進(jìn)入科學(xué)院“知識(shí)創(chuàng)新工程”時(shí)，將研究方向從科學(xué)史拓展為3個(gè)，即增加了“科技發(fā)展戰(zhàn)略”和“科學(xué)文化”.對(duì)此，有些什么可談的嗎？

在對(duì)運(yùn)動(dòng)艇外觀造型的意象研究中，需要使用意象尺度法來確立風(fēng)格意象。語義差異法是意象尺度法的基礎(chǔ)，為確立運(yùn)動(dòng)艇的風(fēng)格意象，需廣泛地收集形容詞來表征人們對(duì)運(yùn)動(dòng)艇外觀造型所產(chǎn)生的心理感受。通過語義差異法的基本要素——概念、尺量、受測(cè)者來確定與研究目的以及研究對(duì)象相關(guān)的意象詞匯，同時(shí)使用相對(duì)或者反義的形容詞從不同維度來量度意象這種模糊的概念，建立關(guān)于運(yùn)動(dòng)艇的5點(diǎn)或7點(diǎn)心理學(xué)量表。

使用因子分析法處理由語義差異法所構(gòu)建的學(xué)量表，對(duì)學(xué)量表進(jìn)行廣泛調(diào)查分析可得到關(guān)于語義詞匯的數(shù)據(jù)，對(duì)于其中某些抽象、不可直接測(cè)量的因素，可使用因子分析法轉(zhuǎn)化成可測(cè)量變量來確定這些因素[4-6]。對(duì)所搜集到的語義詞匯進(jìn)行處理并聚類分析，最終得到關(guān)于運(yùn)動(dòng)艇語義詞匯的聚類結(jié)果，如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)艇代表性語義詞匯聚類結(jié)果

如表1所示，經(jīng)過聚類分析得到1～4共4組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)數(shù)值越高則表示受訪者對(duì)該因子的認(rèn)可度越高，考慮到因子的特性與形容詞的語義，將“實(shí)用的”與“大眾的”合為“大眾的”，在文中以風(fēng)格意象為標(biāo)準(zhǔn)將運(yùn)動(dòng)艇分為動(dòng)感型運(yùn)動(dòng)艇、奢華型運(yùn)動(dòng)艇、大眾型運(yùn)動(dòng)艇和品質(zhì)型運(yùn)動(dòng)艇。

綜合考慮運(yùn)動(dòng)艇的造型特征參數(shù)和意象特征參數(shù)，并結(jié)合一般船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)中參數(shù)選取原則，最終確定選取的參數(shù)共12個(gè)，分別為：運(yùn)動(dòng)艇總長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)艇型深、運(yùn)動(dòng)艇型寬、首柱前傾角、船體舷窗形狀、上層建筑形式、上建窗戶形狀、上建前端壁傾角、上建前端壁斜面長(zhǎng)度、上層建筑長(zhǎng)度、上層建筑寬度、前端壁距船艏距離。

2 運(yùn)動(dòng)艇造型參數(shù)化建模

根據(jù)運(yùn)動(dòng)造型特征參數(shù)與特征曲線特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)艇造型參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵可分為2點(diǎn)， 即造型輪廓的參數(shù)化表達(dá)和各部位表達(dá)的協(xié)調(diào)。對(duì)于造型輪廓的參數(shù)化表達(dá)可分為主船體輪廓參數(shù)化設(shè)計(jì)與上層建筑輪廓參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)為橫剖線、中縱剖線、主甲板邊線、上層建筑側(cè)輪廓線、上層建筑在主甲板平面投影線的設(shè)計(jì)，各部位表達(dá)的協(xié)調(diào)則主要表現(xiàn)為主船體與上層建筑的相對(duì)位置關(guān)系。

考慮到運(yùn)動(dòng)艇造型的復(fù)雜度，采用常用參數(shù)化設(shè)計(jì)中的直接編程法來完成造型參數(shù)化設(shè)計(jì)，并使用數(shù)學(xué)船型法尋找運(yùn)動(dòng)艇主尺度與曲面尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)系，即根據(jù)所給定的運(yùn)動(dòng)艇設(shè)計(jì)參數(shù)，使用數(shù)學(xué)方法來生成船體曲面。為突出運(yùn)動(dòng)艇造型特征，簡(jiǎn)化不重要部分，不考慮梁拱。

由于運(yùn)動(dòng)艇的橫剖線型式較為直觀簡(jiǎn)約，可將橫剖線近似劃分為幾段線段來表示，并由z1，z2，z3，y1，y2這5個(gè)參數(shù)來控制橫剖線的形狀。橫剖線的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 橫剖線設(shè)計(jì)

采用MATLAB軟件對(duì)搜集到的型船數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并使用多元非線性回歸方法得到各參數(shù)的回歸多項(xiàng)式為

(1)

式中：L，B，D分別為船體總長(zhǎng)，型寬，型深，m；Li為該橫剖面至尾封板平面距離，Li=0.155×K×L，其中K為自然數(shù)取0，1，…，n。

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到Z1，Z2，Z3，Y1，Y2的值，根據(jù)取值差異可得到一系列的橫剖線。Li表示該橫剖面至尾封板平面距離，Li=0.155×K×L。對(duì)于中縱剖線、主甲板邊線、上層建筑側(cè)輪廓線、上層建筑在主甲板平面投影線的設(shè)計(jì)，按上述方法同理可得。

基于風(fēng)格意象，本文將運(yùn)動(dòng)艇分為4類，對(duì)于不同風(fēng)格的運(yùn)動(dòng)艇，其造型特征會(huì)存在較大差異，不同風(fēng)格運(yùn)動(dòng)艇參數(shù)取值的不同會(huì)導(dǎo)致造型“高、矮、胖、瘦”的區(qū)別。對(duì)所收集的運(yùn)動(dòng)艇資料按照風(fēng)格進(jìn)行分類并統(tǒng)計(jì)分析，得到不同風(fēng)格運(yùn)動(dòng)艇參數(shù)變化范圍，將參數(shù)取值范圍進(jìn)行整理，如表2所示。

表2 不同風(fēng)格運(yùn)動(dòng)艇參數(shù)取值

3 造型參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)

本文構(gòu)建運(yùn)動(dòng)艇造型參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)須實(shí)現(xiàn)的功能主要有2點(diǎn)：通過輸入的參數(shù)快速建立造型模型，提供直觀、立體的造型視覺效果；對(duì)造型模型各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分，可依據(jù)評(píng)分指導(dǎo)進(jìn)行造型參數(shù)調(diào)整以建立新造型模型。根據(jù)平臺(tái)的功能以及建模一般方法，平臺(tái)的開發(fā)思路總體框圖如圖3所示。

圖3 平臺(tái)開發(fā)思路總體框圖

在圖4中的人機(jī)界面中輸入各類參數(shù)，完畢后即可得到運(yùn)動(dòng)艇的三維造型以及對(duì)該三維造型的綜合評(píng)分。

圖4 人機(jī)交互界面

由輸入?yún)?shù)確定的運(yùn)動(dòng)艇造型以及對(duì)該造型的評(píng)分，若對(duì)造型不滿意可根據(jù)評(píng)分的指導(dǎo)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修改，形成新的運(yùn)動(dòng)艇造型。為了驗(yàn)證平臺(tái)的可行性與實(shí)用性，選擇A，B兩組參數(shù)來分別建立模型。其中B組參數(shù)是根據(jù)A組建立的模型評(píng)分指導(dǎo)修改得到的，最后分別對(duì)修改前后的運(yùn)動(dòng)艇造型進(jìn)行比較分析以確定驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。

A，B兩組參數(shù)如表3所示，根據(jù)表3中的參數(shù)在人機(jī)交互界面中進(jìn)行輸入可完成運(yùn)動(dòng)艇三維造型的構(gòu)建。

表3 A，B兩組參數(shù)

在圖4的人機(jī)交互界面中輸入A組參數(shù)，并點(diǎn)擊“建立模型”，可得到A組模型及對(duì)該模型的造型評(píng)分，如圖5和圖6所示。

圖5 A組參數(shù)造型模型

圖6 A組參數(shù)造型評(píng)分

從圖6中的評(píng)分可以看出，A組參數(shù)運(yùn)動(dòng)艇造型的整體評(píng)分等級(jí)為良。每個(gè)變量得分欄中船體肥瘦與上建斜度的得分不論是用戶打分還是系統(tǒng)打分都相對(duì)較低。對(duì)于船體肥瘦來說，從圖5可以看出A組運(yùn)動(dòng)艇的艇寬較小，從而造成表征船體肥瘦度的L/B值偏大。寬度較小、過于瘦長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)艇不僅在視覺上給人帶來空間狹窄的感覺，而且過于瘦長(zhǎng)會(huì)有一種橫向失穩(wěn)的視覺效果。對(duì)于動(dòng)感型運(yùn)動(dòng)艇，表征上建斜度的上層建筑前端壁傾角過大，首先很明顯地視覺感受到正面風(fēng)阻變大，并且會(huì)導(dǎo)致上層建筑與主船體銜接不夠流暢，缺乏流線感。

根據(jù)A組造型的缺點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的修改從而得到B組參數(shù)。使用B組參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)艇造型模型的構(gòu)建，并與A組模型一同放置對(duì)比，如圖7和圖8所示，并得到A，B兩組造型模型的評(píng)分對(duì)比，如圖9所示。

圖7 A，B兩組參數(shù)造型模型1

圖8 A，B兩組參數(shù)造型模型2

圖9 A，B兩組參數(shù)造型評(píng)分

在圖9的評(píng)分中，“本次”為B組評(píng)分，“上次”為A組評(píng)分。從圖9可以很清楚地看出，修改后船體肥瘦與上建斜度這兩個(gè)變量得分要遠(yuǎn)好于修改前的評(píng)分。圖7的2個(gè)小圖中，左側(cè)為B組造型，右側(cè)為A組造型，圖中能明顯看出B組修改后造型艇寬變大，在造型上使得空間變大并且整體造型更加協(xié)調(diào)。同時(shí)結(jié)合這2個(gè)小圖從視覺感受來看，左側(cè)B組造型模型在橫向穩(wěn)定性上明顯優(yōu)于右側(cè)A組造型模型。同樣地，圖8的2個(gè)小圖中，左側(cè)為B組造型，右側(cè)為A組造型，在圖中能很明顯感受到右側(cè)造型的迎面風(fēng)阻要大于左側(cè)造型，并且從第2個(gè)小圖可以看出左側(cè)造型的上層建筑前端壁斜度更平緩，與主船體的銜接更為自然協(xié)調(diào)，而右側(cè)的銜接過于突兀，破壞了整體造型的美感。

4 結(jié) 語

從最后的平臺(tái)實(shí)例論證中可以看出：本平臺(tái)具有可行性和實(shí)用性。關(guān)鍵參數(shù)的變化會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)艇造型產(chǎn)生很大影響，而本平臺(tái)可以指導(dǎo)用戶控制造型的變化，從而得到自己滿意的運(yùn)動(dòng)艇造型。在運(yùn)動(dòng)艇設(shè)計(jì)制造之前能通過該平臺(tái)進(jìn)行造型建模，可以有效地減少客戶與游艇公司之間的交流成本并能更好、更準(zhǔn)確地完成客戶的需求。

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