基于逆向設(shè)計(jì)方法的潛水器設(shè)計(jì)研究

梁耀海 王壽雄 沙很得克·斯瑪胡勒 劉昊

摘 要：逆向設(shè)計(jì)方法為造型方案的修整、改良等提供了相對(duì)捷徑，但相比較常用的造型設(shè)計(jì)方法，逆向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)絕不僅限于縮短造型研發(fā)周期，逆向設(shè)計(jì)方法的使用也能最大程度的保證造型設(shè)計(jì)的可行性，減少一些驗(yàn)證過(guò)程，從而降低一些研發(fā)成本。文章以“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器為產(chǎn)品原型，展開(kāi)對(duì)小型潛水器造型與功能的再設(shè)計(jì)與拓展。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì)；造型設(shè)計(jì)；彩虹魚(yú)號(hào)；潛水器

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0128-02

Abstract： The reverse design method provides a relative shortcut for the modification and improvement of the modeling scheme， but compared with the usual modeling design method， the advantages of reverse design are not limited to shortening the modeling research and development cycle. The use of reverse design method can also ensure the feasibility of modeling design to the greatest extent， reduce some verification process， thereby reducing some research and development costs. Based on the prototype of "Rainbow Fish" submersible， this paper redesigns and expands the shape and function of small submersibles.

Keywords： reverse design； modeling design； Rainbow Fish； submersible

潛水器造型的設(shè)計(jì)研發(fā)不同于一般產(chǎn)品，其造型的可行性有待于水下復(fù)雜環(huán)境的檢驗(yàn)，而多從美學(xué)方面出發(fā)的工業(yè)設(shè)計(jì)造型方法就潛水器造型設(shè)計(jì)的可行性來(lái)說(shuō)多有欠缺，導(dǎo)致方案難以實(shí)現(xiàn)；逆向設(shè)計(jì)方法是以現(xiàn)有產(chǎn)品為原型，對(duì)造型數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與調(diào)整，這一過(guò)程能較大程度的保持現(xiàn)有產(chǎn)品的造型特點(diǎn)，就以“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器來(lái)說(shuō)，逆向設(shè)計(jì)產(chǎn)生的方案能夠充分保持其艇身在水下的力學(xué)特征，以保證新開(kāi)發(fā)的潛水器方案有較高的可行性。

1 潛水器設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)方法

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)分支，涉及范圍與領(lǐng)域不斷發(fā)展泛化，但其研究?jī)?nèi)容的核心仍為造型，為適合批量生產(chǎn)的技術(shù)與工藝要求，造型范疇內(nèi)的形式美與造型方法兩者相互牽制、共同發(fā)展，也就是最初至此仍不可回避的兩大問(wèn)題，即工業(yè)設(shè)計(jì)中的藝術(shù)與技術(shù)[1]。數(shù)百年的產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展在有意與無(wú)意中將技術(shù)與藝術(shù)二者關(guān)系進(jìn)行權(quán)衡，孰輕孰重的結(jié)論在不同的主流趨勢(shì)、風(fēng)格流派中搖擺不一。歸其緣由是包羅萬(wàn)象的產(chǎn)品范圍中，拋開(kāi)具體的產(chǎn)品去討論設(shè)計(jì)方法與形式美的二者關(guān)系，其意義不大。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免思想極端，而應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的屬性與設(shè)計(jì)立意進(jìn)行設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)方案的構(gòu)思。

1.2 逆向設(shè)計(jì)方法

逆向設(shè)計(jì)作為一種新的造型方法，不僅是造型方案的又一選項(xiàng)，更重要的是作為造型方案的補(bǔ)充，逆向設(shè)計(jì)方案本身具有一定的優(yōu)勢(shì)，這決定了其在某個(gè)領(lǐng)域的造型設(shè)計(jì)空間具有更好的適應(yīng)性。逆向設(shè)計(jì)方法與較為常用的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法之間區(qū)別也絕非是縮短研發(fā)周期的表征[2]。

逆向設(shè)計(jì)造型方法在船身應(yīng)用的實(shí)例多于一般產(chǎn)品，這似乎足以說(shuō)明逆向設(shè)計(jì)與水域交通工具在設(shè)計(jì)方法與產(chǎn)品種類(lèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的。

2 “彩虹魚(yú)”與小型潛水器設(shè)計(jì)

2.1 “彩虹魚(yú)”

“彩虹魚(yú)”是世界范圍潛水領(lǐng)域中較為突出的設(shè)計(jì)作品，最大潛水深度達(dá)到7000米，集結(jié)尖端科學(xué)技術(shù)于一身，在造型的流體力學(xué)與耐高壓結(jié)構(gòu)研究方面達(dá)到頂級(jí)水平，作為造型與結(jié)構(gòu)研究的極限與標(biāo)桿，其對(duì)一般潛水器造型與功能設(shè)計(jì)研究具有的多方面參考價(jià)值不言而喻。

2.2 小型潛水器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

2.2.1 海底資源的開(kāi)發(fā)需要小型潛水器

海洋中豐富的資源，是人類(lèi)尋求解決陸地資源匱乏、人口膨脹等問(wèn)題的希望所在[3]。目前，世界各國(guó)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)力度明顯增強(qiáng)，同時(shí)，隨著通信技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展小型作業(yè)潛水器有了一定的技術(shù)支撐，小型潛水器在海底資源的勘探與開(kāi)發(fā)中舉足輕重[4]。

2.2.2 海底旅游業(yè)需要小型潛水器

在面對(duì)人口膨脹等問(wèn)題的今天，旅游產(chǎn)業(yè)也面臨著巨大的難題。在廣闊的海洋中，擁有更多吸引人的美景。在目前，全世界擁有海底觀光器的只有兩家，一個(gè)是水晶郵輪，另一個(gè)是云頂夢(mèng)號(hào)，可以說(shuō)，水下旅游業(yè)還未開(kāi)始開(kāi)發(fā)，蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展前景，水下觀光艇也具備廣闊的發(fā)展空間。

2.3 小型潛水器的設(shè)計(jì)研發(fā)

雖然水下資源開(kāi)發(fā)與水下旅游業(yè)發(fā)展空間廣闊，但目前，小型潛水器研發(fā)、特別是觀光潛水器設(shè)計(jì)還面臨許多的技術(shù)難題，其中之一就是解決艇身設(shè)計(jì)符合流體力學(xué)的問(wèn)題。確立“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水艇艇身造型為原型，以逆向造型為設(shè)計(jì)手段是小型潛水器研發(fā)設(shè)計(jì)行之有效的方法。

3 小型潛水器設(shè)計(jì)方案探討

3.1 小型潛水器的設(shè)計(jì)方案意向

按照逆向設(shè)計(jì)的程序，通過(guò)3D掃描設(shè)備獲取“彩虹魚(yú)”號(hào)曲面數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有水下小型潛水器的需求趨勢(shì)，對(duì)潛水器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

首先，是通過(guò)3D掃描獲取原始模型的數(shù)據(jù)，其次在設(shè)計(jì)使用情景的設(shè)定中，以能見(jiàn)度在0到100米為設(shè)計(jì)背景，進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)并進(jìn)行方案分析；最后，就這一過(guò)程中所用的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)。

3.2 “彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器數(shù)據(jù)處理的方法總結(jié)

數(shù)據(jù)掃描：“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器的模型很小，為達(dá)到掃描曲面特征的完整性，有兩種方法：一是用3D掃描儀對(duì)模型進(jìn)行多次的掃描計(jì)算，再做拼合修整；二是將“彩虹魚(yú)”按照恰當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行擴(kuò)大，制作油泥模型進(jìn)行貼點(diǎn)掃描；由于油泥制作的周期較長(zhǎng)，最終選擇第一種方法，這需要后期對(duì)掃描數(shù)據(jù)的大量調(diào)整。

數(shù)據(jù)處理：通過(guò)3D掃描儀對(duì)“彩虹魚(yú)”號(hào)曲面掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后，通過(guò)Geomagic Design X 、Geomagic Control 2015以及Rhinoceros 5后期處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和模型重建，得到彩虹魚(yú)號(hào)完整模型。

數(shù)據(jù)輸出：將得到的“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器數(shù)據(jù)按照方案設(shè)想進(jìn)行小幅度的造型調(diào)整，最終通過(guò)3D打印輸出。

3.3 小型潛水器設(shè)計(jì)方案

針對(duì)潛海100米以?xún)?nèi)的觀光用途進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，在掃描得“彩虹魚(yú)”號(hào)潛水器數(shù)據(jù)進(jìn)行小幅調(diào)整，得到以下三個(gè)方案：

設(shè)計(jì)方案一：最大保留原有曲面造型，考慮水下觀光時(shí)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)艇身兩側(cè)厚壁采用透明材質(zhì)；考慮夜晚或水下光照不良的因素，設(shè)置燈光及燈帶照明；

設(shè)計(jì)方案二：最大程度的保留原有潛艇數(shù)據(jù)，使其能夠適應(yīng)水下的壓力環(huán)境，又針對(duì)其作業(yè)場(chǎng)所做出艇身的配色以及造型設(shè)計(jì)。空曠的視野范圍，更有利于其觀光的娛樂(lè)性。

設(shè)計(jì)方案三：此方案保留模型的原型，本文要考慮水下旅游觀光，潛艇的外部造型和內(nèi)部空間加大了，同時(shí)考慮船舶的規(guī)格書(shū)和美觀的結(jié)合，潛艇的窗戶(hù)設(shè)計(jì)成八角形，承受水的壓強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

逆向設(shè)計(jì)方法的正確使用能夠減少潛水器研發(fā)過(guò)程中對(duì)造型方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，但逆向設(shè)計(jì)方法在小型潛水器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚存很多問(wèn)題，對(duì)于逆向數(shù)據(jù)的改動(dòng)與取舍除去設(shè)計(jì)方案功能實(shí)現(xiàn)的約束之外，還應(yīng)當(dāng)有一定的標(biāo)準(zhǔn)，以控制造型與樣本之間的相似度，保證造型性能的延續(xù)。

參考文獻(xiàn)：

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