切削法在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

尹紅俊

（常州大學(xué)，江蘇 常州 213100）

隨著近年來(lái)船舶行業(yè)的快速發(fā)展，船舶使用者對(duì)船舶產(chǎn)品除了基本的使用需求外，對(duì)個(gè)性、人文、趣味等方面的需求也越來(lái)越高，企業(yè)為了滿足這些需求，會(huì)要求加快研發(fā)進(jìn)程設(shè)計(jì)出美觀新穎的產(chǎn)品，各大船舶企業(yè)為了能擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，會(huì)在保證船舶產(chǎn)品使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量外，加快研發(fā)進(jìn)程不斷更新產(chǎn)品以滿足消費(fèi)者的需求。盡管我國(guó)已成為船舶制造大國(guó)，但船舶制造業(yè)依然面臨著很多問(wèn)題，其中高附加值的高端船型以及船舶配套產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，使得國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不足。對(duì)船舶產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者而言，如何高效、準(zhǔn)確、合理地設(shè)計(jì)出令客戶滿意的船舶外觀形體和艙室布局成為船舶設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，基于對(duì)以上問(wèn)題的思考，通過(guò)引入切削法來(lái)解決新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中反復(fù)無(wú)方向且造型修訂上耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題。

現(xiàn)階段研究船舶產(chǎn)品造型的方法有很多，如仿生設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多種造型設(shè)計(jì)方法。切削法作為一種產(chǎn)品造型方法，即利用切削的方式對(duì)形體進(jìn)行減法處理，從而得到基于科學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的目標(biāo)造型形體，在利用切削法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需引入形式美法則、人機(jī)工學(xué)等工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科來(lái)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，使得切削得到的造型產(chǎn)品既具有藝術(shù)要素又具有科學(xué)要素。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)主要作用在開(kāi)發(fā)決策期和前期開(kāi)發(fā)，企業(yè)為了得到優(yōu)秀且符合消費(fèi)者需求的造型，在產(chǎn)品前期會(huì)花較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)解決造型中的突出問(wèn)題，切削法的引入將縮短前期開(kāi)發(fā)的時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)提升最終造型的合理準(zhǔn)確性。

1 切削法分析

1.1 切削法介紹

切削法初始為一種鑄造方法CCG，作用在鑄造機(jī)械行業(yè)，利用切削的方法進(jìn)行異形鑄鐵管的制作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，切削法被作為一種造型方法，利用切削方式對(duì)形體進(jìn)行削減去除從而得到目標(biāo)形體，切削的本質(zhì)是在做減法，即利用化整為零的思路并帶有一定的美學(xué)意圖和功能意圖去設(shè)計(jì)，使得最終得到的產(chǎn)品兼具美觀性與實(shí)用性。

1.2 切削法研究現(xiàn)狀

目前，切削法的研究主要在機(jī)械方面，而在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，關(guān)于切削法造型的研究十分有限，與切削法同理的理論有城市規(guī)劃方面，把削切法作為一種街坊空間的城市設(shè)計(jì)方法的研究，及輕工業(yè)方面減法裁剪的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。通過(guò)分析切削法造型過(guò)程中工業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用，使得削切法的具體實(shí)踐更具有科學(xué)依據(jù)，更快捷得到符合目標(biāo)需求的造型產(chǎn)品。

1.3 切削法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 切削法采用“整體-細(xì)節(jié)”的整體切削設(shè)計(jì)思路

利用切削法進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循“整體-細(xì)節(jié)”的整體削切設(shè)計(jì)思路，使得建模設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為合理，開(kāi)模設(shè)計(jì)更為便捷。切削法整體設(shè)計(jì)思路與三維設(shè)計(jì)中“自頂向下設(shè)計(jì)”的思路一致，對(duì)要完成的任務(wù)進(jìn)行分解，先對(duì)最高層次中的問(wèn)題進(jìn)行定義、設(shè)計(jì)，而將其中未解決的問(wèn)題作為一個(gè)子任務(wù)放到下一層次中去解決，逐步求精的設(shè)計(jì)程序的過(guò)程，這種切削設(shè)計(jì)思路可以避免產(chǎn)品模具開(kāi)發(fā)出現(xiàn)倒扣、間隙過(guò)大、漏沖孔等問(wèn)題，使得設(shè)計(jì)的模具達(dá)到目標(biāo)需求。

1.3.2 切削法采用科學(xué)合理的數(shù)據(jù)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具體走形

切削法在具體實(shí)踐中為了解決切削更合理的問(wèn)題，往往會(huì)結(jié)合人機(jī)工學(xué)、數(shù)學(xué)幾何模型及形式美法則等一系列設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)切削的具體走形，從而保障產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，使最終設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品符合前期預(yù)期，同時(shí)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以縮短前期開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，提高企業(yè)新品開(kāi)發(fā)的效率，幫助企業(yè)更好地占領(lǐng)市場(chǎng)。

2 切削法在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

2.1 切削法在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循形式美法則

切削法是在有意識(shí)有目的的思維指導(dǎo)下進(jìn)行的產(chǎn)品造型活動(dòng)，在具體實(shí)踐中需要形式美法則研究來(lái)指導(dǎo)操作。好的造型產(chǎn)品應(yīng)該為社會(huì)大眾所接受，所以要求造型設(shè)計(jì)師既需要了解市場(chǎng)，又要懂得工程知識(shí)，這樣設(shè)計(jì)的方案才能便于生產(chǎn)又具有美的形態(tài)。利用切削法造型設(shè)計(jì)的目的就是盡可能保障產(chǎn)品造型的準(zhǔn)確性同時(shí)又可以縮短前期開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既符合美的要素又符合市場(chǎng)需求。形式美法則，即人們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)踐中總結(jié)發(fā)現(xiàn)的美的形式規(guī)律經(jīng)驗(yàn)和抽象概括，通常包括對(duì)稱均衡、調(diào)和對(duì)比、比例、節(jié)奏韻律和多樣統(tǒng)一幾部分。通過(guò)研究形式美法則，能夠培養(yǎng)出人們對(duì)形式美的敏感度，從而指導(dǎo)人們?cè)诤笃趯?shí)踐活動(dòng)中創(chuàng)造美的形態(tài)，掌握形式美的法則，使人們更自覺(jué)地運(yùn)用形式美的法則表現(xiàn)美的內(nèi)容，最終設(shè)計(jì)作品表現(xiàn)出美的形式與內(nèi)容的高度統(tǒng)一。切削法造型設(shè)計(jì)的目的是直接作用在產(chǎn)品上，要求的是造型的過(guò)程，產(chǎn)品通過(guò)切削方式對(duì)造型進(jìn)行去除，從而創(chuàng)造出最優(yōu)最適合的并具有美的特征的造型產(chǎn)品。

在船舶造型中常用到形式美的法則來(lái)進(jìn)行切削法造型，在設(shè)計(jì)的草繪階段和油泥制作階段，為了試驗(yàn)和設(shè)計(jì)出最優(yōu)最具美感的造型，會(huì)運(yùn)用已有的美學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)記切削造型，再經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化對(duì)比，從而設(shè)計(jì)出最符合要求的造型。在船舶整體造型設(shè)計(jì)中，船舶主線條是構(gòu)成船舶造型的重要元素，通過(guò)線條造型的對(duì)比變化，會(huì)產(chǎn)生不同感覺(jué)的造型風(fēng)格，這些就是形式美中韻律與節(jié)奏的展示，再通過(guò)對(duì)比與微差的合理切削使用，會(huì)形成不同風(fēng)格造型的船舶形體。在船舶設(shè)計(jì)中，比例關(guān)系也十分重要，形式美法則中比例所研究的就是長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的位置關(guān)系，在設(shè)計(jì)中常用“空間體量”來(lái)表達(dá)，船舶設(shè)計(jì)的比例關(guān)系決定著船舶美觀性和船舶在水中的平衡性，產(chǎn)品的比例關(guān)系失衡會(huì)造成美觀性下降，導(dǎo)致整體造型不協(xié)調(diào)，被客戶的認(rèn)可度不高。

因此，運(yùn)用切削法進(jìn)行產(chǎn)品造型時(shí)，需要遵循形式美法則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并借鑒形式美法則所累積的形式美數(shù)據(jù)，來(lái)保障通過(guò)切削方式得到的造型產(chǎn)品具有美的特質(zhì)，并符合消費(fèi)者的審美需求。

2.2 切削法在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)符合人機(jī)工學(xué)

切削法造型作為一種造型方法，追求的是造型的高效和準(zhǔn)確，換句話說(shuō)就是造型的最優(yōu)化，要求造型形態(tài)滿足使用者的審美需求和使用功能，同時(shí)切削法造型的產(chǎn)品落腳點(diǎn)是使用者（人）。而人機(jī)工學(xué)主張的以人為本和系統(tǒng)最優(yōu)化原則與切削法造型所追求的高效和準(zhǔn)確造型的結(jié)果是一致的，一方面人機(jī)工程學(xué)研究的關(guān)于人的數(shù)據(jù)對(duì)切削造型法提供數(shù)據(jù)支撐，使得利用切削法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加合理化；另一方面人機(jī)工程學(xué)對(duì)使用環(huán)境中人的心理和生理的研究為切削法提供了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，確定了人在各種造型空間環(huán)境中的舒適范圍和安全限度。

人機(jī)工學(xué)的本質(zhì)是在人不需要精神和身體主動(dòng)適應(yīng)的前提下，讓產(chǎn)品在使用的時(shí)候最大限度地契合人體自然形態(tài)，所以在設(shè)計(jì)使用產(chǎn)品時(shí)都應(yīng)充分考慮人機(jī)工學(xué)，使得產(chǎn)品的造型與人機(jī)工學(xué)完美結(jié)合。如船舶駕駛控制中心造型設(shè)計(jì)中就充分利用人機(jī)工程學(xué)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先駕駛室需要滿足使用者的使用要求和符合國(guó)標(biāo)，在利用切削法設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分利用人機(jī)工程學(xué)來(lái)確定駕駛室的室內(nèi)活動(dòng)空間和容身區(qū)設(shè)計(jì)。在駕駛室內(nèi)細(xì)節(jié)造型上也要充分運(yùn)用人機(jī)工程布置，如操控臺(tái)顯示儀表設(shè)計(jì)布置，駕駛座椅設(shè)計(jì)，方向盤(pán)和操縱踏板設(shè)計(jì)以及操縱臺(tái)及按鈕等都應(yīng)盡量滿足人機(jī)工程要求，并利用整體系統(tǒng)的思維來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在產(chǎn)品造型中，人機(jī)工程學(xué)與切削法造型是相互促進(jìn)的關(guān)系，一方面人機(jī)工學(xué)為切削法能準(zhǔn)確快速的造型提供了合理的數(shù)據(jù)依據(jù)和以人為中心的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維；另一方面通過(guò)切削法造型設(shè)計(jì)的復(fù)雜曲面造型也帶來(lái)很多人機(jī)關(guān)系問(wèn)題，這些人機(jī)關(guān)系問(wèn)題推動(dòng)人機(jī)工程學(xué)去發(fā)展，使得人機(jī)工程學(xué)在優(yōu)美的曲面造型和良好的人機(jī)關(guān)系尋找到最優(yōu)平衡點(diǎn)，因此好的切削設(shè)計(jì)產(chǎn)品應(yīng)符合人機(jī)工學(xué)。

2.3 切削法在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循整體設(shè)計(jì)思路

切削法作為一種設(shè)計(jì)方法，遵循的是化整為零的造型思路，即先確定產(chǎn)品大體形狀尋找出規(guī)則的形體，然后根據(jù)需求對(duì)形體進(jìn)些切割，先切割出大體的造型再對(duì)細(xì)節(jié)部位進(jìn)行優(yōu)化從而得到削切造型體，削切法設(shè)計(jì)過(guò)程與工業(yè)設(shè)計(jì)中油泥模型的制作有很多相似。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中利用整體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行建模設(shè)計(jì)時(shí)常采用自頂向下的方式，先搭建整體的框架和坐標(biāo)系，然后開(kāi)始分析規(guī)劃產(chǎn)品，在建模之前已確定好了產(chǎn)品的風(fēng)格。為了提高船舶總體設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率，切削法在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循整體設(shè)計(jì)思路，充分考慮船舶各設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，當(dāng)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)修改時(shí)，要有效地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行即時(shí)的反饋和修改，以保障布局的合理性，有效把控整體設(shè)計(jì)過(guò)程，減少設(shè)計(jì)中的出錯(cuò)率。

3 切削法在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 切削法在船舶整體外型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

優(yōu)秀的船舶外觀設(shè)計(jì)，需要兼顧美觀性和實(shí)用性兩個(gè)要素，船舶的形態(tài)需要展現(xiàn)出船舶的風(fēng)格特色，在實(shí)踐中常用總體與部分的比例、線條走勢(shì)等來(lái)反映。通過(guò)把削切法引入到船舶外型設(shè)計(jì)中，一方面采用切削的方式結(jié)合形式美學(xué)及人機(jī)工學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)芨焖俚氐玫椒锨捌谝?guī)劃的目標(biāo)產(chǎn)品，從而縮短前期開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，提高企業(yè)新品開(kāi)發(fā)的效率，同時(shí)形式美學(xué)及人機(jī)工學(xué)的科學(xué)數(shù)據(jù)能保障提升船舶整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理性；另一方面，切削法采整體切削設(shè)計(jì)思路，使得建模設(shè)計(jì)出的船舶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為合理。在船舶外觀造型設(shè)計(jì)中，切削法設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)流程如下，首先按照設(shè)計(jì)需求確認(rèn)好船體的核心工作部件以搭建船舶形體的大體形框架，然后開(kāi)始分析規(guī)劃產(chǎn)品，確定船舶形體風(fēng)格，再根據(jù)整體造型結(jié)構(gòu)進(jìn)行主體曲面建模規(guī)劃，當(dāng)船舶主體產(chǎn)品切削完成后再對(duì)船舶細(xì)節(jié)做造型優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用切削造型法進(jìn)行船舶外觀造型設(shè)計(jì)時(shí)，需要有清晰合理的三維造型思路，并且在切削造型過(guò)程中人機(jī)工學(xué)數(shù)據(jù)和形式美法則經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)著船舶產(chǎn)品的具體走形，使得設(shè)計(jì)的船舶外觀符合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期的規(guī)劃要求。

3.2 切削法在船舶艙室布局設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

船舶艙室布局設(shè)計(jì)包含船舶家具設(shè)備布置和各層甲板按功能需求進(jìn)行空間布局劃分，因?yàn)榇芭撌以O(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)多且關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在船舶艙室實(shí)際設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)因?yàn)榇爸黧w的改動(dòng)和輸入源的變化而改變整體艙室空間布局，另外船舶艙室空間設(shè)計(jì)需要展現(xiàn)空間的獨(dú)特魅力和高雅品質(zhì)，充分考慮船員在特定環(huán)境中的心理和生理需求，盡可能減少環(huán)境對(duì)船上人員心理的負(fù)面影響，營(yíng)造自然、和諧的工作生活環(huán)境，針對(duì)以上船舶艙室布局設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)題引入切削法設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在船舶艙室布局設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)已有的船舶形體在深入研究用戶需求后，利用切削法的整體設(shè)計(jì)思路，根據(jù)通道位置、樓梯位置、艙室功能布局位置進(jìn)行劃分，最大化利用空間尺寸，優(yōu)化空間布局，并建立具有層級(jí)關(guān)系的參數(shù)化模型，并對(duì)模型進(jìn)行劃分，絕對(duì)位置模型是固定的，相對(duì)位置模型可在人機(jī)工程約束進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)設(shè)計(jì)方案需要調(diào)整時(shí)，可以全方位有層次的進(jìn)行修改優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，利用削切法對(duì)艙室設(shè)備布局和家具布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效避免設(shè)備家具干涉問(wèn)題及安全通道占用問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)方案的合理性。因此，削切法的使用在提升船舶艙室美觀實(shí)用性的同時(shí)可有效縮短傳統(tǒng)的艙室布置設(shè)計(jì)周期，提高艙室活動(dòng)空間利用率提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)船舶設(shè)計(jì)中，先進(jìn)設(shè)計(jì)方法支持下的數(shù)字化船舶智能制造是增強(qiáng)我國(guó)船舶設(shè)計(jì)建造水平、提高競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。切削法作為一種產(chǎn)品造型方法，是理性科學(xué)與感性創(chuàng)造融合的產(chǎn)物，利用切削法造型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既包含著藝術(shù)要素也遵循科學(xué)理論，能保障最終產(chǎn)品造型的準(zhǔn)確定位同時(shí)縮短前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)，這些優(yōu)勢(shì)使得切削法在未來(lái)船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)中會(huì)被廣泛使用，通過(guò)切削法設(shè)計(jì)既可以使設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念和想法快速的表現(xiàn)在船舶產(chǎn)品上，又可以精確把控最終船舶產(chǎn)品的科學(xué)合理性以滿足消費(fèi)者的多層次需求。