基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

鄧衛(wèi)斌，王彤彤，葉航

（湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068）

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使參數(shù)化方法應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域成為可能，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多可行性[1]。隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的訴求更加趨向于多樣化與個(gè)性化[2]。消費(fèi)時(shí)代的產(chǎn)品迭代速度要求設(shè)計(jì)師縮短設(shè)計(jì)周期，提高創(chuàng)新水平。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式受設(shè)計(jì)師個(gè)人知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)的影響，難以實(shí)現(xiàn)跨越性創(chuàng)新與多樣性突破。參數(shù)化思維運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯方法將造型美學(xué)與產(chǎn)品效能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使設(shè)計(jì)過(guò)程在滿足多樣化創(chuàng)新性的同時(shí)，也體現(xiàn)出設(shè)計(jì)師的本質(zhì)意愿[3]。參數(shù)化思維是一種將設(shè)計(jì)師感性思維與技術(shù)工具理性表達(dá)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思考方式，在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，能夠輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)推導(dǎo)。

1 參數(shù)化概述

1.1 參數(shù)化概念

1.1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把設(shè)計(jì)相關(guān)的因素進(jìn)行參數(shù)變量化，并在各因素之間建立一定的邏輯關(guān)系，通過(guò)對(duì)因素參數(shù)的不斷調(diào)整，最終確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程[4]。

1.1.2 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化技術(shù)是輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)的工具，也可以稱為參數(shù)化輔助技術(shù)，其設(shè)計(jì)結(jié)果具有精確性和確定性的特征。參數(shù)化設(shè)計(jì)工具可快速生成和修改可視化模型，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)效率大大提高，能輔助設(shè)計(jì)師更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)造和表現(xiàn)[5]。參數(shù)化技術(shù)使之前復(fù)雜的設(shè)計(jì)關(guān)系變得清晰，能更加快速、準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)師的想法，并輔助設(shè)計(jì)活動(dòng)的推進(jìn)[6]。

1.1.3 參數(shù)化思維

參數(shù)化思維把參數(shù)化應(yīng)用于設(shè)計(jì)的全過(guò)程，指導(dǎo)設(shè)計(jì)師以參數(shù)化的思維處理設(shè)計(jì)問(wèn)題，挖掘設(shè)計(jì)的多種可能性。設(shè)計(jì)師通過(guò)將個(gè)人思維進(jìn)行梳理，再對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化處理，使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)全過(guò)程中將重心放在產(chǎn)品的整體邏輯構(gòu)建和創(chuàng)新推理上，跳脫繁瑣的設(shè)計(jì)操作和步驟[7]。參數(shù)化思維具有多樣性、無(wú)限性及精確性的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)思維過(guò)程的創(chuàng)新性。

1.2 參數(shù)化的特點(diǎn)

參數(shù)化思維改變著設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，參數(shù)化的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在3 個(gè)階段。首先，在設(shè)計(jì)初始階段，基于參數(shù)化思維的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是設(shè)計(jì)師建立設(shè)計(jì)參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，依照算法邏輯規(guī)則，理性處理各參數(shù)之間的關(guān)系，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，不再只取決于設(shè)計(jì)師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷。其次，在設(shè)計(jì)推導(dǎo)階段，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中由設(shè)計(jì)師控制設(shè)計(jì)進(jìn)程的模式，參數(shù)化思維進(jìn)行的設(shè)計(jì)推導(dǎo)過(guò)程更具多元性、可控性，可以突破傳統(tǒng)的幾何造型和使用方式，不易受思維定勢(shì)的影響[8]。最后，在設(shè)計(jì)評(píng)估階段，參數(shù)化思維下進(jìn)行的設(shè)計(jì)創(chuàng)作，可對(duì)設(shè)計(jì)流程的任意環(huán)節(jié)進(jìn)行快速修改，這既減少了工作量，又提高了設(shè)計(jì)效率，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的煩瑣模式。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

2.1 傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法首先需要確定設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)師根據(jù)要求結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行造型、結(jié)構(gòu)的構(gòu)思，并以草圖的形式表現(xiàn)設(shè)計(jì)想法，確定方案后進(jìn)行三維建模，形成可視化模型，渲染出產(chǎn)品效果圖，最終完成方案。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)流程在設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)可更改性、設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)創(chuàng)新性等方面存在其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of traditional design processes

2.2 基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是解決問(wèn)題的特殊求解過(guò)程，以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)，并依據(jù)這些需求建立對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)關(guān)系，尋找滿足要求的解。基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)師以參數(shù)化的思維處理設(shè)計(jì)問(wèn)題，首先對(duì)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行功能特征描述、功能關(guān)鍵詞擬定與功能組件位置等的探索，接著在初步確定基本結(jié)構(gòu)、尺寸等設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)后，搭建參數(shù)化造型邏輯，在參數(shù)化軟件中選定算法并生成三維模型，最后進(jìn)行方案的參數(shù)化分析、評(píng)估及調(diào)整，基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程Fig.1 Product innovation design process based on parametric thinking

2.2.1 功能特征描述與分析

在設(shè)計(jì)初始階段，基于參數(shù)化思維確定影響因素并建立設(shè)計(jì)參數(shù)之間的邏輯關(guān)系。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的功能特征進(jìn)行描述，明確設(shè)計(jì)要求，從中提取功能關(guān)鍵詞，聚焦設(shè)計(jì)切入點(diǎn)。探索功能性組件的位置可能性，建立參數(shù)之間的邏輯關(guān)系。

2.2.2 基本結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)的初步確定

在設(shè)計(jì)推導(dǎo)階段，設(shè)計(jì)師對(duì)搭建的邏輯進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最終生成的設(shè)計(jì)方案不可預(yù)見(jiàn)但在掌握之中，提高了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新力和效率。

改變?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)而不改變參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，依據(jù)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)法則對(duì)產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)進(jìn)行初步確定，并建立三維模型。通過(guò)選擇合適的仿真軟件，對(duì)初步確定的功能結(jié)構(gòu)及布局進(jìn)行模擬仿真，檢驗(yàn)并論證結(jié)構(gòu)布局的合理性，最終選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

2.2.3 參數(shù)化造型邏輯確定

造型設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)功能結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)等對(duì)造型進(jìn)行推敲。第一，依據(jù)設(shè)定的功能結(jié)構(gòu)對(duì)造型進(jìn)行拓展，基于設(shè)計(jì)需求所突出的不同單元的物理特性，對(duì)產(chǎn)品整體造型進(jìn)行針對(duì)性的變化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師可完成不同單元位置、比例、尺寸等造型邏輯推導(dǎo)，后續(xù)可根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)各功能性部件的位置、造型特征、尺寸等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。第二，產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)理論要求產(chǎn)品具有良好的指示性、易用性、交互性、美觀性等特性，該部分著重要求產(chǎn)品象征特性對(duì)造型的突出表達(dá)[9]。參數(shù)化造型邏輯影響因素與優(yōu)化條件見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)化造型邏輯影響因素與優(yōu)化條件Tab.2 Influencing factors and optimization conditions of parametric modeling logic

2.2.4 參數(shù)化造型算法選定及生形

設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系是建立可視化參數(shù)模型的主脈絡(luò)。根據(jù)參數(shù)化造型邏輯確定的影響因素是不同的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化條件具有多樣性，因此，參數(shù)化造型邏輯構(gòu)建不是一成不變的。

采用工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的Rhinoceros 與Grasshopper 組成的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)作為邏輯構(gòu)建及表現(xiàn)的工具，Grasshopper 插件具有邏輯可視化的特點(diǎn)，可以將設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行精簡(jiǎn)與可視化顯示。Grasshopper 的運(yùn)算器分為邏輯運(yùn)算器和幾何運(yùn)算器，邏輯運(yùn)算器展現(xiàn)的是構(gòu)建模型的思路，幾何運(yùn)算器與Rhinoceros 軟件的幾何功能類(lèi)似[10]，算法的選定及生成是根據(jù)造型邏輯并結(jié)合運(yùn)算器特點(diǎn)來(lái)確定的。

依據(jù)確定的造型邏輯來(lái)構(gòu)建基礎(chǔ)的參數(shù)化建模思路，在Rhinoceros 軟件中建立基礎(chǔ)的點(diǎn)、線、面、體，在Grasshopper 插件中選擇合適的運(yùn)算器生成可調(diào)節(jié)模型，并與基礎(chǔ)模型進(jìn)行優(yōu)化整合，從而得到最終的模型方案。

2.2.5 方案參數(shù)化分析、評(píng)估及調(diào)整

在設(shè)計(jì)評(píng)估階段，設(shè)計(jì)師對(duì)整體方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證分析，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行高效地修改，大大節(jié)省了其時(shí)間成本。

3 基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

如今，圖形處理、視頻渲染、高強(qiáng)度計(jì)算等工作內(nèi)容，以及高幀游戲、高保真影音等娛樂(lè)體驗(yàn)成為越來(lái)越多用戶的實(shí)際需求[11]。日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)給人們的工作和生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也對(duì)硬件配置提出了更高的要求[12]，電腦機(jī)箱作為硬件的載體起著至關(guān)重要的作用。出色的電腦機(jī)箱設(shè)計(jì)不僅滿足了消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化的需求，同時(shí)也在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)性能的追求。

對(duì)市場(chǎng)上的風(fēng)冷機(jī)箱進(jìn)行調(diào)研，選擇某電商平臺(tái)銷(xiāo)量前5 的機(jī)箱，從結(jié)構(gòu)布局、造型特征及散熱性能等方面進(jìn)行分析，見(jiàn)表3?，F(xiàn)階段的電腦機(jī)箱為了方便走線、節(jié)約成本，將造型規(guī)整、布局統(tǒng)一作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同質(zhì)化嚴(yán)重，產(chǎn)品之間差異性小，未能滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求?，F(xiàn)有機(jī)箱在對(duì)散熱問(wèn)題的處理模式上較為單一，導(dǎo)致散熱效率較低，使消費(fèi)者并未完全享受到硬件升級(jí)帶來(lái)的整機(jī)性能的提升。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)機(jī)箱散熱性能存在局限。

采用基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，以“散熱功能良好的電腦機(jī)箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)”為例，將設(shè)計(jì)師感性思維與技術(shù)工具理性表達(dá)相結(jié)合，把看似無(wú)法兼顧的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了機(jī)箱的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，證實(shí)了參數(shù)化方法在電腦機(jī)箱設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用，論證了基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。該方法同樣可以應(yīng)用在其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，具有普遍意義。對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)講，使用該方法，可使其將更多的精力放在設(shè)計(jì)參數(shù)的邏輯推演上，專注把握設(shè)計(jì)進(jìn)程，不因煩瑣的設(shè)計(jì)流程而耗費(fèi)大量精力。對(duì)消費(fèi)者來(lái)講，產(chǎn)品的參數(shù)化思維帶來(lái)的個(gè)性化成果，可以給其更多的選擇空間，滿足其不同的需求。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)來(lái)講，能顯著提高其設(shè)計(jì)效率，為其提供更多的拓展、創(chuàng)新途徑。由此可見(jiàn)，可以依據(jù)實(shí)際情況，將參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于多行業(yè)、多領(lǐng)域。

3.1 電腦機(jī)箱功能特征描述與分析

3.1.1 功能特征描述

溫度是影響電腦機(jī)箱內(nèi)部電子元器件正常工作的主要因素之一，在使用過(guò)程中電腦機(jī)箱需要散熱，以保證內(nèi)部各部件處于正常的工作溫度[13]。設(shè)計(jì)一款散熱功能良好的電腦機(jī)箱，可有效避免元件溫度過(guò)高，從而保證其始終處于正常的工作狀態(tài)。

3.1.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞擬定

圍繞電腦機(jī)箱的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行關(guān)鍵詞提取，將“散熱”“個(gè)性化”作為設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞。

1）散熱。保證電腦機(jī)箱內(nèi)部元器件均處于正常工作的溫度區(qū)間。影響散熱的最主要因素是機(jī)箱內(nèi)部的元件排布和風(fēng)道的設(shè)計(jì)[14]。目前強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱以其低成本、易維護(hù)、效果好等特點(diǎn)被廣泛采用。

2）個(gè)性化。突出產(chǎn)品的差異性，體現(xiàn)不同用戶的個(gè)性特征[15]。在設(shè)計(jì)時(shí)，電腦機(jī)箱除了需要具有載物、防塵、輔助散熱等功能外，還要滿足消費(fèi)者追求個(gè)性化的心理需求。

3.1.3 探索各配件組成位置的可能性

影響電腦機(jī)箱散熱的主要因素包括主體發(fā)熱源的布局、風(fēng)扇位置，以及散熱孔的大小與排布，因此，在設(shè)計(jì)初始階段，設(shè)計(jì)師在基于參數(shù)化思維的指導(dǎo)下，需要考慮各功能參數(shù)之間的位置關(guān)系與邏輯關(guān)系。筆者在常規(guī)電腦機(jī)箱的布局基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)探索。CPU、顯卡、電源等器件是主要的產(chǎn)熱模塊[16]，主要熱源的布局以分區(qū)散熱、互不干擾為前提。產(chǎn)熱最大的元件應(yīng)放置在出風(fēng)口位置，其產(chǎn)生的熱量可以直接排出，避免熱量擴(kuò)散到機(jī)箱其他部位。可通過(guò)布置風(fēng)扇形成散熱風(fēng)道，并遵循進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)盡量在一條線上的布局原則，在機(jī)箱內(nèi)部形成的氣壓負(fù)載可以將元件產(chǎn)生的熱量帶出。基于此，來(lái)探究相同風(fēng)扇條件下最大散熱效率的排布。由于熱空氣的分子運(yùn)動(dòng)更劇烈，熱空氣向上擴(kuò)散，所以考慮采用下部進(jìn)風(fēng)、斜向出風(fēng)的方式。

3.2 電腦機(jī)箱相關(guān)參數(shù)的初步確定

確定機(jī)箱的基本結(jié)構(gòu)和尺寸等參數(shù)。機(jī)箱尺寸要求符合元件及散熱所需的空間，同時(shí)整體尺寸需要符合常規(guī)機(jī)箱的擺放空間。以下研究的是結(jié)構(gòu)排布對(duì)散熱的影響，因此，外殼采用簡(jiǎn)化后的幾何機(jī)箱造型，用側(cè)視圖描述出各模塊具體位置并初步確定尺寸，見(jiàn)圖2。機(jī)箱外殼是厚度為0.8 mm 的ABS 塑料，總熱功耗為 213W，設(shè)備熱功耗及具體尺寸見(jiàn)表4。

使用Solidworks Flow Simulation 熱仿真軟件，對(duì)上述機(jī)箱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行散熱仿真實(shí)驗(yàn)與分析。為了提高計(jì)算精度和模擬仿真的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化，將對(duì)結(jié)果影響不明顯的裝配體零件和零件特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用常規(guī)仿真思路，即不考慮熱輻射，只考慮固體內(nèi)熱傳導(dǎo)，流動(dòng)類(lèi)型為層流和湍流，默認(rèn)固體為5052 鋁合金，默認(rèn)壁面熱條件的熱交換系數(shù)為155 W/m2/K ，初始條件的壓力為101 325 Pa，溫度為293.2 K，不以瞬態(tài)模擬的時(shí)間變化為基準(zhǔn)[17]。收斂條件為固體溫度、流體溫度和總溫度，即當(dāng)三者數(shù)值趨于平穩(wěn)時(shí)得出仿真結(jié)果。

在配置相同、收斂條件相同的情況下，CPU 周?chē)黧w溫度為375 K，顯卡為370 K，電源為364 K，散熱性能不佳，常規(guī)機(jī)箱熱仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。電腦機(jī)箱熱仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。通過(guò)觀察表5 所示的流體溫度等高線云圖和流動(dòng)跡線圖，并與常規(guī)機(jī)箱對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案1 中CPU 周?chē)牧黧w溫度為370 K 左右，顯卡為365 K 左右，適合元器件工作的流體溫度區(qū)域占比大，但CPU 周?chē)鷾囟容^高。方案2 中CPU 周?chē)牧黧w溫度為372 K 左右，顯卡為341 K 左右，電源為360 K 左右，局部流體溫度浮動(dòng)小，機(jī)箱整體冷卻性較優(yōu)，且顯卡散熱優(yōu)勢(shì)明顯。方案3 中CPU 周?chē)牧黧w溫度為355 K 左右，顯卡溫度為358 K 左右，機(jī)箱內(nèi)部整體溫度較低，溫差過(guò)渡平緩，滿足主要元器件的散熱需求，且布局更具創(chuàng)新性。綜合考慮，方案3 優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 電腦機(jī)箱參數(shù)化造型邏輯推演

從功能結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，圍繞機(jī)箱的散熱性能來(lái)確定造型，機(jī)箱各功能部件排布為斜向布局，整體造型將貼合此結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行延伸。進(jìn)出風(fēng)口兩側(cè)同向傾斜，可以體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)與張力，該造型與“斗?！钡臓顟B(tài)相似，因此確定采用此形態(tài)作為機(jī)箱設(shè)計(jì)意向圖，見(jiàn)圖4。

圖4 電腦機(jī)箱意向圖“斗?！盕ig.4 Computer case intention map "the bull"

機(jī)箱前部為進(jìn)風(fēng)口位置，結(jié)合防塵與快速進(jìn)風(fēng)功能，將前機(jī)箱板設(shè)計(jì)成部分傾斜的造型，并根據(jù)主要熱源位置將機(jī)箱對(duì)應(yīng)區(qū)域比例加大，以滿足快速散熱需求。機(jī)箱散熱孔的排布是影響機(jī)箱散熱的因素之一，除了在前部和后部設(shè)置散熱孔外，結(jié)合表5 方案2 的流體溫度等高線云圖，在機(jī)箱側(cè)板增加散熱孔，其位置與云圖所示高溫區(qū)域相吻合時(shí)效果最佳。

從產(chǎn)品語(yǔ)意設(shè)計(jì)方向出發(fā)，圍繞使用者使用的易操作性、交互性等特性，進(jìn)行按鍵等指示信息的排布，以準(zhǔn)確傳達(dá)產(chǎn)品的使用信息[18]。

3.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建電腦機(jī)箱造型

參數(shù)化造型邏輯構(gòu)建完成后，在Rhinoceros 與Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行模型的建立和參數(shù)的調(diào)整。創(chuàng)建“斗牛”特征輪廓線，并依據(jù)內(nèi)部元器件的排布對(duì)輪廓線進(jìn)行局部調(diào)整，擠出封閉的平面曲線，并拉伸成體。在所得形體上建立“斗牛”特征曲線，根據(jù)散熱性能對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，將機(jī)箱后部出風(fēng)處的比例放大，這不僅滿足了散熱性能，還可以使機(jī)箱更加穩(wěn)固。“斗?！睓C(jī)箱建模過(guò)程展示見(jiàn)圖5。

圖5 “斗?！睓C(jī)箱建模過(guò)程展示Fig.5 The "bull"chassis modeling process display

參數(shù)化散熱孔見(jiàn)圖6。根據(jù)表5 方案3 的電腦機(jī)箱熱仿真結(jié)果來(lái)繪制曲線，曲線經(jīng)過(guò)了機(jī)箱溫度較高的區(qū)域，依次為CPU、顯卡及電源，結(jié)合造型的美觀性對(duì)曲線做出調(diào)整，如圖6 中的①。在Grasshopper插件上選定算法，構(gòu)建參數(shù)化散熱孔。在XY平面上，通過(guò)Rectangular Array 運(yùn)算器創(chuàng)建一個(gè)矩形數(shù)組來(lái)表征散熱孔的排布，數(shù)組基本元素為半徑1 mm 的圓，X軸方向圓形數(shù)量為30，Y軸方向?yàn)?0。提取圓的中心點(diǎn)，通過(guò)Point In Curve 運(yùn)算器選擇處于造型輪廓線內(nèi)的點(diǎn)。點(diǎn)的大小與抽離出的曲線①有關(guān)，距離曲線①越近圓越大，反之越小，由Curve Closest Point 運(yùn)算器控制，如圖6 中的②所示區(qū)域。側(cè)面開(kāi)孔大小受到加工工藝與機(jī)箱防塵能力的限制，孔的直徑范圍在2～6 mm為宜。參數(shù)化散熱孔的建立過(guò)程見(jiàn)圖7，并采用同樣的方式建立機(jī)箱外殼其余散熱孔。

圖6 參數(shù)化散熱孔Fig.6 Parametric heat dissipation holes

圖7 參數(shù)化散熱孔的建立Fig.7 Establishment of parameterized heat dissipation holes

電腦機(jī)箱開(kāi)關(guān)、USB 接口等部件分布在機(jī)箱的前中部面板，視覺(jué)中心集中在“斗牛”前突處。后側(cè)面板排布參數(shù)化散熱孔，考慮到既要滿足散熱需要又要起到防塵作用，因此，對(duì)機(jī)箱采用水平打孔方式，外接線路統(tǒng)一排布在后部，作為“斗牛的尾巴”。

3.5 電腦機(jī)箱方案參數(shù)化分析、評(píng)估及調(diào)整

將構(gòu)建好的機(jī)箱外殼導(dǎo)入Solidworks Flow Simulation 中，與內(nèi)部元件共同進(jìn)行仿真模擬，并調(diào)整散熱孔的參數(shù)，優(yōu)化創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8。顯然，機(jī)箱造型經(jīng)過(guò)參數(shù)化思維設(shè)計(jì)后，散熱性能有了進(jìn)一步提高，機(jī)箱內(nèi)的散熱效果好，整體趨于較高水平。同時(shí)，可根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求進(jìn)行方案調(diào)整?！吧峁δ芰己玫碾娔X機(jī)箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)”最終方案，見(jiàn)圖9。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of optimized design

圖9 最終設(shè)計(jì)方案Fig.9 Final design

4 結(jié)語(yǔ)

“散熱功能良好的電腦機(jī)箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的初步應(yīng)用論證了基于參數(shù)化思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有機(jī)統(tǒng)一。受現(xiàn)有條件的影響，該應(yīng)用案例與實(shí)際情況相比還存在局限性。文中僅探究了“機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)”，參數(shù)化思維的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于多維度、多途徑的設(shè)計(jì)方向，還有待進(jìn)一步探究。