常小軒

（華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073）

0 引言

隨著科技與時(shí)代的進(jìn)步，用戶(hù)對(duì)船載設(shè)備的設(shè)計(jì)有著更高的要求。除了以往關(guān)注的功能、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面外，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)也提出了更高的訴求。造型設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)的主要方面，小到手機(jī)，大到汽車(chē)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商的重視。工業(yè)設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品創(chuàng)新動(dòng)力和提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，在國(guó)內(nèi)，也開(kāi)始被引入船用設(shè)備領(lǐng)域。

就造型設(shè)計(jì)而言，船載設(shè)備和民用產(chǎn)品存在較大差異。首先，由于對(duì)設(shè)備可靠性的重視，加工工藝和表面處理工藝單一，以及產(chǎn)品工作原理的嚴(yán)格限制，結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新變得困難。通常，產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式上不會(huì)有較大改變和“妥協(xié)”，而且對(duì)體積和重量的限制也比較嚴(yán)格，因此對(duì)產(chǎn)品造型創(chuàng)新施加了限制。其次，為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，如殼體的氣密，水密等要求，導(dǎo)致一些常用的造型手段不能夠得到有效的應(yīng)用，如鏤空，結(jié)構(gòu)分形線(xiàn)、材料的搭配等。再者，由于材料選擇、加工工藝和成本的限制，使得造型上不推薦使用復(fù)雜的曲面。最后，在色彩選擇上，為了和船體本身搭配協(xié)調(diào)，一般有明確規(guī)定，不能超出其規(guī)定的范圍。以上等原因，極大增加了船載設(shè)備造型設(shè)計(jì)的難度，壓縮了工業(yè)設(shè)計(jì)師的造型設(shè)計(jì)空間[1]。

某型船載光電設(shè)備，現(xiàn)對(duì)其原有頭部造型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。要求結(jié)構(gòu)合理，盡可能縮小體積。具備較好的強(qiáng)度、剛度，不影響原有的功能，并使其造型更符合當(dāng)下審美觀(guān)。

1 造型改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品整體外部結(jié)構(gòu)分析

該設(shè)備整體造型近似為圓柱體，從前側(cè)觀(guān)察，左右對(duì)稱(chēng)。如圖1 所示，Ⅱ即是本次設(shè)計(jì)要改進(jìn)的“頭罩”，Ⅰ是其玻璃窗口。Ⅲ為圓形平臺(tái)，頭罩固定其上面，要求密封配合。Ⅳ是一種軟體材料制作的柱狀包裹罩，其內(nèi)部是圓形平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)，能夠讓平臺(tái)作任意方向傾斜。Ⅴ是圓盤(pán)狀底座。根據(jù)改進(jìn)要求，頭罩和圓形平臺(tái)的連接方式不變，即利用平臺(tái)上圓周均布的螺紋孔固定頭罩，此要求決定了頭罩底部的結(jié)構(gòu)。

從該設(shè)備整體比例上看，設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：①頭罩應(yīng)盡可能壓低高度，避免“頭重腳輕”的不穩(wěn)定感；②造型上可以結(jié)合產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，造型上融入“動(dòng)”的元素；③使頭罩看起來(lái)輕盈。

圖1 設(shè)備整體造型結(jié)構(gòu)

1.2 原頭部造型分析

如圖2 所示，Ⅰ是窗口邊框，四周以沉頭螺釘和頭罩連接，Ⅱ是保護(hù)玻璃，從內(nèi)側(cè)嵌入玻璃邊框。在形態(tài)設(shè)計(jì)方法上，可以看出原造型采用分割法設(shè)計(jì)法，造型并不復(fù)雜。分割在形態(tài)表現(xiàn)上可以理解為是失去或分離，在體量上表現(xiàn)為減少[2]。原頭罩以圓柱為基本形，首先切出窗口安裝面A 和斜面B，然后對(duì)頂部倒斜角，接著切除4 個(gè)傾斜面。即在內(nèi)部空間允許的情況下，使整體“上窄下寬”，這樣，穩(wěn)定感好一些。存在的不足：①A 面和B 面的“切割”過(guò)于簡(jiǎn)單，造型上的“一刀切”顯得簡(jiǎn)陋，不夠豐富；②窗口邊框不夠和四周的輪廓線(xiàn)融合，如圖2 中的左圖；③4 個(gè)C 面的切割使得造型顯得“為了裝飾而裝飾”，不能夠和產(chǎn)品功能相關(guān)聯(lián)。

圖2 原頭罩造型

此外，內(nèi)部機(jī)構(gòu)及產(chǎn)品工作原理給予造型上的限制因素不容忽視。頭罩內(nèi)部為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件，由于其工作原理的限制，窗口（即A 面） 和水平方向間的夾角一定。而且，窗口位置相對(duì)于內(nèi)部組件不能改變，此要求決定了窗口下邊緣和頭罩底端的豎直距離H，以及水平方向上的窗口與內(nèi)部組件旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離L。上述限制條件，基本決定了頭罩的基本造型，剩下的造型改進(jìn)空間較小。

1.3 造型改進(jìn)分析

根據(jù)盡可能縮小體積的要求，宜采用分割法。分割法一般從一個(gè)抽象幾何形態(tài)開(kāi)始分割，既可減少造型特定位置的體積，又可以產(chǎn)生富有變化的造型。根據(jù)原造型的分析，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)優(yōu)化造型：①將B面減小并和A 面適當(dāng)?shù)亍胺蛛x”開(kāi)來(lái)，立體化處理，打破和A 面的“一刀切”；②將A 面立體化處理，打破“大平面”；③簡(jiǎn)化C 面，使其更簡(jiǎn)潔；④將窗口邊框的輪廓調(diào)整，使之和整體協(xié)調(diào)；⑤局部的修飾，增加細(xì)節(jié)。

2 造型在軟件中的實(shí)現(xiàn)

Pro/E 是一款功能強(qiáng)大的參數(shù)化建模工具，應(yīng)用廣泛。Pro/E 的參數(shù)化建模方法，易于修改模型，適合在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)調(diào)整與修改，而不至于“前功盡棄”。此外，它的“抽殼工具”在殼體造型設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用。

2.1 基本造型建模

根據(jù)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的大小和運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)確定基本造型，確保不干涉內(nèi)部組件的情況下，讓形體做到最小。首先，執(zhí)行“旋轉(zhuǎn)”命令，根據(jù)“形式追隨功能”的設(shè)計(jì)原則，輪廓截面積要盡量貼合內(nèi)部組件的空間布局。但由于前后方向需要更多的空間，因此，只旋轉(zhuǎn)半周，再利用形成的邊界輪廓執(zhí)行“拉伸”操作。接下來(lái)，同樣用“拉伸”的方法切割出窗口所在的斜面。同樣，用拉伸的方法拉伸出法蘭面和局部所需的空間。此時(shí)，已經(jīng)確定了基本造型。

2.2 局部處理

由于B 面的高度遮擋窗口的視場(chǎng)，因此要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睿懈詈蟛⒌箞A角處理。根據(jù)此前的造型分析，A面應(yīng)打破“大平面”，所以，造型上可以采用切割的方式來(lái)切出更動(dòng)感的造型。本設(shè)計(jì)采用“掃描”工具，對(duì)窗口兩側(cè)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)的切削。首先，畫(huà)出曲線(xiàn)的掃描軌跡，依次執(zhí)行 【插入】、【掃描】、【切口】，畫(huà)出截面圖形，效果如圖4 所示。

接下來(lái)對(duì)造型的細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，尤其是對(duì)倒角大小把握要適當(dāng)，小的倒角可以使面的邊緣看起來(lái)更加犀利，干凈，利落，大的倒角起到模糊邊界線(xiàn)條的作用，看起來(lái)更緩和一些。

當(dāng)主要的造型特征都生成完畢后，此時(shí)執(zhí)行“抽殼”，命令。抽殼成功后，根據(jù)窗口的大小，留出窗口的位置，如圖5 所示。為了讓B 面更加豐富，可適當(dāng)?shù)刈鲆恍┭b飾，如加入LOGO，或者功能的性的符號(hào)等，應(yīng)簡(jiǎn)潔大方，避免裝飾效果過(guò)于繁瑣，遵循“少即是多”的設(shè)計(jì)原則[3]。

圖3 造型步驟示意

圖4“抽殼”前

圖5“抽殼”后的局部處理

2.3 窗口邊框設(shè)計(jì)

窗口邊框可以單獨(dú)從殼體外面裝卸，這樣設(shè)計(jì)能方便對(duì)玻璃的維護(hù)，同時(shí)起到保護(hù)玻璃的作用，也起到裝飾的作用。結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

為了使窗口邊框的外輪廓和A 面的邊緣輪廓完全吻合，在草繪里提取了A 面的輪廓線(xiàn)，并保存為截面文件，在創(chuàng)建玻璃窗口邊框時(shí)直接導(dǎo)入該截面文件進(jìn)行創(chuàng)建。經(jīng)打孔和倒角，最后裝配螺釘后，如圖7 所示。

圖6 窗口結(jié)構(gòu)

圖7 最終裝配效果

3 模型渲染

為了更直觀(guān)地考察產(chǎn)品真實(shí)效果，需將模型渲染出高品質(zhì)圖片。渲染過(guò)程在V-ray 渲染器插件里完成，該渲染器以插件的形式集成到Rhino4.0 環(huán)境里。V-ray 渲染速度快，效果逼真，應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，尤其適合渲染工業(yè)產(chǎn)品。主要操作步驟如下：①將Pro/E 模型導(dǎo)出，保存副本為“step”格式，導(dǎo)出選項(xiàng)中選擇“實(shí)體”；②再進(jìn)入到Rhino4.0 執(zhí)行“import”命令，導(dǎo)入“step”文件；③由于從Pro/E 導(dǎo)出的Pro/E 組件為一個(gè)整體模型，需要將其打散，然后再將各個(gè)獨(dú)立零件再重新粘接，這樣方便賦予不同零件以不同材質(zhì)；④進(jìn)入材質(zhì)編輯界面，設(shè)定出需要的幾種材質(zhì)。這里根據(jù)模型需要分別設(shè)置了玻璃材質(zhì)、外殼材質(zhì)、橡膠材質(zhì)、地面材質(zhì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了讓外殼材質(zhì)更接近標(biāo)準(zhǔn)的海灰 色，取 色 值RGB 分別為：164，193，200；由于環(huán)境貼圖模擬環(huán)境光的作用，不同貼圖的色溫不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)纳嫡{(diào)整。不同材質(zhì)表面的反射強(qiáng)度和光滑度不同，主要通過(guò)材質(zhì)編輯器中的“Reflection”選項(xiàng)里的各個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。光滑的漆面需加入“菲涅爾”反射貼圖，再通過(guò)調(diào)節(jié)它的具體參數(shù)來(lái)控制反射效果。

圖7 選取色值

圖8 材質(zhì)編輯器

圖9 Environment 設(shè)置欄

圖10 渲染效果

圖11 側(cè)面效果

（1）將材質(zhì)賦予各個(gè)零件。

（2）設(shè)置渲染器的各個(gè)參數(shù)。主要設(shè)置了計(jì)算方法與渲染精度。

（3）設(shè)置“環(huán)境”欄的“background”選項(xiàng)，加入環(huán)境貼圖，用來(lái)模擬更好的反射效果。

（4） 搭建場(chǎng)景，調(diào)整觀(guān)察角度。設(shè)置所需的圖片輸出大?。╫utput size）。最后執(zhí)行“渲染”命令，待渲染完畢，保存圖片。

4 結(jié)論

分割法是一種常見(jiàn)的造型設(shè)計(jì)方法，能夠有效地處理造型元素中的點(diǎn)、線(xiàn)、面之間的關(guān)系。國(guó)外軍品造型設(shè)計(jì)也多數(shù)使用此方法來(lái)設(shè)計(jì)，在三維造型設(shè)計(jì)軟件中也不難實(shí)現(xiàn)。其難點(diǎn)在于對(duì)線(xiàn)條，比例，平衡等形式美法則的把握。因此，工業(yè)設(shè)計(jì)師除了要具備扎實(shí)的造型理論基礎(chǔ)外，更重要的是具備成熟的設(shè)計(jì)眼光，即對(duì)造型的整體把握能力，以及對(duì)造型細(xì)節(jié)的處理能力。這需要設(shè)計(jì)師在長(zhǎng)期的造型實(shí)踐中積累一定的審美經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的船用工業(yè)造型。

[1] 生建友.某船載電子設(shè)備的造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2010，4.

[2] 陳汗青.產(chǎn)品設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版，2005.

[3] 吳學(xué)群.艦船電子設(shè)備中的工業(yè)設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2003，2.