鄭剛強 陳則瀾

水上運動產(chǎn)品安全性設(shè)計是保障水上運動項目安全的基礎(chǔ)與前提，而在水上運動項目擴(kuò)大發(fā)展的過程中，水上運動產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的安全性設(shè)計方法。本文以國內(nèi)外水上運動產(chǎn)品為研究對象，從工業(yè)設(shè)計的視角出發(fā)，探索水上運動產(chǎn)品安全性設(shè)計的有效方法，以此提升水上運動產(chǎn)品的安全程度并降低事故發(fā)生率。運用案例研究法對水上運動事故發(fā)生的原因進(jìn)行歸納并分析，了解水上運動產(chǎn)品安全性設(shè)計的方向，運用FLUENT 工具對水上運動產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計，運用安全存在、完全保護(hù)、優(yōu)先損壞、安全警示四種原則設(shè)計合理的安全結(jié)構(gòu)。本文以水上電動滑板為例，應(yīng)用仿真計算程序以及安全結(jié)構(gòu)設(shè)計程序，對產(chǎn)品進(jìn)行改良設(shè)計。為水上運動產(chǎn)品的安全性研究拓寬了方向，對提高水上運動項目安全指數(shù)具有一定的價值。

水上運動產(chǎn)品；仿真計算；安全結(jié)構(gòu)；水上電動滑板

2016 年，國家體育總局印發(fā)《水上運動產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃》，明確提出加快推動水上運動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新要求[1]?！笆濉逼陂g國家水上運動產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，水域擴(kuò)大開放、水上運動設(shè)施建設(shè)加速、水上運動產(chǎn)品供給加強。但水上運動項目造成溺水、人員傷殘等問題也隨之而來[2]，皮劃艇、摩托艇、賽艇、帆船、水上滑板、潛水器、沖浪板、漂流船等設(shè)施設(shè)備的安全性成為項目安全的決定性因素之一。研究水上運動產(chǎn)品的安全性設(shè)計對降低事故發(fā)生率具有一定的現(xiàn)實價值[3]。

1.水上運動產(chǎn)品的安全性現(xiàn)狀

（1）產(chǎn)品自身穩(wěn)定性不足

水上運動產(chǎn)品在運動過程中涉及摩擦阻力、興波阻力、渦旋阻力等，還須考慮浮性、穩(wěn)性、抗搖擺性、抗沉性、回轉(zhuǎn)性等多種性能[4]。但在水上運動產(chǎn)品市場化過程中，企業(yè)為迅速占領(lǐng)市場、追求短期效益，導(dǎo)致產(chǎn)品自身性能不足[5]。例如船體尤其是尾部缺乏合理的流線時，則會導(dǎo)致尾部渦旋阻力增加，從而影響操控，在緊急情況時易失去控制。船體抗搖擺性不足則易導(dǎo)致船體側(cè)翻，這也是皮劃艇事故頻發(fā)的重要原因。

（2）產(chǎn)品危險應(yīng)急性缺失

部分水上運動產(chǎn)品缺少危險應(yīng)急能力。例如網(wǎng)紅項目“飛魚”，如圖1所示，摩托艇通過繩子牽引游客所在的橡皮艇，達(dá)到一定的速度后橡皮艇頭部會迎風(fēng)翹起甚至騰空。但在橡皮艇上，游客除了救生衣之外沒有任何保護(hù)措施，只能通過雙手緊握把手防止掉落海中。若從高空掉入水中易發(fā)生危險，若救生衣失效則極易造成溺水。有些水上運動產(chǎn)品甚至在使用者發(fā)生危險時會對其造成二次傷害[6]。例如國外一名水上瑜伽學(xué)員在搭救受險者時，沖浪板被撞翻，由于腳上沖浪繩的纏繞，使得她被壓在沖浪板下無法抽身，最終發(fā)生了溺水事故。

圖1 網(wǎng)紅項目“飛魚” Fig.1 Internet celebrity project ＂Flying Fish＂

2.安全性設(shè)計

據(jù)中國探險協(xié)會《2020 年度中國戶外探險類事故報告》統(tǒng)計[7]，（見表1）。事故發(fā)生的可控因素與不可控因素數(shù)量相近。在水上運動產(chǎn)品設(shè)計中，可以從2 個方面進(jìn)行考慮：一是優(yōu)化產(chǎn)品自身穩(wěn)定性，降低使用者因操縱不當(dāng)而造成的風(fēng)險，從而增加安全系數(shù)；二是提高產(chǎn)品危險應(yīng)急能力，將不可控因素轉(zhuǎn)化為可控因素，降低事故發(fā)生率[8][9]。

表1 事故原因分類表

2.1 基于FLUENT 的水上運動產(chǎn)品穩(wěn)定性設(shè)計

傳統(tǒng)水上運動產(chǎn)品的運動穩(wěn)定性設(shè)計是以自然湍流環(huán)境下測算為基礎(chǔ)，通過對實體的反復(fù)打磨修改以及實驗來確定最終方案，數(shù)據(jù)精確度低、設(shè)計周期長、對經(jīng)驗的依賴性高。FLUENT 是用于模擬流體表面水流運動的計算機(jī)程序[10]，在水上運動產(chǎn)品外形設(shè)計、開發(fā)過程中，采用FLUENT 作為產(chǎn)品運動穩(wěn)定性研究工具，圖2為框架原理。

圖2 運用FLUENT 研究水上運動產(chǎn)品表面流體的工作流程

在運用FLUENT 處理問題過程中，需要搭建模型并進(jìn)行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，這一步稱為前處理過程。再在FLUENT軟件中確定邊界條件、物理模型等，并進(jìn)行計算，然后在后置處理工具中進(jìn)行圖形化顯示[11]。計算結(jié)果為產(chǎn)品運動穩(wěn)定性研究的合理性提供參考。

（1）前處理方法

在前置處理過程中，可采取兩種方法。一是通過GAMBIT 中Geometry 板塊進(jìn)行3D 模型搭建，優(yōu)點是可直接進(jìn)行CFD 前處理，生成網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查；二是選用其他CAD 或CAM 軟件（如Rhino、SolidWorks、AUTOCAD、UG 等造型平臺）建立3D 模型[12]，再輸入前處理軟件（HyperMesh、ANSA、ICEM CFD）中轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格。對生成的網(wǎng)格面進(jìn)行質(zhì)量檢測及優(yōu)化后，輸入至FLUENT 求解器中確定邊界條件、流體材料、流體速度、產(chǎn)品材料、運算步數(shù)等，并進(jìn)行計算，最后得到計算結(jié)果。

（2）數(shù)據(jù)可視化及結(jié)果評價

觀察產(chǎn)品表面壓力、流速、水流走向等，分析、判斷產(chǎn)品流體穩(wěn)定性[13]。若計算結(jié)果顯示壓力分布均勻、水流能沿產(chǎn)品表面平穩(wěn)流動，則表明產(chǎn)品造型較為合理，產(chǎn)品運動穩(wěn)定性較高；否則參考計算結(jié)果對產(chǎn)品模型進(jìn)行優(yōu)化，如表面壓力測試中，將受壓較大的邊壁改為優(yōu)化過的柔性邊壁以減少沿程阻力，直到出現(xiàn)較優(yōu)解。

2.2 安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計合理的安全保護(hù)結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品安全性的重要因素[14]?？紤]水上運動意外對人造成的危害更大更嚴(yán)重，在設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)時應(yīng)以保護(hù)人的安全為主要任務(wù)。從產(chǎn)品硬件損壞、控制失靈、使用者操作失誤、環(huán)境突變等多個方面分析可能發(fā)生的意外。預(yù)測意外情況對人或產(chǎn)品造成的危害，力求對人及產(chǎn)品進(jìn)行最佳保護(hù)。根據(jù)意外危險程度的高低，合理運用不同的安全原則。

（1）安全存在原則

首先在正常情況下的水上產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)充分運用安全存在原則，在材料的剛度、強度、密度、防水性、穩(wěn)定性方面采用定量計算，在規(guī)定載荷內(nèi)產(chǎn)品應(yīng)處于安全的狀態(tài)。尤其是涉及使用者人體數(shù)據(jù)時，在人體尺寸百分位選擇上可選用P1 和P99 作為下、上限值。如設(shè)計漂流船在考慮承重與浮力的關(guān)系時，應(yīng)采用GBl0000 中國成年人人體尺寸，運用超過99%人體體重的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出限載人數(shù)。

（2）完全保護(hù)原則

對于緊急情況，可采用完全保護(hù)原則，設(shè)計雙重甚至多重保護(hù)措施[15]。要確保有足夠的備用防護(hù)措施避免事故的發(fā)生。如進(jìn)行帆船運動項目時使用者不慎落水，應(yīng)設(shè)計緊急制動裝置對船體制動，防止船體因失去操控而撞擊到其他物體以造成二次傷害。制動后可考慮將安全繩或救生圈拋至落水者處或設(shè)計其他保護(hù)結(jié)構(gòu)。

（3）有限損壞原則

當(dāng)產(chǎn)生重大操作失誤，產(chǎn)品會對使用者產(chǎn)生危害時，采用有限損壞原則，通過破壞產(chǎn)品一定的結(jié)構(gòu)來保護(hù)使用者，用最小的損失達(dá)到最大的保護(hù)。如潛水活動中，一些推進(jìn)器為追求最大的進(jìn)水量而裸露馬達(dá)和螺旋槳，使用者大意時容易導(dǎo)致身體受傷。針對這一情況可采用有限損壞原則，感應(yīng)到異物進(jìn)入后螺旋槳緊急制動，通過軸承的磨損換取人員安全。

（4）安全警示原則

對于非重大操作失誤或非緊急情況，可采用安全警示原則，即在危險發(fā)生以前，通過警示音、指示燈進(jìn)行提示或警告，便于操作者更正操作或停止使用并進(jìn)行故障排查。如摩托艇在轉(zhuǎn)向時，駕駛員若轉(zhuǎn)彎角度過大則容易出現(xiàn)“推頭”現(xiàn)象，極易導(dǎo)致方向失控。針對這一情況可采用安全警示性原則，通過設(shè)置警示環(huán)節(jié)警示駕駛員減速駕駛，以保證人員安全。

在水上產(chǎn)品設(shè)計過程中，需合理運用以上原則，可根據(jù)產(chǎn)生后果的危害大小、實現(xiàn)的難易程度、成本高低等[16]，如表2 所示，按照安全存在、完全保護(hù)、優(yōu)先損壞、安全警示順序進(jìn)行考慮，追求最大程度保護(hù)用戶的安全。

表2 針對不同狀態(tài)運用不同的安全保護(hù)原則

3.水上運動產(chǎn)品的安全性設(shè)計實例

水上電動滑板屬于新型水上運動器材，包括上部碳纖維沖浪板，連桿、引擎、水翼、操控手柄，如圖3 所示。通過螺旋槳轉(zhuǎn)動推動滑板在水面前進(jìn)，當(dāng)速度達(dá)到一定水平時，滑板脫離水面，不需要觸碰水面就可滑行，滑行狀態(tài)如圖4 所示。水上電動滑板最高速度可達(dá)到40KM/h，故在設(shè)計過程中需充分考慮安全性。下面以水上電動滑板為例，對其安全性進(jìn)行設(shè)計。

圖3 一種水上電動滑板

圖4 水上電動滑板運動狀態(tài)

3.1 滑板水翼表面流體力學(xué)設(shè)計

在水上電動滑板的設(shè)計過程中采用FLUENT 工具，參考工作流程進(jìn)行研究，具體操作步驟如下所示：

（1）采用Rhino 工具建立水上滑板模型，在使用過程中主要是水翼在水中運動并提供升力和動力，故產(chǎn)品在運動過程中是否平穩(wěn)主要由水翼的造型決定，此處對水翼進(jìn)行分析，搭建水翼3D 模型并建立水流域、水流出入口。圖5 為Rhino 中水翼3D 實體模型圖。

（2）Rhino 輸出STEP 格式并導(dǎo)入ANSYS Workbench 平臺運用ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ICEM CFD 作為FLUENT 和CFX 標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件，具有完備的模型修復(fù)工具，能更好地對Rhino 中因Nurbs 薄面拼接而導(dǎo)致的穿面、破面等問題進(jìn)行修復(fù)[17]。這里采用三角形網(wǎng)格對水翼表面進(jìn)行劃分，然后觀察表面網(wǎng)格質(zhì)量并升階[18]。圖6 為計算網(wǎng)格示意圖。

圖6 水翼表面及縱對稱軸面上的計算網(wǎng)格圖

網(wǎng)格建立之后確定水流域、水流出入口等邊界條件，條件確認(rèn)后，導(dǎo)入網(wǎng)格文件至FLUENT 進(jìn)行計算。表3為流域邊界的條件表。

表3 流域邊界條件

（3）確定物理模型及計算條件，湍流模型采用Realizable K-epsilon 模型，Realizable k-ε 模型包含另一種湍流黏度公式，計算結(jié)果更貼近湍流的物理特性[19]。在自然水域場景下無須過多考慮大壓力梯度，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。1050kg/m3密度的水流，即每一立方凈水中含有50kg 雜質(zhì)，使其更接近自然水體。采用40KM/h 的水流速度模擬水翼在水中運動的狀態(tài)。

（4）將計算結(jié)果輸入后置處理工具，顯示對稱面、水翼表面的壓力、速度分布。圖7 為水翼表面壓力圖。圖8 為水翼表面速度圖。

圖7 水翼表面壓力圖

圖8 水翼表面速度圖

（5）分析水翼表面壓力、速度結(jié)果，由圖7、圖8可以看出表面壓力較為平衡，表面流速較為均勻，且上表面流速快下表面流速慢。證明該水翼能為水上電動滑板提供穩(wěn)定的升力。

3.2 安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

水上電動滑板主要會出現(xiàn)的意外情況包括：因使用者操作不當(dāng)導(dǎo)致側(cè)翻、掉落水中；馬達(dá)葉片卷入水中垃圾、水草等雜物；內(nèi)部零件發(fā)生故障，如電流過載導(dǎo)致的ESC（電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）失效，電池電量不足無法提供返航電量；緊急情況遙控器無法迅速降低速度[20]。以上述安全存在原則、完全保護(hù)原則、有限損壞原則、安全警示原則為基礎(chǔ)，針對水上電動滑板進(jìn)行安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計[21]。

首先，正常情況下水上電動滑板的安全性應(yīng)以安全存在原則為基礎(chǔ)。國家標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸數(shù)據(jù)中體重中P99 為83KG，根據(jù)FLUENT 數(shù)據(jù)分析，在30KM/h 時水翼上下壓力差為-977.01N，測算水翼提供的升力約為99.59KG，從數(shù)據(jù)可知速度與升力接近線性關(guān)系，計算可得99%以上的人群在速度達(dá)到27KM/h 時能實現(xiàn)穩(wěn)定水上沖浪。表4 為不同速度下水翼對滑板提供的升力表?；鍛?yīng)盡量采用強度高，密度低的材料，以避免低速水上滑行階段滑板的浮力不足或滑板碎裂導(dǎo)致事故的發(fā)生。

表4 不同速度下水翼對滑板提供的升力表

其次，在遙控器設(shè)計中運用完全保護(hù)原則。遙控器是水上運動滑板與使用者之間進(jìn)行交流的主要媒介，人通過遙控器按鈕或旋鈕對產(chǎn)品進(jìn)行操縱，產(chǎn)品通過遙控器界面反饋速度、位置、電量和電壓等信息給使用者[22]。因此遙控器的性能對產(chǎn)品的安全性有很大的影響。遙控器設(shè)計一安全保護(hù)裝置（部件1）。按下此部件，水上電動滑板實現(xiàn)通路，松開立馬停止運動，這樣能實現(xiàn)緊急情況下的斷電制動。采用旋轉(zhuǎn)式速度調(diào)節(jié)器（部件2），相對于按鈕式速度調(diào)節(jié)器具有步驟少、阻力小的優(yōu)點，在緊急情況下能對迅速對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用兩廂電池并聯(lián)連入電路，當(dāng)一塊電池電量耗盡或失效時，另一塊電池繼續(xù)供電。圖9 為水上電動滑板的遙控器。

圖9 水上電動滑板的遙控器

第三，使用者在使用水上電動滑板時跌落水中后由于緊張未松開安全保護(hù)裝置（部件1），手指卷入馬達(dá)葉片中致殘是常見的問題之一。針對這一問題可采用有限損壞原則，設(shè)計一阻力感知程序，當(dāng)檢測到異物進(jìn)入后斷開線路電源并對螺旋槳采取緊急制動，通過軸承的損傷換取人員安全。

第四，安全警示原則作為避免重大操作失誤的有效途徑，應(yīng)合理運用在產(chǎn)品中。如電池電量即將耗盡時應(yīng)通過警示音、遙控界面的警示圖案進(jìn)行提醒。在深水區(qū)域制動、遭遇危險時能通過發(fā)送危險求救信號向岸邊人員進(jìn)行求救。在內(nèi)部線路故障時，提示動力系統(tǒng)、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)、電池或無線傳輸出現(xiàn)問題，以便使用者停止使用，并及時排除故障。

4.結(jié)語

通過探究影響水上運動項目的安全性因素，明確水上運動產(chǎn)品安全性對項目安全的影響。從產(chǎn)品自身穩(wěn)定性不足與產(chǎn)品危險應(yīng)急性缺失兩個方向進(jìn)行歸納，制定FLUENT 仿真計算優(yōu)化產(chǎn)品流體穩(wěn)定性和安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提升產(chǎn)品應(yīng)急性兩種策略。運用FLUENT 軟件對水上運動產(chǎn)品的表面流場進(jìn)行分析計算，得到產(chǎn)品表面壓力云圖，三維流場速度云圖等結(jié)果[23]，可以直接用來指導(dǎo)水上運動產(chǎn)品的穩(wěn)定性設(shè)計。安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計通過合理運用安全存在、完全保護(hù)、優(yōu)先損壞、安全警示原則，能最大程度上提供產(chǎn)品應(yīng)急性并保護(hù)使用者的安全。

兩種策略是設(shè)計創(chuàng)新、科技工程、人機(jī)工學(xué)多領(lǐng)域融合的產(chǎn)物，協(xié)同運用提升水上運動產(chǎn)品的安全性[24]。以水上運動滑板為例，進(jìn)行流體穩(wěn)定性分析與安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，驗證策略的可行性。其縱深研究，對推動設(shè)計、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)融合創(chuàng)新發(fā)展具有重要價值，對促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)文化科技融合創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。