某船載設(shè)備的頭罩造型改進設(shè)計

常小軒

（華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430073）

0 引言

隨著科技與時代的進步，用戶對船載設(shè)備的設(shè)計有著更高的要求。除了以往關(guān)注的功能、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面外，用戶對產(chǎn)品的造型設(shè)計也提出了更高的訴求。造型設(shè)計是工業(yè)設(shè)計的主要方面，小到手機，大到汽車，越來越受到國內(nèi)廠商的重視。工業(yè)設(shè)計作為產(chǎn)品創(chuàng)新動力和提升產(chǎn)品競爭力的重要手段，在國內(nèi)，也開始被引入船用設(shè)備領(lǐng)域。

就造型設(shè)計而言，船載設(shè)備和民用產(chǎn)品存在較大差異。首先，由于對設(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)形式上不會有較大改變和“妥協(xié)”，而且對體積和重量的限制也比較嚴格，因此對產(chǎn)品造型創(chuàng)新施加了限制。其次，為了滿足產(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、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)計的難度，壓縮了工業(yè)設(shè)計師的造型設(shè)計空間[1]。

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

1 造型改進設(shè)計

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)觀察，左右對稱。如圖1 所示，Ⅱ即是本次設(shè)計要改進的“頭罩”，Ⅰ是其玻璃窗口。Ⅲ為圓形平臺，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)部是圓形平臺的運動支撐機構(gòu)，能夠讓平臺作任意方向傾斜。Ⅴ是圓盤狀底座。根據(jù)改進要求，頭罩和圓形平臺的連接方式不變，即利用平臺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)計應(yīng)從以下幾個方面進行：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)品運動特點，造型上融入“動”的元素；③使頭罩看起來輕盈。

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是保護玻璃，從內(nèi)側(cè)嵌入玻璃邊框。在形態(tài)設(shè)計方法上，可以看出原造型采用分割法設(shè)計法，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，然后對頂部倒斜角，接著切除4 個傾斜面。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”過于簡單，造型上的“一刀切”顯得簡陋，不夠豐富；②窗口邊框不夠和四周的輪廓線融合，如圖2 中的左圖；③4 個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，剩下的造型改進空間較小。

1.3 造型改進分析

根據(jù)盡可能縮小體積的要求，宜采用分割法。分割法一般從一個抽象幾何形態(tài)開始分割，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，主要從以下幾個方面來優(yōu)化造型：①將B面減小并和A 面適當(dāng)?shù)亍胺蛛x”開來，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簡化C 面，使其更簡潔；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，增加細節(jié)。

2 造型在軟件中的實現(xiàn)

Pro/E 是一款功能強大的參數(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)計過程中反復(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)計中起到關(guān)鍵作用。

2.1 基本造型建模

根據(jù)內(nèi)部機構(gòu)的大小和運動軌跡，來確定基本造型，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，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，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，因此要進行適當(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切出更動感的造型。本設(shè)計采用“掃描”工具，對窗口兩側(cè)進行對稱的切削。首先，畫出曲線的掃描軌跡，依次執(zhí)行 【插入】、【掃描】、【切口】，畫出截面圖形，效果如圖4 所示。

接下來對造型的細節(jié)進行處理，尤其是對倒角大小把握要適當(dāng)，小的倒角可以使面的邊緣看起來更加犀利，干凈，利落，大的倒角起到模糊邊界線條的作用，看起來更緩和一些。

當(dāng)主要的造型特征都生成完畢后，此時執(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等，應(yīng)簡潔大方，避免裝飾效果過于繁瑣，遵循“少即是多”的設(shè)計原則[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

窗口邊框可以單獨從殼體外面裝卸，這樣設(shè)計能方便對玻璃的維護，同時起到保護玻璃的作用，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，并保存為截面文件，在創(chuàng)建玻璃窗口邊框時直接導(dǎo)入該截面文件進行創(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

為了更直觀地考察產(chǎn)品真實效果，需將模型渲染出高品質(zhì)圖片。渲染過程在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、建筑設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、動畫設(shè)計等多個領(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)出選項中選擇“實體”；②再進入到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 組件為一個整體模型，需要將其打散，然后再將各個獨立零件再重新粘接，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)計要求，為了讓外殼材質(zhì)更接近標準的?；?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)實際情況作出適當(dāng)?shù)纳嫡{(diào)整。不同材質(zhì)表面的反射強度和光滑度不同，主要通過材質(zhì)編輯器中的“Reflection”選項里的各個參數(shù)來調(diào)節(jié)。光滑的漆面需加入“菲涅爾”反射貼圖，再通過調(diào)節(jié)它的具體參數(shù)來控制反射效果。

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)賦予各個零件。

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

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

（4） 搭建場景，調(diào)整觀察角度。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

分割法是一種常見的造型設(shè)計方法，能夠有效地處理造型元素中的點、線、面之間的關(guān)系。國外軍品造型設(shè)計也多數(shù)使用此方法來設(shè)計，在三維造型設(shè)計軟件中也不難實現(xiàn)。其難點在于對線條，比例，平衡等形式美法則的把握。因此，工業(yè)設(shè)計師除了要具備扎實的造型理論基礎(chǔ)外，更重要的是具備成熟的設(shè)計眼光，即對造型的整體把握能力，以及對造型細節(jié)的處理能力。這需要設(shè)計師在長期的造型實踐中積累一定的審美經(jīng)驗，才能設(shè)計出優(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[J].艦船電子工程，2010，4.

[2] 陳汗青.產(chǎn)品設(shè)計[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[J].艦船電子對抗，2003，2.