基于形態(tài)仿生的海上溢油回收裝置設(shè)計(jì)與評(píng)估

張有為，孫 虎

基于形態(tài)仿生的海上溢油回收裝置設(shè)計(jì)與評(píng)估

張有為，孫 虎

(西華大學(xué)美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，四川 成都 610039)

為解決海上溢油回收裝置功能與形態(tài)單一的問(wèn)題，提出一種自下而上的設(shè)計(jì)程序構(gòu)建仿生設(shè)計(jì)方法。由綜攝法求取生物特征意象集合以確定仿生目標(biāo)集；結(jié)合哈里斯圖表對(duì)目標(biāo)集進(jìn)行篩選以確定仿生原型；利用生物簡(jiǎn)化優(yōu)化法分析仿生原型的結(jié)構(gòu)特征關(guān)系，將結(jié)構(gòu)特征與形態(tài)分析求得的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行耦合得到初步仿生造型設(shè)計(jì)方案；運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中模糊集的概念對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序；對(duì)擇優(yōu)方案進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證方案是否符合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)要求，從而建立具有系統(tǒng)指導(dǎo)意義的仿生設(shè)計(jì)方法。利用方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，得到功能與形態(tài)間滿足設(shè)計(jì)需求且高耦合度的蝠鲼仿生溢油回收裝置。將該方法模型應(yīng)用于產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)中，可以為海上應(yīng)用類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供有效的理論指導(dǎo)，提高海洋技術(shù)類(lèi)產(chǎn)品整體水平。

仿生設(shè)計(jì)；海上溢油回收裝置；綜攝法；模糊綜合評(píng)價(jià)；動(dòng)力學(xué)評(píng)估

自上世紀(jì)60年代斯蒂爾第一次提出仿生學(xué)概念以來(lái)，仿生研究成為開(kāi)辟新技術(shù)路線的主要途徑之一，已在眾多學(xué)科領(lǐng)域中產(chǎn)出了大量的學(xué)術(shù)成果[1]。仿生設(shè)計(jì)是模擬自然和生物的各種特征或受自然和生物的啟發(fā)而進(jìn)行的廣義設(shè)計(jì)[2]，其針對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)、肌理、色彩等特征進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，對(duì)標(biāo)產(chǎn)品需求，篩選出符合產(chǎn)品需求的生物特征屬性，繼而展開(kāi)設(shè)計(jì)應(yīng)用。當(dāng)前，仿生設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題主要包括：產(chǎn)品美感、實(shí)用功能、象征語(yǔ)義3個(gè)方面[3]。針對(duì)仿生領(lǐng)域的設(shè)計(jì)研究主要集中在設(shè)計(jì)應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論分析領(lǐng)域。如陳東良等[4]利用新月魚(yú)尾鰭的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)了一種仿生多連桿魚(yú)骨，有效降低了推進(jìn)器以往結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；張阿維等[5]通過(guò)認(rèn)知耦合構(gòu)建了一種產(chǎn)品造型仿生設(shè)計(jì)方法以探索造型與情感語(yǔ)義間的關(guān)系；王麗梅[6]使用唐代金銀器來(lái)探究仿生設(shè)計(jì)理念與相關(guān)技法。整體而言，仿生學(xué)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用大多是基于設(shè)計(jì)師主觀判斷下對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的直接應(yīng)用，在形態(tài)映射策略、特征語(yǔ)義關(guān)系耦合以及設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化與評(píng)價(jià)等仿生設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺乏客觀性和系統(tǒng)性[7]。本文從工業(yè)設(shè)計(jì)視角出發(fā)，改進(jìn)一般仿生設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，量化模糊問(wèn)題，以海上溢油回收裝置為例進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，最后運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)驗(yàn)證該方法的合理性[8]。

1 研究背景

溢油事故作為海洋環(huán)境污染的重大源頭之一，多年來(lái)一直是各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年通過(guò)各種途徑泄漏入海洋的石油和石油產(chǎn)品約占世界石油總產(chǎn)量0.5%[9]。石油泄漏不僅會(huì)對(duì)海洋生態(tài)造成嚴(yán)重破壞，同時(shí)對(duì)人類(lèi)健康、區(qū)域經(jīng)濟(jì)也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的危害[10]。

我國(guó)作為石油能源消費(fèi)大國(guó)，2019年原油與石油對(duì)外依存度雙破70%，因海運(yùn)是我國(guó)石油運(yùn)輸?shù)幕痉绞?，所以?duì)我國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，各類(lèi)措施的提出已將溢油問(wèn)題基本穩(wěn)定在可控小范圍之內(nèi)，但偶發(fā)溢油事故所造成的影響卻越來(lái)越大[10]。因此，對(duì)于近海岸偶發(fā)性溢油問(wèn)題的處理變得愈發(fā)重要。當(dāng)前對(duì)溢油的處理主要有物理、化學(xué)、生物3類(lèi)技術(shù)，其中以物理機(jī)械回收的方式污染性最小，加之技術(shù)的進(jìn)步，已具備將水中溢油基本清除的能力，但如今常用的回收設(shè)備存在的功能與形態(tài)的單一卻一直為人們所詬病[11-12]。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，本文提出利用仿生學(xué)進(jìn)行溢油回收裝置的設(shè)計(jì)，以完善當(dāng)前設(shè)計(jì)中所存在的不足。

2 生物仿生設(shè)計(jì)流程與研究方法

本研究采用自下而上的仿生設(shè)計(jì)程序，即從設(shè)計(jì)目標(biāo)物到生物原型的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖的構(gòu)建[13]，如圖1所示。

圖1 仿生設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖

(1) 求取生物意象。確定設(shè)計(jì)目標(biāo)物，運(yùn)用綜攝法對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行拆解、聯(lián)想分析，得到生物特征意象。

(2) 確定生物形象。根據(jù)得到的生物意象進(jìn)行生物形象的收集，羅列仿生設(shè)計(jì)要求，利用哈里斯圖表對(duì)收集到的生物樣本進(jìn)行篩選，以確定仿生生物原型。

(3) 確定方案優(yōu)次級(jí)。將確定的生物形象通過(guò)生物簡(jiǎn)化法進(jìn)行特征提取及優(yōu)化，將提取的生物特征與利用形態(tài)功能分析得到的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到不同側(cè)重的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，再對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模糊量化評(píng)價(jià)以確定方案優(yōu)次級(jí)。

(4) 確定最終方案。選取優(yōu)良方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評(píng)估，合理即確定最終方案，不合理則進(jìn)行改進(jìn)或依方案優(yōu)劣次序選取方案再次進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 生物特征意象匹配分析

根據(jù)已明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用綜攝法作為引導(dǎo)此階段的主要分析方法進(jìn)行生物意象的求取。綜攝法又稱(chēng)提喻法，旨在通過(guò)以類(lèi)比思考的方式發(fā)揮非理性思維的作用，從而為要解決的問(wèn)題獲得具有獨(dú)創(chuàng)性和啟發(fā)性的看法[14]。綜攝法原有實(shí)施過(guò)程共分為8個(gè)步驟，為了更好地適應(yīng)仿生設(shè)計(jì)在此階段的應(yīng)用，本文將其流程進(jìn)行適度地增刪修改，優(yōu)化后如圖2所示。①問(wèn)題描述，即邀請(qǐng)所有人簡(jiǎn)要地討論并描述該設(shè)計(jì)問(wèn)題；②異質(zhì)同化與同質(zhì)異化，通過(guò)主持人引導(dǎo)參與者進(jìn)行討論，將原本具象的問(wèn)題隱藏并提出更為廣義且抽象的問(wèn)題，而后將其歸納為一個(gè)具體的目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)的類(lèi)比聯(lián)想，得到目標(biāo)相關(guān)的類(lèi)比集合；③元素刪減，刪除類(lèi)比集合中相關(guān)聯(lián)系較弱且重復(fù)的聯(lián)想，從而得到有效的元素集；④聯(lián)想匹配，對(duì)有效的類(lèi)比元素集進(jìn)行生物特征意象間的自由聯(lián)想匹配，以獲得生物特征意象。

圖2 綜攝法在仿生設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

2.2 仿生生物原型篩選

通過(guò)綜攝法完成定性分析后，結(jié)合生物特征意象搜集大量不同形態(tài)的生物樣本，進(jìn)行歸類(lèi)處理，去除特征較弱的生物類(lèi)型，從余下的類(lèi)型中選取各自最具映射代表性的生物進(jìn)行分析；之后，將產(chǎn)品圍繞造型、功能、語(yǔ)義等特征進(jìn)行解構(gòu)，盡可能全面地羅列出仿生設(shè)計(jì)需求，并按照對(duì)項(xiàng)目的重要程度進(jìn)行排序；最后，通過(guò)哈里斯圖表分析得到各生物與設(shè)計(jì)需求間的契合程度關(guān)系，通過(guò)判斷圖表中“高塔”倒塌的難易程度判斷所選生物的契合度高低，從而確定仿生生物原型，進(jìn)入簡(jiǎn)化優(yōu)化階段。

2.3 生物的簡(jiǎn)化優(yōu)化

生物的簡(jiǎn)化優(yōu)化是對(duì)生物整體與局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征提取的過(guò)程，在確定仿生生物原型后，突出特征形態(tài)對(duì)仿生設(shè)計(jì)與工業(yè)化生產(chǎn)顯得尤為重要。

據(jù)視知覺(jué)有關(guān)研究表明，人在同一時(shí)間內(nèi)所能關(guān)注的對(duì)象特征數(shù)量有限，一般5個(gè)左右視知覺(jué)分辨力將達(dá)到峰值，超過(guò)此值認(rèn)知正確率將開(kāi)始下降[15]，因此對(duì)特征的選取通常低于5個(gè)較為理想；此外，眼睛傾向于感知到較大的整體而非較小的局部[13]，因此視知覺(jué)系統(tǒng)會(huì)最大限度地將整體分離成最簡(jiǎn)潔突出的幾個(gè)局部；同時(shí)，在一定限度內(nèi)生物特征抽象程度越高，所獲得的本質(zhì)特征就越突出，生產(chǎn)制造也會(huì)更加便捷[13]。

基于上述理論描述構(gòu)建生物簡(jiǎn)化優(yōu)化流程(圖3)，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)化與式樣組成成分特征簡(jiǎn)化相結(jié)合的方法對(duì)生物展開(kāi)特征結(jié)構(gòu)層次的分析(圖4)，利用形態(tài)分析法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行功能形態(tài)分析，將分析得到的設(shè)計(jì)要素與主要結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行耦合，得到功能形態(tài)與生物間相對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖譜，通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系表為每一對(duì)生物局部特征關(guān)系進(jìn)行抽象、秩序化、調(diào)和、對(duì)比等手法的優(yōu)化，以完成生物的簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程。

圖3 生物簡(jiǎn)化優(yōu)化流程

圖4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)化分析

2.4 確定方案優(yōu)次級(jí)

對(duì)于經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化優(yōu)化所耦合成的多組設(shè)計(jì)方案，采用一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，對(duì)所有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行備選優(yōu)次級(jí)的排序。

(1) 隸屬度與模糊子集概念。

隸屬度：元素與模糊集合之間的關(guān)系(即元素隸屬于模糊集合的程度)。

模糊子集：設(shè)(討論對(duì)象全體)是論域，稱(chēng)映射即

確定了上的模糊子集，映射μ稱(chēng)為的隸屬函數(shù)，μ()稱(chēng)為對(duì)的隸屬程度，簡(jiǎn)稱(chēng)隸屬度。

設(shè)=(r)，0≤r≤1，其中r為隸屬度，為模糊矩陣。

(2) 模糊評(píng)價(jià)步驟。

步驟1.設(shè)定評(píng)價(jià)因素集合={1,2,3,···,u}；

步驟2.確定對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)向量={1,2,3,···,a}；

步驟3.確定評(píng)語(yǔ)集={1,2,3,···,v}；

步驟4.進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)得到r={r1,r2,r3,···,r}，將所有單因素評(píng)價(jià)進(jìn)行關(guān)聯(lián)構(gòu)造出模糊矩陣；

步驟5.計(jì)算權(quán)重向量與模糊矩陣的綜合評(píng)價(jià)向量為

其中，?為矩陣乘法運(yùn)算符；

步驟6.若求得矩陣內(nèi)各矩陣元素相加不等于1，則將所得不同方案的綜合權(quán)重向量進(jìn)行歸一化處理，如式(3)和式(4)，再根據(jù)隸屬度最大原則進(jìn)行比較排序，令

3 海上溢油回收裝置仿生設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 生物特征意象的求取

將綜攝法應(yīng)用于海上溢油回收裝置仿生設(shè)計(jì)流程以求取生物特征意象，實(shí)施過(guò)程如下：

(1) 首先對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)短地描述說(shuō)明，針對(duì)描述說(shuō)明提取關(guān)鍵詞(即主要目標(biāo))有：海洋、仿生設(shè)計(jì)、溢油回收等。

(2) 利用綜述法異質(zhì)同化思考原則將主要目標(biāo)進(jìn)行歸納，最后得到“海洋生物”與“回收”2個(gè)隱匿原本問(wèn)題的目標(biāo)關(guān)鍵詞。

(3) 組織專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行小組討論，對(duì)“回收”這個(gè)未限定且抽象的詞匯進(jìn)行同質(zhì)異化的類(lèi)比聯(lián)想，統(tǒng)計(jì)得到詞匯集合={可循環(huán)，環(huán)保，可降解，節(jié)約，資源再利用，存儲(chǔ)，過(guò)濾，清潔，分類(lèi)，效率，分揀，······}，將集合中的詞匯元素進(jìn)行近義詞、包含關(guān)系詞、具象詞以及無(wú)用詞匯的刪減，得到子集0。

(4) 以小組的形式結(jié)合0進(jìn)行自由聯(lián)想(生物特征的強(qiáng)行連接)，得到對(duì)應(yīng)生物意象集合0?={巨大的肚子，寬廣的軀體，嘴巴大，圓潤(rùn)，速度快，形態(tài)特征少，力氣大，結(jié)實(shí)的肌肉，皮膚硬，慮食特征，反芻特征，······}。

3.2 確定仿生生物原型

(1) 結(jié)合得到的“海洋生物”目標(biāo)關(guān)鍵詞與“生物意象”集合0?，通過(guò)咨詢相關(guān)人士并查詢資料，選取大量相關(guān)生物作為初選樣本。利用親和圖(KJ)法進(jìn)行歸類(lèi)處理，最終選取3種生物作為仿生參考原型，見(jiàn)表1。

表1 仿生參考原型

(2) 在確定一定數(shù)量仿生參考原型后，通過(guò)解構(gòu)分析得到標(biāo)準(zhǔn)的重要程度排序，并利用哈里斯圖表對(duì)選擇的參考原型進(jìn)行評(píng)分等級(jí)的打分，評(píng)分等級(jí)設(shè)定為偶數(shù)四等級(jí)“--，-，+，++”，分別代表“差、中等、良好、優(yōu)”對(duì)應(yīng)分值為“-2，-1，1，2”，當(dāng)存在“+2”或“-2”評(píng)分時(shí)，需在“-1和-2”或“+1和+2”2個(gè)方框內(nèi)涂上顏色。參照所有設(shè)計(jì)要求進(jìn)行打分后，將評(píng)分分別填入對(duì)應(yīng)生物的圖5中，通過(guò)3組參考原型契合度的直觀呈現(xiàn)，擇優(yōu)選取前口雙吻蝠鲼作為產(chǎn)品的仿生生物原型。

3.3 雙吻前口蝠鲼特征認(rèn)知與耦合設(shè)計(jì)

3.3.1 特征認(rèn)知

通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)化分析，得到雙吻前口蝠鲼的特征認(rèn)知排序如圖6所示(所有重要特征已通過(guò)紅色描邊進(jìn)行凸顯)。

與同綱生物對(duì)比得到二級(jí)結(jié)構(gòu)中頭部、軀干、尾巴均屬于雙吻蝠鲼重要特征結(jié)構(gòu)；三級(jí)結(jié)構(gòu)中嘴巴、頭鰭、胸鰭、鰓裂、馬甲狀斑紋、尾根部與軀干間的連接突起屬于重要特征結(jié)構(gòu)；四級(jí)結(jié)構(gòu)中細(xì)長(zhǎng)牙齒屬于重要特征結(jié)構(gòu)；而與同屬阿氏蝠鲼比較得到具有唯一性的顯著結(jié)構(gòu)特征為：嘴巴、馬甲狀斑紋與尾根部連接；再根據(jù)拓?fù)湎噜応P(guān)系原則，軀干、胸鰭與尾根部突起具有不被拓?fù)潢P(guān)系影響的整體最簡(jiǎn)局部特點(diǎn)，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合化一的整體設(shè)計(jì)，以滿足人的視知覺(jué)感知傾向。通過(guò)上述對(duì)特征結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)而得到具體特征強(qiáng)弱排序，見(jiàn)表2。

圖5 哈里斯圖表分析

表2 生物特征強(qiáng)弱排序

3.3.2 耦合設(shè)計(jì)

(1) 通過(guò)對(duì)溢油回收裝置進(jìn)行功能形態(tài)分析并結(jié)合特征強(qiáng)弱次序關(guān)系，得到功能形態(tài)特征與生物結(jié)構(gòu)特征間的耦合匹配關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 功能形態(tài)與生物結(jié)構(gòu)特征間的耦合關(guān)系

(2) 通過(guò)提取特征線進(jìn)行擬合優(yōu)化，對(duì)部分生物結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行滿足功能需求的調(diào)和處理、滿足工業(yè)生產(chǎn)與本質(zhì)凸顯的抽象化處理以及凸顯對(duì)比效果的夸張?zhí)幚?，特征線優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 生物結(jié)構(gòu)特征線提取與擬合優(yōu)化

注：紅線為生物原生結(jié)構(gòu)特征線，藍(lán)線為幾何優(yōu)化后的擬合特征線

(3) 將上述2步設(shè)計(jì)分析得到的結(jié)果與前文視知覺(jué)感知特點(diǎn)(生物特征通常選取4個(gè)較為合適)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到下列4組設(shè)計(jì)方案，如圖7所示。

3.4 海上溢油回收裝置設(shè)計(jì)方案模糊評(píng)價(jià)

根據(jù)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)4種仿生設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)德菲爾法得到評(píng)價(jià)因素={造型美感度1，結(jié)構(gòu)功能耦合度2，生產(chǎn)制造便捷性3，象征語(yǔ)義契合度4}；目標(biāo)權(quán)重={0.3,0.4,0.2, 0.1}；評(píng)語(yǔ)集={優(yōu)1，良2，中3，差4}。制作評(píng)價(jià)量表，邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員、海洋學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)者共10人組成專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，對(duì)4個(gè)仿生方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)。

圖7 仿生設(shè)計(jì)方案

表5 仿生方案模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)表5數(shù)據(jù)構(gòu)建4組設(shè)計(jì)方案的模糊矩陣分別為

由式(2)可得4個(gè)設(shè)計(jì)方案的模糊綜合評(píng)價(jià)向量分別為

1={0.17,0.49,0.32,0.02}

2={0.09,0.28,0.39,0.24}

3={0.15,0.40,0.45,0.00}

4={0.36,0.51,0.11,0.02}

所有矩陣內(nèi)元素相加結(jié)果為1，因此直接通過(guò)最大隸屬度原則，得到設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)排序?yàn)椋悍桨?>方案1>方案3>方案2。通過(guò)方案的優(yōu)次級(jí)排序，選取方案4首先進(jìn)入動(dòng)力學(xué)評(píng)估環(huán)節(jié)。

4 動(dòng)力學(xué)評(píng)估

安全穩(wěn)定行駛是海上使用裝備設(shè)計(jì)需要著重考慮的，而對(duì)裝備穩(wěn)定行駛影響較大的外因莫過(guò)于海浪與魚(yú)群的干擾。為了使溢油回收裝置能夠較好的在近海岸工作，避免其與海浪及驅(qū)魚(yú)裝置的工作頻率太過(guò)接近而引發(fā)共振危險(xiǎn)，因此需要對(duì)仿生裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評(píng)估，以便擇優(yōu)選取最適合方案或?qū)Ψ桨高M(jìn)行更進(jìn)一步的可行性改進(jìn)。

4.1 驅(qū)魚(yú)裝置工作頻率與近岸波浪頻率求取

(1) 根據(jù)已有研究可知，大多數(shù)魚(yú)類(lèi)能夠聽(tīng)到的聲音范圍在50～1 000 Hz之間，少數(shù)能聽(tīng)到高于3 kHz的聲音[16]。因此裝置結(jié)構(gòu)的固有頻率取值應(yīng)在 0～50 Hz或1～3 kHz之間。

(2) 海岸邊的波浪主要是由風(fēng)力形成，由風(fēng)浪、涌浪等組成，具有一定的規(guī)則性。通過(guò)查閱、整理海浪監(jiān)測(cè)類(lèi)文獻(xiàn)可知，我國(guó)幾大海域各地區(qū)間近岸海浪一般平均周期的大致范圍見(jiàn)表6[17-23]，數(shù)據(jù)由式(5)對(duì)其進(jìn)行一般平均頻率的求取，最終得到我國(guó)海域近岸海浪一般平均頻率取值約在0.10～0.67 Hz之間。因此裝置結(jié)構(gòu)的固有頻率取值也應(yīng)盡量大于1 Hz。

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析作為動(dòng)力學(xué)的評(píng)估方法，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法之一，一般應(yīng)用于工程振動(dòng)領(lǐng)域，可求解固有頻率、阻尼比與模態(tài)振型等參數(shù)。

表6 我國(guó)海域海浪監(jiān)測(cè)一般平均周期

解決多自由度體系的動(dòng)力平衡方程式，即

其中，[]為質(zhì)量矩陣；[]為阻尼矩陣；[]為剛度矩陣；{()}為外載荷向量。若[]與[]為常數(shù)，即視為線性動(dòng)力問(wèn)題。

對(duì)于固有頻率，可通過(guò)分析無(wú)荷載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)求取，繼而得到簡(jiǎn)化后無(wú)阻尼系統(tǒng)的平衡方程

因振動(dòng)系振幅不全為0，則

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)模型進(jìn)行殼體的線性瞬態(tài)分析，殼體選取具有較好防腐蝕性質(zhì)的鎳鉻鋼與鈦合金材質(zhì)。通過(guò)自由振動(dòng)求取固有頻率，因前6階為剛體移動(dòng)自由模態(tài)，其頻率為0，故而從第7階振型開(kāi)始依次向后取到第12階共6個(gè)主要振型來(lái)代表裝置的結(jié)構(gòu)屬性。在仿真分析中鎳鉻鋼從第7階振型開(kāi)始其固有頻率為160.98 Hz，隨階數(shù)的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其分析云圖如圖8所示。而鈦合金材質(zhì)其7～12階的固有振動(dòng)頻率分別為：25.823 Hz，26.285 Hz，26.611 Hz，32.362 Hz，32.482 Hz，48.709 Hz (圖9)。

根據(jù)云圖顯示結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的屬性與產(chǎn)品材質(zhì)有關(guān)，當(dāng)方案4使用鈦合金材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，溢油回收裝置的尾端與背部靠中心兩側(cè)位置在工作中最易發(fā)生變形，其主要振型的固有頻率不在近岸海浪的大致頻率和驅(qū)魚(yú)裝置的工作頻率之間，故該方案不易發(fā)生共振危險(xiǎn)，符合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征。

4.3 裝置溢油回收功效評(píng)估

選取影響溢油回收效率的主要因素，將上述分析所得仿生方案與當(dāng)前市面上主流溢油回收裝置進(jìn)行影響因素對(duì)應(yīng)效果的對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表7。

由對(duì)比分析可知，設(shè)計(jì)得到的蝠鲼裝置其所回收溢油無(wú)需二次加工、溢油回收占比速率與機(jī)器速度關(guān)聯(lián)較小(能量驅(qū)動(dòng)浪費(fèi)小)，且環(huán)境因素限制也較小，具備較好地回收效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 溢油回收裝置參照對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

引入仿生學(xué)知識(shí)構(gòu)建仿生設(shè)計(jì)流程，不僅能很好地解決海上溢油回收裝置功能與形態(tài)間存在的單一局限性問(wèn)題，同時(shí)也能較好地迎合大眾的審美意識(shí)。在對(duì)生物原型的確定階段，引入綜攝法與哈里斯圖表法進(jìn)行判斷而非倚靠個(gè)人的主觀猜想，能更好地找到高匹配度的生物原型，繼而通過(guò)簡(jiǎn)化優(yōu)化后得到更加理想化的特征結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素與生物特征結(jié)構(gòu)間相互耦合的關(guān)聯(lián)性。此外，利用模糊集概念理性地對(duì)方案進(jìn)行量化模糊計(jì)算，可更合理地得出方案的優(yōu)先級(jí)排序。最后，為了保證蝠鲼仿生裝置的使用安全，在后期通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，科學(xué)地評(píng)價(jià)方案的可行性與有效性，給海上溢油回收裝置設(shè)計(jì)方案的選擇與改進(jìn)提供了可靠的數(shù)據(jù)與方向。

當(dāng)前該方法的構(gòu)建主要從產(chǎn)品出發(fā)圍繞功能與造型展開(kāi)研究，而對(duì)用戶情感需求的思考略顯不足，這也為接下來(lái)方法模型的深化與完善提供了方向。

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Design and evaluation of offshore oil spill recovery devices based on morphological bionics

ZHANG You-wei, SUN Hu

(School of Fine Arts and Design, Xihua University, Chengdu Sichuan 610039, China)

In order to address the problem of the single function and form of the offshore oil recovery device, a method of bionic design, which was constructed using the bionic design program from bottom to up, was proposed. Firstly, in order to determine the bionic target set, the set of intentional images of the biological features was obtained using the synectics method. Secondly, the Harris chart was employed to screen the target set to determine the bionic prototype. Thirdly, the biological simplification and optimization method was utilized to analyze the structural feature relationship of the bionic prototype, and couple the structural features and the main design elements obtained using the approach of morphology analysis, thereby producing a preliminary design plan of bionic modeling. Fourthly, the concept of fuzzy sets in fuzzy mathematics was used to rank the design plans to determine the priority. Fifthly, the best design plan was selected for modal analysis to verify whether the plan could meet the requirements of structural dynamics, thus establishing a bionic design method that could shed light on the whole system.Based on this method that could guide the design, we could obtain the oil spill recovery device of manta ray bionic style, which could meet the design requirements and was of high coupling degree between function and form. By applying the constructed design model to the bionic design of products, it can provide effective theoretical guidance for the design of the marine application product, and help elevate the overall level of marine technological products.

bionic design; offshore oil spill recovery device; synectics method; fuzzy comprehensive evaluation; dynamic evaluation

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050927

A

2095-302X(2022)05-0927-09

2022-02-25；

2022-05-16

25 February，2022；

16 May，2022

四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地-現(xiàn)代設(shè)計(jì)與文化研究中心項(xiàng)目(MD22E017)

Sichuan Provincial Key Research Base of Philosophy and Social Sciences-Modern Design and Culture Research Center (MD22E017)

張有為(1997-)，男，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、仿生設(shè)計(jì)。E-mail：1403179831@qq.com

ZHANG You-wei (1977-), maser student. His main research interests cover industrial design, bionic design. E-mail：1403179831@qq.com

孫 虎(1982-)，男，教授，碩士。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)、信息交互設(shè)計(jì)等。E-mail：14344380@qq.com

SUN Hu (1982-), professor, master. His main research interests cover product innovation design, equipment design, information inte-raction design, etc. E-mail：14344380@qq.com