基于逆向設計方法的潛水器設計研究

梁耀海 王壽雄 沙很得克·斯瑪胡勒 劉昊

摘 要：逆向設計方法為造型方案的修整、改良等提供了相對捷徑，但相比較常用的造型設計方法，逆向設計的優勢絕不僅限于縮短造型研發周期，逆向設計方法的使用也能最大程度的保證造型設計的可行性，減少一些驗證過程，從而降低一些研發成本。文章以“彩虹魚”號潛水器為產品原型，展開對小型潛水器造型與功能的再設計與拓展。

關鍵詞：逆向設計；造型設計；彩虹魚號；潛水器

中圖分類號：TJ05 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0128-02

Abstract： The reverse design method provides a relative shortcut for the modification and improvement of the modeling scheme， but compared with the usual modeling design method， the advantages of reverse design are not limited to shortening the modeling research and development cycle. The use of reverse design method can also ensure the feasibility of modeling design to the greatest extent， reduce some verification process， thereby reducing some research and development costs. Based on the prototype of "Rainbow Fish" submersible， this paper redesigns and expands the shape and function of small submersibles.

Keywords： reverse design； modeling design； Rainbow Fish； submersible

潛水器造型的設計研發不同于一般產品，其造型的可行性有待于水下復雜環境的檢驗，而多從美學方面出發的工業設計造型方法就潛水器造型設計的可行性來說多有欠缺，導致方案難以實現；逆向設計方法是以現有產品為原型，對造型數據進行采集與調整，這一過程能較大程度的保持現有產品的造型特點，就以“彩虹魚”號潛水器來說，逆向設計產生的方案能夠充分保持其艇身在水下的力學特征，以保證新開發的潛水器方案有較高的可行性。

1 潛水器設計與逆向設計方法

1.1 產品設計

產品設計是工業設計的一個分支，涉及范圍與領域不斷發展泛化，但其研究內容的核心仍為造型，為適合批量生產的技術與工藝要求，造型范疇內的形式美與造型方法兩者相互牽制、共同發展，也就是最初至此仍不可回避的兩大問題，即工業設計中的藝術與技術[1]。數百年的產品設計發展在有意與無意中將技術與藝術二者關系進行權衡，孰輕孰重的結論在不同的主流趨勢、風格流派中搖擺不一。歸其緣由是包羅萬象的產品范圍中，拋開具體的產品去討論設計方法與形式美的二者關系，其意義不大。在設計中應該避免思想極端，而應根據具體產品的屬性與設計立意進行設計方法與實現方案的構思。

1.2 逆向設計方法

逆向設計作為一種新的造型方法，不僅是造型方案的又一選項，更重要的是作為造型方案的補充，逆向設計方案本身具有一定的優勢，這決定了其在某個領域的造型設計空間具有更好的適應性。逆向設計方法與較為常用的產品造型設計方法之間區別也絕非是縮短研發周期的表征[2]。

逆向設計造型方法在船身應用的實例多于一般產品，這似乎足以說明逆向設計與水域交通工具在設計方法與產品種類的對應關系是經過驗證的。

2 “彩虹魚”與小型潛水器設計

2.1 “彩虹魚”

“彩虹魚”是世界范圍潛水領域中較為突出的設計作品，最大潛水深度達到7000米，集結尖端科學技術于一身，在造型的流體力學與耐高壓結構研究方面達到頂級水平，作為造型與結構研究的極限與標桿，其對一般潛水器造型與功能設計研究具有的多方面參考價值不言而喻。

2.2 小型潛水器的應用與發展趨勢

2.2.1 海底資源的開發需要小型潛水器

海洋中豐富的資源，是人類尋求解決陸地資源匱乏、人口膨脹等問題的希望所在[3]。目前，世界各國對海洋資源的開發力度明顯增強，同時，隨著通信技術、人工智能技術的發展，發展小型作業潛水器有了一定的技術支撐，小型潛水器在海底資源的勘探與開發中舉足輕重[4]。

2.2.2 海底旅游業需要小型潛水器

在面對人口膨脹等問題的今天，旅游產業也面臨著巨大的難題。在廣闊的海洋中，擁有更多吸引人的美景。在目前，全世界擁有海底觀光器的只有兩家，一個是水晶郵輪，另一個是云頂夢號，可以說，水下旅游業還未開始開發，蘊含著巨大的發展前景，水下觀光艇也具備廣闊的發展空間。

2.3 小型潛水器的設計研發

雖然水下資源開發與水下旅游業發展空間廣闊，但目前，小型潛水器研發、特別是觀光潛水器設計還面臨許多的技術難題，其中之一就是解決艇身設計符合流體力學的問題。確立“彩虹魚”號潛水艇艇身造型為原型，以逆向造型為設計手段是小型潛水器研發設計行之有效的方法。

3 小型潛水器設計方案探討

3.1 小型潛水器的設計方案意向

按照逆向設計的程序，通過3D掃描設備獲取“彩虹魚”號曲面數據，結合現有水下小型潛水器的需求趨勢，對潛水器進行創新設計。

首先，是通過3D掃描獲取原始模型的數據，其次在設計使用情景的設定中，以能見度在0到100米為設計背景，進行方案的創新設計并進行方案分析；最后，就這一過程中所用的關鍵技術及設計方法進行總結。

3.2 “彩虹魚”號潛水器數據處理的方法總結

數據掃描：“彩虹魚”號潛水器的模型很小，為達到掃描曲面特征的完整性，有兩種方法：一是用3D掃描儀對模型進行多次的掃描計算，再做拼合修整；二是將“彩虹魚”按照恰當的比例進行擴大，制作油泥模型進行貼點掃描；由于油泥制作的周期較長，最終選擇第一種方法，這需要后期對掃描數據的大量調整。

數據處理：通過3D掃描儀對“彩虹魚”號曲面掃描，得到點云數據，然后，通過Geomagic Design X 、Geomagic Control 2015以及Rhinoceros 5后期處理軟件對點云數據進行修復和模型重建，得到彩虹魚號完整模型。

數據輸出：將得到的“彩虹魚”號潛水器數據按照方案設想進行小幅度的造型調整，最終通過3D打印輸出。

3.3 小型潛水器設計方案

針對潛海100米以內的觀光用途進行方案的設計，在掃描得“彩虹魚”號潛水器數據進行小幅調整，得到以下三個方案：

設計方案一：最大保留原有曲面造型，考慮水下觀光時實際情況，設計艇身兩側厚壁采用透明材質；考慮夜晚或水下光照不良的因素，設置燈光及燈帶照明；

設計方案二：最大程度的保留原有潛艇數據，使其能夠適應水下的壓力環境，又針對其作業場所做出艇身的配色以及造型設計。空曠的視野范圍，更有利于其觀光的娛樂性。

設計方案三：此方案保留模型的原型，本文要考慮水下旅游觀光，潛艇的外部造型和內部空間加大了，同時考慮船舶的規格書和美觀的結合，潛艇的窗戶設計成八角形，承受水的壓強。

4 結束語

逆向設計方法的正確使用能夠減少潛水器研發過程中對造型方案的試驗驗證，但逆向設計方法在小型潛水器設計中的應用尚存很多問題，對于逆向數據的改動與取舍除去設計方案功能實現的約束之外，還應當有一定的標準，以控制造型與樣本之間的相似度，保證造型性能的延續。

參考文獻：

[1]蔣曉，張振東.工業設計與產品設計的比較[J].CAD/CAM與制造業信息化，2014（10）：26-29.

[2]何潤琴.反求工程在現代設計中的應用[J].黑龍江紡織，2007（01）：36-38+45.

[3]丁逸.資源開發向大洋進軍[N].中國礦業報，2000-09-05（001）.

[4]李志偉，馬嶺，崔維成.小型載人潛水器的發展現狀和展望[J].中國造船，2012，53（03）：244-254.