工業設計理念在智能胎架外觀設計中的應用研究

呂兵學 梁譽

關鍵詞：工業設計理念 外觀設計 智能胎架 船舶裝備 工程機械產品

引言

近些年來，海洋工程裝備舉國矚目，中國的船舶制造行業在世界上扮演著重要角色，船舶海工裝備更是已經成為我國需要鼎力鞭策、沖破成長的十大領域的重中之重。隨著國家“制造強國”戰略決策的提出，越來越多的船舶制造企業不僅注重功能技術水平，還開始重視企業產品形象的構建，由于受某些陳舊觀念的影響以及企業缺乏工程機械產品外觀設計理念，導致大多工程機械產品設計粗糙，同質化現象嚴重。因此，本文引入工業設計理念對智能胎架外觀進行創新設計，充分考慮色彩、造型、結構、材質等設計要素，以求提升智能胎架美觀性，深化企業品牌形象，增強市場競爭力。

一、工業設計理念概述

工業設計是一種系統性的融合技術、藝術、人文、經濟等因素為一體的設計活動，致力于創造一個“人-自然-社會”相協調的良好系統，以此提高人們的生活質量[1]。工業設計理念，是指以美學、工學、色彩學等為基礎，通過一系列學科知識的綜合應用，在多種領域內對工業產品進行功能化和美化，使工業產品既能實現功能性的技術需求，又能滿足用戶的審美需求，從而建立一種產品延續性和內在的精神體現。

隨著互聯網和信息技術的蓬勃發展，人機交互設計、服務系統設計、用戶體驗設計等不斷涌現，豐富了現代工業設計理念的內涵，為實現產品的創新設計提供了更多的可能性[2]。工業設計理念應用于工程機械產品設計開發過程中，主要是通過結構、材料、造型、色彩以及人機界面等方面的有機結合，深層次地對工程機械產品產生影響，策略性地解決技術、產品、消費者與使用環境之間緊密的關系，提高產品的附加價值，實現產品的設計品質升級，最終帶動行業的創新發展[3]。

工業設計理念在工程機械產品設計領域的應用研究也受到了一些學者的關注。如楊松、馬克林[4]在《工業設計理念在大型成套裝備設計中的應用探究》中，通過歸納大型成套裝備的特點，闡述工業設計理念在設計過程中的結合，總結出工業設計理念在大型成套裝備生產線中的應用策略；何玢潔[5]《基于工程機械產品外觀設計中的比例與尺度》中，研究通過實例分析了工程機械產品外觀設計的相關因素，從比例與尺度的應用上，進行工程機械產品的外觀設計研究；張冶等[6]在《工程機械產品中的工業設計思想》中，通過分析國內外工程機械市場現狀，從人機、造型、材料、涂裝和產品家族化五個方面展開研究，提升了工程機械產品的品牌形象。研究發現，目前尚無學者在工業設計理念下進行智能胎架外觀設計實踐，將工業設計理念引入智能胎架的外觀創新設計中，不僅能使智能胎架外觀更加協調、穩重，還能提高智能胎架的產品形象。

二、智能胎架設計基礎

（一）智能胎架的研究現狀

智能胎架作為一種重要的建造設備，能夠保障船體分段造建及裝配過程中操作環境及工況條件處于良好的狀態。胎架的研究起于國外，20世紀50年代，日本學者最早開始對智能胎架進行積極探索，研制出了一種新型鋼捆設備[7]；20世紀90年代左右，為使柔性胎架達到控制成型精度的目的，美國麻省理工學院開創了全新的柔性胎架實現自動化的研究方法，通過多點拉彎成型設備，解決了簡單曲面無法拉彎的問題；20世紀末，韓國科學研究院開始進行柔性胎架的研究，發明出多點彈性成型設備。又通過研究成本較低、較為清潔的一種彎板工藝，設計出數控支柱組彎板成型控制設備，使鋼板發生物理形變，并測量其形變量的誤差[8]。

國內對于智能胎架領域的研究起步相對較晚。為了加快我國對于智能胎架方面的研究水平，開始在日本、美國等國家的研究基礎上，投入大量人力物力進行拓展，對多功能數字化分段外板加工平臺展開研究。江蘇科技大學提出一種智能胎架的新概念，主要是指在胎架上添加絲杠裝置，通過絲杠的的升降運動，不斷調節其橫向距離來確定位置，絲杠頂部配有磁性支撐頭，以此支撐和固定分段船板，以適應滿足不同船體型線的變化需求，也巧妙地解決了之前靠模板支撐造成的不方便、效率差等問題。但是，目前市場上大部分的智能胎架并未從外觀設計的角度進行創新研究，因而在此基礎上，將工業設計理念應用到智能胎架的外觀設計研究中，可以更好地服務于船舶胎架的升級改造。

（二）智能胎架的組成部分及工作原理介紹

隨著技術的不斷發展，國內外船舶企業開始進行面向船舶分段建造的智能胎架的研究。這種胎架不僅可以滿足輔助船舶生產、建造的功能，還能適應于不同生產工況，不同工作環境、不同船型體線。胎架的總體組成部分主要分為控制箱、上立柱和下立柱三個部分（為使絲杠不被污染，往往在其周圍外加防塵罩），其行走機構一般由鋼結構支撐軌道、鋼結構定位以及電纜通道組成，如圖1。根據計算機軟件的結果，得出胎架的具體位置。在搬運小車接收到軟件發出的指令后開始運動，當搬運小車移動到胎架下方時，胎架下落至小車上，跟隨小車一起行駛。到達指定位置后，搬運小車返回繼續運送下一個胎架，重復操作直至將所需胎架全部運送至指定位置。然后胎架接通電源開始作上升運動，當胎架上升至指定高度時，便停止運動。此時，壓力傳感器會檢測壓力是否在安全區間之內，通過不斷微調操作，直至壓力處于安全區間內便停止工作，如圖2。

三、工業設計理念在智能胎架外觀設計中的應用價值

（一）提升智能胎架的產品品質：外觀視覺作為最直接和重要的信息感知通道，對產品品質的提升起到了重要的作用[4]。智能胎架的工作主要是根據操作者的指令進行運動和輔助船體建造，因此，智能胎架需要具備堅實的底盤、防滑支撐頭和移動小車，以確保智能胎架在船體建造過程中的靈活性、穩定性及支撐性。現有智能胎架其外觀造型過于生硬、沉悶，沒有很好地體現出胎架的基本功能和結構特性。通過將工業設計理念應用到智能胎架的外觀設計中，結合時代風格特征，加入當今流行元素，不僅可以增加智能胎架的外觀美感，還能夠更加直觀地表達智能胎架的運行方式，突出智能胎架各零部件所具備的產品性能，提升智能胎架的產品品質。比如，設計絲杠防護殼以及螺栓防護罩、改進設備防塵防腐功能、增加便于使用者操作和辨認的控制操作板等。

（二）滿足智能胎架操作者的審美需求：現有智能胎架外觀設計的過程中，很少考慮操作者的審美需求，無法給操作者帶來良好的審美體驗。智能胎架的主要操作者往往為船廠一線員工，一線員工的特征主要表現如圖3。曾有研究表明：單一枯燥重復性的工作，往往更容易出現人為差錯以及對工作效率產生負面影響。在智能胎架的外觀設計中運用工業設計理念，不斷更新色彩和式樣，同時考慮船舶建造生產環境，設計出具有現代工業時代特征的胎架，滿足操作者的審美需求。對于操作者來說，還能給予其更好的用戶體驗和視覺感觀，增加生理和心理的平衡感覺，使其保持良好的精力、體力狀態和舒適愉悅的心情，實現身心感受與周圍工作環境的協調與統一，從而減少因工作倦怠、情感耗竭等因素產生人為差錯，提高工作積極性和工作生產效率。

（三）完善智能胎架外觀設計的流程：工業設計理念在現有智能胎架外觀設計中的融入，可以使智能胎架外觀設計的流程更加系統化，增加企業對外觀設計的全面認知，幫助胎架制造企業樹立正確的工業設計思想，有效規避設計工作中的部分問題。在智能胎架外觀設計時，應按照外觀設計的步驟流程，不斷完善設計調查工作，如圖4。首先，要做好市場調查，在了解消費者、使用者的需求信息后，開始草圖的繪制，并通過三維軟件構建設計方案的立體模型，經過篩選后，借助油泥等材料進行智能胎架外觀設計的模型制作[9]。在符合工業設計理念的前提下，必須嚴格按照上述步驟執行，只有這樣才能使智能胎架的外觀質量達到設計要求，增強企業的設計水平，提高企業的市場競爭力和經濟效益，助力企業占領智能胎架產品的市場。

四、工業設計理念在智能胎架外觀設計中的應用策略

通過對智能胎架設計基礎的了解和工業設計理念的應用價值分析，筆者主要從以下四方面展開進行工業設計理念在智能胎架外觀設計中的應用策略研究。

（一）注重色彩的搭配：色彩是人們對于陌生產品通過視覺、觸覺感官所產生的一種初印象，工程機械產品的色彩應充分考慮機械設備的功能、操作者的感官體驗及其工作環境。良好的色彩不僅會為產品外觀增添亮點，提升其產品的外在魅力，還可以劃分其復雜的操作系統功能，保護產品的內在品質。智能胎架外觀在色彩運用上不易過多，且傾向于選擇飽和度較低的色彩，能夠彰顯機械工程類產品的穩重。在設備的危險區域、操作控制等關鍵部位，應采用國家通用標準規定的色彩，達到警醒、提示的目的。為了避免色彩的過度沉悶，在其基本功能得到滿足的前提下，可以通過小范圍的明度較高的色彩的點綴，使整體的顏色變得豐富，增添顏色的對比性與互補性，充分體現出智能胎架的活力與感染力，也能夠增強操作者對智能胎架的親切感，帶來愉悅的感官感受與精神體驗，減輕長期作業帶來心理上的壓抑感，以免降低其自身的視覺敏銳度和分辨能力[10]。

（二）強調造型的協調：工業設計理念中的造型是指綜合科技、美學、人文、工程及市場等因素，由工業設計師通過藝術化的方式分析、提煉、創新后才獲得的造型[4]。良好的外觀造型，不僅具有美化裝飾的效果，展現企業品牌理念，有效提升工程機械產品的品牌形象和競爭力[4]，還能夠提升操作者的工作心情，減少操作者的工作疲勞和操作失誤。智能胎架的造型特征主要是以直線為主，給人簡潔、明快與規整之感。在設計時，可以參考運用一些基本形式美法則，并且適當使用曲面、圓角、漸消面等較為復雜的造型特征，做到主次分明，輪廓鮮明，使智能胎架的整體造型達到協調與統一。對于胎架外觀的一些分界面，充分選取合理的比例與尺度，如黃金分割率、模數法則及平方根矩形法則等。

（三）考慮結構的合理：產品結構不僅限制著產品外觀造型的隨意想象，也為產品的外觀設計提供了重要的設計思路。產品外觀設計要保證其基本預期功能的實現，而產品的功能大多都通過連接各部分之間的結構來表達。工程機械產品內部的各種零部件大多分為箱體類、軸套類、叉架類和盤蓋類等，而智能胎架則主要以箱體類為主，其控制箱體的造型直接影響著產品主體造型形態。現有智能胎架在結構連接上較為復雜，行走機構的結構過于繁瑣且局限性較大，而且大多結構都裸露在外面，沒有形成良好的邏輯性和視覺美感，也影響著其基本功能的實現。在進行智能胎架外觀設計時，在保證其內部結構不被破壞、減少對胎架壽命及生命周期影響的前提下，應該要考慮到智能胎架內部零件結構的美觀性。例如通過透明材質讓用戶看到胎架箱體內部形態和結構，保護內部零件的性能，實現智能胎架與用戶的交流與溝通。

（四）表現材質的特性：材料作為產品外觀的物質基礎，應符合工程機械產品結構、性能、強度等因素的要求[11]。在某種層面來講，產品就是由多種相同或不同的材料拼接而形成的能實現其預定功能的實體。隨著企業對工業設計的重視，工程機械產品開始廣泛運用各種材料及其加工制造工藝，在整體造型、細節處理、表面加工等方面，都表現出了強烈的美感[4]，如農機裝備、現代數控機床等。根據情況選擇合適的材料及表面處理工藝，避免因用材不當或不適宜的表面加工處理工藝，對產品質量造成很大程度上的影響，從而提高智能胎架的外觀質量及其產品品質。智能胎架材料在支撐強度、耐磨性、硬度等方面有特定的要求，對于箱體、底柱、底座等部件，要選用厚實、硬度高、韌性好的鋼材材料，其他輔助材料可適當選擇塑料和橡膠材質。通過對比表現不同材質的特性，豐富智能胎架的外觀層次。

五、工業設計理念下的智能胎架外觀設計實踐

（一）設計定位

在船體分段焊接過程中，胎架是起到支撐以及輔助建造的作用。在船舶建造智能化、數字化的大環境背景要求下，設計師需要與時俱進，不斷結合時代特征，開發出更加符合船舶建造發展要求的智能胎架。在智能胎架外觀設計階段，將機械工程技術和工業設計理念相融合，依據船舶企業文化和產品設計理念進行智能胎架外觀設計的元素提取，結合現代工程機械產品外觀設計發展趨勢，并分析目標操作群體需求及操作環境等因素，確定以“現代、沉穩、簡潔”作為智能胎架外觀設計主題特征，進行色彩、造型、結構、材質等四方面的設計創新，以使產品具有較強的市場競爭力。其外觀設計流程如圖5。

（二）設計方案

根據上述對智能胎架的分析研究，在“現代、沉穩、簡潔”的特征定位下，將工業設計理念應用到智能胎架的外觀設計實踐中，運用三維建模軟件呈現具體的產品視覺效果，并體現智能胎架外觀設計的理念定位和主題特征，其設計方案如圖6。在考慮智能胎架基本功能實現的基礎上，滿足操作者的審美需求，增強智能胎架的外觀辨識度，使其更加新穎美觀，進一步改善產品、操作者和操作環境三者之間的關系。

（三）方案分析

1.色彩方面：在色彩的選擇上，該設計方案的整體色彩搭配為冷色調，主要以藍色和灰色兩種色彩為主，沉穩不失活潑，使產品更具有律動感，也使操作人員減少煩躁心理，保持冷靜，幫助其清晰區分不同的功能模塊層次。根據功能分區劃分不同的顏色區域，控制箱體、支柱、底座部位使用藍色，表現理性、穩重的產品整體視覺效果；防護殼、絲杠保護罩等部位為灰色，是因為胎架內部結構、電機顏色大多為灰色，與主色調相搭配也不會喧賓奪主，清晰分明，符合工程機械的特點。

2.造型方面：該方案中的智能胎架整體采用曲面和平面結合、上小下大、左右對稱的造型特征，并在細節形態設計上與整體保持統一，具有很好的協調性，在造型信息上傳達一種簡潔靈動，剛勁挺拔的感覺。底座和控制箱體采用幾何形造型，大量使用直線，增強視覺穩定性和力量感；在支柱和底柱部位使用柱體造型，起到連接部件、便于進行升降運動的作用；在細節折角處運用適當自然流暢的圓弧，能夠中和硬朗的外觀形象，給予操作者更加柔和的使用體驗，削弱過度沉重之感。

3.結構方面：智能胎架的結構形式改進空間還很大，現有胎架外露結構過于復雜，元器件眾多，嚴重影響了其美觀效果。該設計方案在智能胎架的底盤部位增加防摩擦墊件，能夠減少因摩擦對胎架產生的磨損；在齒形帶、螺栓等部位增加防護殼進行包覆，可以很好地將其隱蔽起來，不僅可以消除不同器件組合產生的零亂感，還可以避免鐵屑的飛濺以及外部灰塵、雜物的進入造成干擾和破壞，對產品零部件的性能有著良好的保護作用。

4.材質方面：該方案整體表面使用強度高、結構穩定性高及力學性能好的型鋼和板鋼材質，表現材質的現代化特性，以保障胎架的功能要求。為了減輕整身的重量和降低生產制作成本，在無強度和剛性要求的部位采用塑料和橡膠材質。對于起支撐作用的自適應接觸機構頭部位置，選擇具有很好的耐磨性、很高的彈性及防滑性的橡膠材質；考慮到頻繁拆卸的問題，齒形帶防護殼選擇半透明塑料材質，滿足其質量輕便和堅固性能，也方便觀察箱體內部情況，便于使用。

（四）方案驗證

工業設計理念在智能胎架外觀設計中的應用是一個綜合研究的過程，為了對選定的設計方案進行評估驗證，需要對產品進行有限元分析，檢驗其力學性能是否具有可行性，測試其外觀特征能否滿足工程制造、加工工藝以及功能結構的要求[12]，如箱體內部結構、整體企業形象的體現、成本控制以及市場需求等問題。并通過不斷檢驗、調整、完善以及迭代，不斷提高設計方案的可行性。

結語

隨著現代社會的不斷進步，人們的審美水平和審美需求也在逐步加強，過去的那些笨重冰冷的工程機械產品造型已經無法得到人們的青睞。在當前船舶制造行業愈發智能化發展背景下，智能胎架的外觀形式還是停留在以往水平。將工業設計理念引入智能胎架的外觀設計研究中，并進行方案設計，在一定程度上，緩和了傳統智能胎架普遍僵硬的外觀形象，提高了智能胎架的美觀性和綜合競爭力，也為在工業設計理念下工程機械產品的設計開發提供了參考。