水上運動產品安全性設計研究
——以水上電動滑板為例

鄭剛強 陳則瀾

水上運動產品安全性設計是保障水上運動項目安全的基礎與前提，而在水上運動項目擴大發展的過程中，水上運動產品缺乏相應的安全性設計方法。本文以國內外水上運動產品為研究對象，從工業設計的視角出發，探索水上運動產品安全性設計的有效方法，以此提升水上運動產品的安全程度并降低事故發生率。運用案例研究法對水上運動事故發生的原因進行歸納并分析，了解水上運動產品安全性設計的方向，運用FLUENT 工具對水上運動產品進行穩定性設計，運用安全存在、完全保護、優先損壞、安全警示四種原則設計合理的安全結構。本文以水上電動滑板為例，應用仿真計算程序以及安全結構設計程序，對產品進行改良設計。為水上運動產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具有一定的價值。

水上運動產品；仿真計算；安全結構；水上電動滑板

2016 年，國家體育總局印發《水上運動產品發展規劃》，明確提出加快推動水上運動產業發展的新要求[1]。“十三五”期間國家水上運動產業大力發展，水域擴大開放、水上運動設施建設加速、水上運動產品供給加強。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、漂流船等設施設備的安全性成為項目安全的決定性因素之一。研究水上運動產品的安全性設計對降低事故發生率具有一定的現實價值[3]。

1.水上運動產品的安全性現狀

（1）產品自身穩定性不足

水上運動產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、穩性、抗搖擺性、抗沉性、回轉性等多種性能[4]。但在水上運動產品市場化過程中，企業為迅速占領市場、追求短期效益，導致產品自身性能不足[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致船體側翻，這也是皮劃艇事故頻發的重要原因。

（2）產品危險應急性缺失

部分水上運動產品缺少危險應急能力。例如網紅項目“飛魚”，如圖1所示，摩托艇通過繩子牽引游客所在的橡皮艇，達到一定的速度后橡皮艇頭部會迎風翹起甚至騰空。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生危險，若救生衣失效則極易造成溺水。有些水上運動產品甚至在使用者發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，最終發生了溺水事故。

圖1 網紅項目“飛魚” Fig.1 Internet celebrity project ＂Flying Fish＂

2.安全性設計

據中國探險協會《2020 年度中國戶外探險類事故報告》統計[7]，（見表1）。事故發生的可控因素與不可控因素數量相近。在水上運動產品設計中，可以從2 個方面進行考慮：一是優化產品自身穩定性，降低使用者因操縱不當而造成的風險，從而增加安全系數；二是提高產品危險應急能力，將不可控因素轉化為可控因素，降低事故發生率[8][9]。

表1 事故原因分類表

2.1 基于FLUENT 的水上運動產品穩定性設計

傳統水上運動產品的運動穩定性設計是以自然湍流環境下測算為基礎，通過對實體的反復打磨修改以及實驗來確定最終方案，數據精確度低、設計周期長、對經驗的依賴性高。FLUENT 是用于模擬流體表面水流運動的計算機程序[10]，在水上運動產品外形設計、開發過程中，采用FLUENT 作為產品運動穩定性研究工具，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，需要搭建模型并進行網格轉換，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，并進行計算，然后在后置處理工具中進行圖形化顯示[11]。計算結果為產品運動穩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 板塊進行3D 模型搭建，優點是可直接進行CFD 前處理，生成網格并進行網格質量檢查；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）中轉化為網格。對生成的網格面進行質量檢測及優化后，輸入至FLUENT 求解器中確定邊界條件、流體材料、流體速度、產品材料、運算步數等，并進行計算，最后得到計算結果。

（2）數據可視化及結果評價

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

2.2 安全保護結構設計

設計合理的安全保護結構是產品安全性的重要因素[14]。考慮水上運動意外對人造成的危害更大更嚴重，在設計保護結構時應以保護人的安全為主要任務。從產品硬件損壞、控制失靈、使用者操作失誤、環境突變等多個方面分析可能發生的意外。預測意外情況對人或產品造成的危害，力求對人及產品進行最佳保護。根據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品設計應充分運用安全存在原則，在材料的剛度、強度、密度、防水性、穩定性方面采用定量計算，在規定載荷內產品應處于安全的狀態。尤其是涉及使用者人體數據時，在人體尺寸百分位選擇上可選用P1 和P99 作為下、上限值。如設計漂流船在考慮承重與浮力的關系時，應采用GBl0000 中國成年人人體尺寸，運用超過99%人體體重的數據進行計算，得出限載人數。

（2）完全保護原則

對于緊急情況，可采用完全保護原則，設計雙重甚至多重保護措施[15]。要確保有足夠的備用防護措施避免事故的發生。如進行帆船運動項目時使用者不慎落水，應設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計其他保護結構。

（3）有限損壞原則

當產生重大操作失誤，產品會對使用者產生危害時，采用有限損壞原則，通過破壞產品一定的結構來保護使用者，用最小的損失達到最大的保護。如潛水活動中，一些推進器為追求最大的進水量而裸露馬達和螺旋槳，使用者大意時容易導致身體受傷。針對這一情況可采用有限損壞原則，感應到異物進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，即在危險發生以前，通過警示音、指示燈進行提示或警告，便于操作者更正操作或停止使用并進行故障排查。如摩托艇在轉向時，駕駛員若轉彎角度過大則容易出現“推頭”現象，極易導致方向失控。針對這一情況可采用安全警示性原則，通過設置警示環節警示駕駛員減速駕駛，以保證人員安全。

在水上產品設計過程中，需合理運用以上原則，可根據產生后果的危害大小、實現的難易程度、成本高低等[16]，如表2 所示，按照安全存在、完全保護、優先損壞、安全警示順序進行考慮，追求最大程度保護用戶的安全。

表2 針對不同狀態運用不同的安全保護原則

3.水上運動產品的安全性設計實例

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。通過螺旋槳轉動推動滑板在水面前進，當速度達到一定水平時，滑板脫離水面，不需要觸碰水面就可滑行，滑行狀態如圖4 所示。水上電動滑板最高速度可達到40KM/h，故在設計過程中需充分考慮安全性。下面以水上電動滑板為例，對其安全性進行設計。

圖3 一種水上電動滑板

圖4 水上電動滑板運動狀態

3.1 滑板水翼表面流體力學設計

在水上電動滑板的設計過程中采用FLUENT 工具，參考工作流程進行研究，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，故產品在運動過程中是否平穩主要由水翼的造型決定，此處對水翼進行分析，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 格式并導入ANSYS Workbench 平臺運用ICEM CFD 進行網格劃分。ICEM CFD 作為FLUENT 和CFX 標配的網格劃分軟件，具有完備的模型修復工具，能更好地對Rhino 中因Nurbs 薄面拼接而導致的穿面、破面等問題進行修復[17]。這里采用三角形網格對水翼表面進行劃分，然后觀察表面網格質量并升階[18]。圖6 為計算網格示意圖。

圖6 水翼表面及縱對稱軸面上的計算網格圖

網格建立之后確定水流域、水流出入口等邊界條件，條件確認后，導入網格文件至FLUENT 進行計算。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，采用標準壁面函數。1050kg/m3密度的水流，即每一立方凈水中含有50kg 雜質，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。

（4）將計算結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定的升力。

3.2 安全保護結構設計

水上電動滑板主要會出現的意外情況包括：因使用者操作不當導致側翻、掉落水中；馬達葉片卷入水中垃圾、水草等雜物；內部零件發生故障，如電流過載導致的ESC（電子穩定控制系統）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、完全保護原則、有限損壞原則、安全警示原則為基礎，針對水上電動滑板進行安全保護結構設計[21]。

首先，正常情況下水上電動滑板的安全性應以安全存在原則為基礎。國家標準人體尺寸數據中體重中P99 為83KG，根據FLUENT 數據分析，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，從數據可知速度與升力接近線性關系，計算可得99%以上的人群在速度達到27KM/h 時能實現穩定水上沖浪。表4 為不同速度下水翼對滑板提供的升力表。滑板應盡量采用強度高，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致事故的發生。

表4 不同速度下水翼對滑板提供的升力表

其次，在遙控器設計中運用完全保護原則。遙控器是水上運動滑板與使用者之間進行交流的主要媒介，人通過遙控器按鈕或旋鈕對產品進行操縱，產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品的安全性有很大的影響。遙控器設計一安全保護裝置（部件1）。按下此部件，水上電動滑板實現通路，松開立馬停止運動，這樣能實現緊急情況下的斷電制動。采用旋轉式速度調節器（部件2），相對于按鈕式速度調節器具有步驟少、阻力小的優點，在緊急情況下能對迅速對速度進行調節。采用兩廂電池并聯連入電路，當一塊電池電量耗盡或失效時，另一塊電池繼續供電。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裝置（部件1），手指卷入馬達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，設計一阻力感知程序，當檢測到異物進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，應合理運用在產品中。如電池電量即將耗盡時應通過警示音、遙控界面的警示圖案進行提醒。在深水區域制動、遭遇危險時能通過發送危險求救信號向岸邊人員進行求救。在內部線路故障時，提示動力系統、電子穩定控制系統、電池或無線傳輸出現問題，以便使用者停止使用，并及時排除故障。

4.結語

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

兩種策略是設計創新、科技工程、人機工學多領域融合的產物，協同運用提升水上運動產品的安全性[24]。以水上運動滑板為例，進行流體穩定性分析與安全保護結構設計，驗證策略的可行性。其縱深研究，對推動設計、產業、企業融合創新發展具有重要價值，對促進社會經濟文化科技融合創新發展具有重要意義。