農機產品設計中藝術外觀表達效果研究

陳雨瀟

(鄭州商學院,鄭州 451200)

0 引言

隨著工業設計的飛速發展,人們的要求不斷提高,對于農機而言,人們不再局限于作業能力、空間和舒適度的要求,農機的外觀造型成為新階段人們渴望程度的一個新標準。因此,將藝術外觀美學設計應用在農機設計生產上,能夠極大地滿足使用者的生理和心理需求以及對于視覺審美的需求。本文將藝術外觀設計和農機設計相結合,基于SolidWorks軟件設計了一款農業拖拉機,大大改善了農機產品的造型和外觀效果。

1 藝術外觀設計的作用

藝術是一種精神層面上的設計,核心價值是欣賞,主要是注重思想和情感的表達;而設計則注重外觀和產品的實用性,其最終結果是產品,最后是為市場服務的。由此可以看出,產品的設計和藝術創作都為創造性活動,但也存在共同和差異的地方,二者在產品生產過程中影響因素也差別較大。將藝術和科技創新結合在一起,是產品生產和設計的發展趨勢,產品外觀設計便可以利用這種協調作用,實現功能與藝術的結合,以及藝術性和實用性的統一。

外觀設計是一種藝術創作,主要是為了將精致和典雅的藝術實現大眾化,將比較難懂的藝術內涵直接表達出來,讓沒有藝術基礎的消費群體能夠理解和喜愛,這是眾多外觀設計工程師追求達到的藝術境界。在設計過程中引入藝術元素,便能實現產品的功能性與藝術性的結合與統一。采用流水線藝術外觀設計的農業拖拉機如圖1所示。

圖1 采用流水線藝術外觀設計的農業拖拉機Fig.1 The agricultural tractor with assembly line artistic appearance design

該拖拉機設計整體上采用遛背式的造型,黑白相接的輪轂有種縱橫交錯的感覺,貫穿發動機引擎蓋的漸變式腰線設計使拖拉機整體具有了很好的運動感,給人以敦實、穩健感覺的同時,也帶來了整體的協調美觀。

2 基于SolidWorks的農機產品設計

2.1 農機產品虛擬樣機設計流程

農機產品傳統的設計流程是確定產品定位和參數->方案->草圖->3D模型->仿真->樣機,這樣整體的設計周期太長。采用SolidWorks軟件直接對三維模型進行設計和仿真,可以達到更快和更好的推廣效果,且設計的圖片更加接近實物。農用拖拉機虛擬樣機設計流程如圖2所示。

圖2 農用拖拉機虛擬樣機設計流程圖Fig.2 The flow chart of agricultural tractor virtual prototype design

2.2 Bezier曲線設計方法

零部件曲面造型設計從Coons、Bezier、B樣條的數學描述方法,再到NURBS技術,實現了曲線曲面幾何造型設計方式的統一。在此,采用Bezier曲線設計農用拖拉機發動機引擎蓋。

Bezier曲線方法由法國雷諾公司員工P.E.Bezier在1962年提出,是采用逼近基礎的參數曲線設計零部件。Bezier曲線方法可以采用較少的控制點實現對零部件的操作和設計,對外觀設計來說非常方便。n次Bezier曲線采用在各個坐標上進行插點的方式,插點表達式為

(1)

其中,n為曲線的次數;t為參數值;Pi為特征多邊形各頂點的位置矢量值;Bi,n(t)為曲線上各點位置矢量的調和函數。

(2)

以三次Bezier曲線作為分析的實例(見圖3),此時n=3,根據表達式(1)和式(2),可得

C(t)=(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3

(3)

圖3 三次Bezier曲線Fig.3 Cubic Bezier curve

對應的矩陣表達式為

=TMzP

(4)

其中,Mz為三次Bezier曲線的矩陣向量。

結合Bezier曲線表達式的性質,可以推算出其曲面表達式為

(5)

(6)

(7)

其中,Bi,m(u),Bj,n(v)為基函數;u和v為參數值;m為曲面在u方向的次數;n為曲面在v方向的次數。

在實際設計過程中,一般將m和n的值設定為4以下。雙三次Bezier曲面如圖4所示。

2.3 基于三維曲面的零部件藝術外觀設計方法

以農用拖拉機發動機引擎蓋為例,采用雙三次Bezier曲面對其進行設計。構成農用拖拉機發動機引擎蓋外形曲線的控制型線包括控制和輔助兩種線條,用于實現對縱向、橫向方向的剖面輪廓線的設計,所有的型線最終可以分為平面型線和空間型線兩類。

由于農用拖拉機發動機引擎蓋沿著縱向剖面對稱,因此只需設計縱向對稱面一側的型線即可。利用SolidWorks創建基本控制型線后,采用尺寸和圖像約束條件,進行合適的剖切生成許多條縱向和水平剖面型線;然后,互相交織在一起形成發動機引擎蓋的三維線框模型;最后,觀察生成的線框模型,檢查其曲率的連續性,對不符合需求的線條進行修改,以滿足高質量外形曲面的要求。農用拖拉機發動機引擎蓋設計流程如圖5所示。

圖4 雙三次Bezier曲面圖Fig.4 Bicubic Bezier surface graph

圖5 農用拖拉機發動機引擎蓋設計流程圖Fig.5 The flow chart of agricultural tractor engine hood design

以農用拖拉機發動機引擎蓋為例,分析其曲面建模步驟,具體流程如下:

1)打開Solid Works軟件,選擇“零件”module,開始搭建建模環境,選擇“前視基準面”繪制發動機引擎蓋草圖;接著,使用“特征”工具中的“倒角”,選擇為發動機引擎蓋上頂面設置倒角,并分別輸入20mm 和 15mm,完成引擎蓋基本體塊的創建,如圖6所示。

圖6 引擎蓋基本體塊Fig.6 Bonnet primitive block

2)選取引擎蓋基本體塊為草圖平面,繪制引擎蓋凸臺軸心線草圖及圓形草圖,利用“特征”工具的“分割線”,選擇繪制的分割線草圖投影至引擎蓋凸起的保護地方,完成引擎蓋凸臺的創建。

3)選擇“插入”的“刪除面”命令,將手動分割出的引擎蓋下面安放發動機、電池和水箱的地方刪除。選取“曲面實體”中的“曲面填充”,再利用主體邊線作為修補的界限;利用“曲面實體”的“曲面縫合”工具,將填充的曲面和主體銜接起來,然后刪除凸起的部分,選取“特征”工具的“抽殼”命令,設定“抽殼”厚度為3.28mm,完成引擎蓋的抽殼,如圖7所示。

圖7 農用拖拉機發動機引擎蓋三維圖Fig.7 The three dimensional drawing of agricultural tractor engine hood

3 虛擬裝配設計試驗

按照前文介紹,根據發動機引擎蓋的方法,完成農用拖拉機所有零部件的設計后,便可以建立虛擬樣機對各零部件進行虛擬裝配。SolidWorks軟件虛擬裝配包括自底向上和自頂向下兩種方法。本文設計的農用拖拉機采用前者,通過機器零部件來控制整個裝配過程。由于農用拖拉機結構復雜、零部件多,采用該方法可有效控制農用拖拉機零部件的關系,同時方便根據設計需要對裝配零部件進行修改,提高設計效率。

在農用拖拉機裝配設計中,可以采用SolidWorks軟件的裝配手段,利用鉸接點轉動副配合約束使用“同心”、移動副約束使用“重合”和“相切”的方法。為了提高協調裝配的效率,本文還利用了子裝配體處理方法,即先將部分零部件裝配成子裝配體,再在總體裝配時完成農用拖拉機整機的裝配。裝配完成后的農用拖拉機虛擬樣機如圖8所示。

圖8中,將藝術外觀表達效果應用在農機設計中,使得農機運動感十足,大大改善了農機產品的造型和外觀效果,在保持功能正常的同時大大提高了欣賞性。

圖8 農用拖拉機虛擬樣機裝配圖Fig.8 The assembly drawing of virtual prototype of agricultural tractor

4 結論

首先,介紹了藝術外觀設計的作用,并將其運用在農機設計中,實現了產品的功能性與藝術性的結合與統一;然后,基于SolidWorks軟件采用Bezier曲線對農機零部件藝術外觀進行設計;最后,進行了虛擬裝配試驗。結果表明:將藝術外觀表達效果應用在農用拖拉機設計中,提升了農機的運動感,給人以敦實、穩健感覺的同時,大大改善了農機產品的造型和外觀效果,讓農機保持功能正常的同時大幅提升了欣賞性。