運動艇造型參數化設計平臺開發

嚴 順， 金 雁

(武漢理工大學 a. 高性能船舶技術教育部重點實驗室， b. 交通學院, 湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著經濟的發展和居民生活水平的提高，游艇慢慢進入大眾的生活。在國外，特別是發達國家與地區，游艇的需求就如同汽車一樣普遍。如今，國內對于游艇的需求也在迅速提高，然而，國內游艇設計缺乏原創性，提供給客戶的游艇設計方案往往比較大眾化，缺乏個性化設計。有些客戶有著自己對游艇造型的獨特要求，但往往苦于難以準確描述，或與游艇設計師溝通不順暢，并且設計公司缺乏個性化設計服務平臺，進而導致在游艇設計初期客戶參與度不大，有時甚至出現設計完成的游艇造型與客戶預想大相徑庭的窘境。針對上述問題，本文開發了一個將客戶個性化需求轉化為造型設計參數并能快速完成游艇造型三維設計的軟件平臺，實現以客戶為主體，極大限度參與游艇造型設計的目標。運動艇作為游艇的一種，具有價格低、娛樂性強等特點，在游艇需求中占據主要地位，因此本文選擇運動艇作為研究對象。

國內外常用的參數化設計方法有：代數法、基于幾何推理的人工智能法、直接編程法、基于構造過程的方法和基于輔助線的方法。在這些方法中，代數法是應用最廣泛的參數化設計方法，國外學者SUTHERLAND在研究幾何物體表達時，首次采用非線性方程來表征物體的幾何約束。LIGHT在之后的研究中對該方法進行了實用性總結，基于代數法理論提出了數值迭代法，使用數值迭代法可以解決約束集的問題。由于船體曲面的復雜性，構成船體曲面的線型很難直接用某一標準數學模型完整表達，使得船舶參數化設計研究存在很大難度。但隨著對NURBS建模技術研究的深入，利用NURBS已經能夠為自由曲線、曲面提供精確的數學表達式，這一特點使船舶參數化設計技術有了重大提升。SHAMSUDDIN等[1]基于NURBS理論，利用最小控制點原理成功構建光順船體曲面的數學模型。馮佰威等[2]針對船體型線優化問題，在NURBS技術的基礎上提出2種參數化建模方法。區別于船型參數化，造型參數化設計更傾向于水上部分船體及上層建筑的造型設計。遵循一般船舶參數化設計原理，造型參數化設計同樣可以通過尋找特征參數以及特征曲面的方法完成參數化設計。李磊鑫[3]研究了游艇上層建筑的造型設計，從船舶美學以及上層建筑功能這兩方面分析上層建筑的造型特征，并采用Pro/E軟件實現上層建筑造型參數化建模。

1 運動艇造型風格參數

1.1 運動艇造型特征參數

分析大量同類型運動艇外輪廓特征可知：(1)船舶水線以上主船體、上層建筑可抽象為簡單的幾何圖形；(2)為方便參數化建模，船舶水線以上側面船體部分可以簡化成1個平行四邊形，上層建筑側面則可以簡化成1個鈍角三角形，兩者組合起來形成1個運動艇側面水上造型的簡化模型；(3)運動艇造型風格的不同可由變化幾何圖形的組合方式和形心位置來體現，如圖1所示。

圖1 外觀造型變化

將簡化模型的組合方式與其相對位置進行略微調整，簡化模型的視覺感受會產生很大變化。例如，圖1a)進行簡單變化變成圖1b)，將表示水線以上主船體的平行四邊形進行改變，首柱前傾角α變大使得造型的視覺效果變得毫無沖擊感，視覺上缺失速度感，再加上船長L變小，使主船體的造型變得十分臃腫，缺乏美感。上層建筑前端壁傾角β的略微變小使上層建筑造型流線感更強，增強視覺上的速度感。同樣，主船體與上層建筑的相對位置對整體造型也很重要，不考慮尺寸的改變，從圖1a)、圖1b)的對比可以看出：上層建筑的位置相對主船體往船艏方向移動，導致整船重心前移，在運動艇高速行進過程中形成一種穩定感缺失的視覺效果。

通過上述對側面造型效果圖的研究，發現運動艇的整體造型與以下3個方面相關：

(1) 主船體形狀及尺寸。

(2) 上層建筑形狀及尺寸。

(3) 主船體與上層建筑相對位置關系及比例。

1.2 運動艇意象特征參數

意象是人們對物體的直接感受，它存在于各種形態關系中并具有獨立意義和表現形式。運動艇意象的形成來源于對運動艇經驗性的認知，傳遞了客戶對于運動艇這類產品的情感需求，反應客戶對運動艇的心理滿意度，因此，在運動艇造型風格的設計中需要結合形態意象。

萬：貴所在2000至2002年間，歷經“分類定位”后進入科學院“知識創新工程”時，將研究方向從科學史拓展為3個，即增加了“科技發展戰略”和“科學文化”.對此，有些什么可談的嗎？

在對運動艇外觀造型的意象研究中，需要使用意象尺度法來確立風格意象。語義差異法是意象尺度法的基礎，為確立運動艇的風格意象，需廣泛地收集形容詞來表征人們對運動艇外觀造型所產生的心理感受。通過語義差異法的基本要素——概念、尺量、受測者來確定與研究目的以及研究對象相關的意象詞匯，同時使用相對或者反義的形容詞從不同維度來量度意象這種模糊的概念，建立關于運動艇的5點或7點心理學量表。

使用因子分析法處理由語義差異法所構建的學量表，對學量表進行廣泛調查分析可得到關于語義詞匯的數據，對于其中某些抽象、不可直接測量的因素，可使用因子分析法轉化成可測量變量來確定這些因素[4-6]。對所搜集到的語義詞匯進行處理并聚類分析，最終得到關于運動艇語義詞匯的聚類結果，如表1所示。

表1 運動艇代表性語義詞匯聚類結果

如表1所示，經過聚類分析得到1～4共4組數據。每組數據數值越高則表示受訪者對該因子的認可度越高，考慮到因子的特性與形容詞的語義，將“實用的”與“大眾的”合為“大眾的”，在文中以風格意象為標準將運動艇分為動感型運動艇、奢華型運動艇、大眾型運動艇和品質型運動艇。

綜合考慮運動艇的造型特征參數和意象特征參數，并結合一般船舶參數化設計中參數選取原則，最終確定選取的參數共12個，分別為：運動艇總長、運動艇型深、運動艇型寬、首柱前傾角、船體舷窗形狀、上層建筑形式、上建窗戶形狀、上建前端壁傾角、上建前端壁斜面長度、上層建筑長度、上層建筑寬度、前端壁距船艏距離。

2 運動艇造型參數化建模

根據運動造型特征參數與特征曲線特點，運動艇造型參數化設計的關鍵可分為2點， 即造型輪廓的參數化表達和各部位表達的協調。對于造型輪廓的參數化表達可分為主船體輪廓參數化設計與上層建筑輪廓參數化設計，主要表現為橫剖線、中縱剖線、主甲板邊線、上層建筑側輪廓線、上層建筑在主甲板平面投影線的設計，各部位表達的協調則主要表現為主船體與上層建筑的相對位置關系。

考慮到運動艇造型的復雜度，采用常用參數化設計中的直接編程法來完成造型參數化設計，并使用數學船型法尋找運動艇主尺度與曲面尺寸的數學關系，即根據所給定的運動艇設計參數，使用數學方法來生成船體曲面。為突出運動艇造型特征，簡化不重要部分，不考慮梁拱。

由于運動艇的橫剖線型式較為直觀簡約，可將橫剖線近似劃分為幾段線段來表示，并由z1，z2，z3，y1，y2這5個參數來控制橫剖線的形狀。橫剖線的設計如圖2所示。

圖2 橫剖線設計

采用MATLAB軟件對搜集到的型船數據進行統計，并使用多元非線性回歸方法得到各參數的回歸多項式為

(1)

式中：L，B，D分別為船體總長，型寬，型深，m；Li為該橫剖面至尾封板平面距離，Li=0.155×K×L，其中K為自然數取0，1，…，n。

根據式(1)可計算得到Z1，Z2，Z3，Y1，Y2的值，根據取值差異可得到一系列的橫剖線。Li表示該橫剖面至尾封板平面距離，Li=0.155×K×L。對于中縱剖線、主甲板邊線、上層建筑側輪廓線、上層建筑在主甲板平面投影線的設計，按上述方法同理可得。

基于風格意象，本文將運動艇分為4類，對于不同風格的運動艇，其造型特征會存在較大差異，不同風格運動艇參數取值的不同會導致造型“高、矮、胖、瘦”的區別。對所收集的運動艇資料按照風格進行分類并統計分析，得到不同風格運動艇參數變化范圍，將參數取值范圍進行整理，如表2所示。

表2 不同風格運動艇參數取值

3 造型參數化設計平臺

本文構建運動艇造型參數化設計平臺須實現的功能主要有2點：通過輸入的參數快速建立造型模型，提供直觀、立體的造型視覺效果；對造型模型各指標進行綜合評分，可依據評分指導進行造型參數調整以建立新造型模型。根據平臺的功能以及建模一般方法，平臺的開發思路總體框圖如圖3所示。

圖3 平臺開發思路總體框圖

在圖4中的人機界面中輸入各類參數，完畢后即可得到運動艇的三維造型以及對該三維造型的綜合評分。

圖4 人機交互界面

由輸入參數確定的運動艇造型以及對該造型的評分，若對造型不滿意可根據評分的指導進行相應的參數修改，形成新的運動艇造型。為了驗證平臺的可行性與實用性，選擇A，B兩組參數來分別建立模型。其中B組參數是根據A組建立的模型評分指導修改得到的，最后分別對修改前后的運動艇造型進行比較分析以確定驗證的準確性。

A，B兩組參數如表3所示，根據表3中的參數在人機交互界面中進行輸入可完成運動艇三維造型的構建。

表3 A，B兩組參數

在圖4的人機交互界面中輸入A組參數，并點擊“建立模型”，可得到A組模型及對該模型的造型評分，如圖5和圖6所示。

圖5 A組參數造型模型

圖6 A組參數造型評分

從圖6中的評分可以看出，A組參數運動艇造型的整體評分等級為良。每個變量得分欄中船體肥瘦與上建斜度的得分不論是用戶打分還是系統打分都相對較低。對于船體肥瘦來說，從圖5可以看出A組運動艇的艇寬較小，從而造成表征船體肥瘦度的L/B值偏大。寬度較小、過于瘦長的運動艇不僅在視覺上給人帶來空間狹窄的感覺，而且過于瘦長會有一種橫向失穩的視覺效果。對于動感型運動艇，表征上建斜度的上層建筑前端壁傾角過大，首先很明顯地視覺感受到正面風阻變大，并且會導致上層建筑與主船體銜接不夠流暢，缺乏流線感。

根據A組造型的缺點，進行相應參數的修改從而得到B組參數。使用B組參數進行運動艇造型模型的構建，并與A組模型一同放置對比，如圖7和圖8所示，并得到A，B兩組造型模型的評分對比，如圖9所示。

圖7 A，B兩組參數造型模型1

圖8 A，B兩組參數造型模型2

圖9 A，B兩組參數造型評分

在圖9的評分中，“本次”為B組評分，“上次”為A組評分。從圖9可以很清楚地看出，修改后船體肥瘦與上建斜度這兩個變量得分要遠好于修改前的評分。圖7的2個小圖中，左側為B組造型，右側為A組造型，圖中能明顯看出B組修改后造型艇寬變大，在造型上使得空間變大并且整體造型更加協調。同時結合這2個小圖從視覺感受來看，左側B組造型模型在橫向穩定性上明顯優于右側A組造型模型。同樣地，圖8的2個小圖中，左側為B組造型，右側為A組造型，在圖中能很明顯感受到右側造型的迎面風阻要大于左側造型，并且從第2個小圖可以看出左側造型的上層建筑前端壁斜度更平緩，與主船體的銜接更為自然協調，而右側的銜接過于突兀，破壞了整體造型的美感。

4 結 語

從最后的平臺實例論證中可以看出：本平臺具有可行性和實用性。關鍵參數的變化會對運動艇造型產生很大影響，而本平臺可以指導用戶控制造型的變化，從而得到自己滿意的運動艇造型。在運動艇設計制造之前能通過該平臺進行造型建模，可以有效地減少客戶與游艇公司之間的交流成本并能更好、更準確地完成客戶的需求。

[1] SHAMSUDDIN S M, AHMED M A, SMIAN Y. NURBS skinning surface for ship hull design based on new parameterization method[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 28(9-10):936-941.

[2] 馮佰威, 劉祖源, 詹成勝，等. 基于船型修改融合方法的參數化建模技術[J]. 計算機輔助工程, 2010, 19(4):3-7.

[3] 李磊鑫. 計算機輔助玻璃鋼游艇上層建筑造型設計開發研究[D]. 武漢：華中科技大學, 2006.

[4] 李亞維. 游艇造型的風格和功能分類系統研究[D]. 長沙：湖南大學, 2011.

[5] 陳政宏, 劉佳達. 巨型動力游艇外形與感性認知之關聯[C]//中國造船暨輪機工程學刊, 2005:153-164.

[6] 王雪. 設計形態語義學在游艇造型設計中的應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2012.