基于形態(tài)仿生的海上溢油回收裝置設計與評估

張有為，孫 虎

基于形態(tài)仿生的海上溢油回收裝置設計與評估

張有為，孫 虎

(西華大學美術與設計學院，四川 成都 610039)

為解決海上溢油回收裝置功能與形態(tài)單一的問題，提出一種自下而上的設計程序構建仿生設計方法。由綜攝法求取生物特征意象集合以確定仿生目標集；結合哈里斯圖表對目標集進行篩選以確定仿生原型；利用生物簡化優(yōu)化法分析仿生原型的結構特征關系，將結構特征與形態(tài)分析求得的設計要素進行耦合得到初步仿生造型設計方案；運用模糊數學中模糊集的概念對設計方案進行優(yōu)先級排序；對擇優(yōu)方案進行模態(tài)分析，驗證方案是否符合結構動力學要求，從而建立具有系統(tǒng)指導意義的仿生設計方法。利用方法指導設計，得到功能與形態(tài)間滿足設計需求且高耦合度的蝠鲼仿生溢油回收裝置。將該方法模型應用于產品仿生設計中，可以為海上應用類產品設計提供有效的理論指導，提高海洋技術類產品整體水平。

仿生設計；海上溢油回收裝置；綜攝法；模糊綜合評價；動力學評估

自上世紀60年代斯蒂爾第一次提出仿生學概念以來，仿生研究成為開辟新技術路線的主要途徑之一，已在眾多學科領域中產出了大量的學術成果[1]。仿生設計是模擬自然和生物的各種特征或受自然和生物的啟發(fā)而進行的廣義設計[2]，其針對生物的結構、功能、形態(tài)、肌理、色彩等特征進行設計分析，對標產品需求，篩選出符合產品需求的生物特征屬性，繼而展開設計應用。當前，仿生設計解決的問題主要包括：產品美感、實用功能、象征語義3個方面[3]。針對仿生領域的設計研究主要集中在設計應用、設計方法和設計理論分析領域。如陳東良等[4]利用新月魚尾鰭的傳動方式設計了一種仿生多連桿魚骨，有效降低了推進器以往結構的復雜程度；張阿維等[5]通過認知耦合構建了一種產品造型仿生設計方法以探索造型與情感語義間的關系；王麗梅[6]使用唐代金銀器來探究仿生設計理念與相關技法。整體而言，仿生學在設計領域的應用大多是基于設計師主觀判斷下對設計結果的直接應用，在形態(tài)映射策略、特征語義關系耦合以及設計結果優(yōu)化與評價等仿生設計的關鍵環(huán)節(jié)缺乏客觀性和系統(tǒng)性[7]。本文從工業(yè)設計視角出發(fā)，改進一般仿生設計系統(tǒng)模型，量化模糊問題，以海上溢油回收裝置為例進行設計應用，最后運用動力學知識驗證該方法的合理性[8]。

1 研究背景

溢油事故作為海洋環(huán)境污染的重大源頭之一，多年來一直是各國關注的焦點。據統(tǒng)計，每年通過各種途徑泄漏入海洋的石油和石油產品約占世界石油總產量0.5%[9]。石油泄漏不僅會對海洋生態(tài)造成嚴重破壞，同時對人類健康、區(qū)域經濟也會帶來嚴重的危害[10]。

我國作為石油能源消費大國，2019年原油與石油對外依存度雙破70%，因海運是我國石油運輸的基本方式，所以對我國海洋環(huán)境保護工作帶來一定的挑戰(zhàn)。近半個世紀以來，各類措施的提出已將溢油問題基本穩(wěn)定在可控小范圍之內，但偶發(fā)溢油事故所造成的影響卻越來越大[10]。因此，對于近海岸偶發(fā)性溢油問題的處理變得愈發(fā)重要。當前對溢油的處理主要有物理、化學、生物3類技術，其中以物理機械回收的方式污染性最小，加之技術的進步，已具備將水中溢油基本清除的能力，但如今常用的回收設備存在的功能與形態(tài)的單一卻一直為人們所詬病[11-12]。針對這類問題，本文提出利用仿生學進行溢油回收裝置的設計，以完善當前設計中所存在的不足。

2 生物仿生設計流程與研究方法

本研究采用自下而上的仿生設計程序，即從設計目標物到生物原型的方式進行設計系統(tǒng)流程圖的構建[13]，如圖1所示。

圖1 仿生設計系統(tǒng)流程圖

(1) 求取生物意象。確定設計目標物，運用綜攝法對設計目標進行拆解、聯(lián)想分析，得到生物特征意象。

(2) 確定生物形象。根據得到的生物意象進行生物形象的收集，羅列仿生設計要求，利用哈里斯圖表對收集到的生物樣本進行篩選，以確定仿生生物原型。

(3) 確定方案優(yōu)次級。將確定的生物形象通過生物簡化法進行特征提取及優(yōu)化，將提取的生物特征與利用形態(tài)功能分析得到的設計要素進行匹配，進而得到不同側重的創(chuàng)新設計方案，再對不同設計方案進行模糊量化評價以確定方案優(yōu)次級。

(4) 確定最終方案。選取優(yōu)良方案進行動力學評估，合理即確定最終方案，不合理則進行改進或依方案優(yōu)劣次序選取方案再次進行驗證。

2.1 生物特征意象匹配分析

根據已明確的設計目標，采用綜攝法作為引導此階段的主要分析方法進行生物意象的求取。綜攝法又稱提喻法，旨在通過以類比思考的方式發(fā)揮非理性思維的作用，從而為要解決的問題獲得具有獨創(chuàng)性和啟發(fā)性的看法[14]。綜攝法原有實施過程共分為8個步驟，為了更好地適應仿生設計在此階段的應用，本文將其流程進行適度地增刪修改，優(yōu)化后如圖2所示。①問題描述，即邀請所有人簡要地討論并描述該設計問題；②異質同化與同質異化，通過主持人引導參與者進行討論，將原本具象的問題隱藏并提出更為廣義且抽象的問題，而后將其歸納為一個具體的目標并對目標進行相關的類比聯(lián)想，得到目標相關的類比集合；③元素刪減，刪除類比集合中相關聯(lián)系較弱且重復的聯(lián)想，從而得到有效的元素集；④聯(lián)想匹配，對有效的類比元素集進行生物特征意象間的自由聯(lián)想匹配，以獲得生物特征意象。

圖2 綜攝法在仿生設計中的應用流程

2.2 仿生生物原型篩選

通過綜攝法完成定性分析后，結合生物特征意象搜集大量不同形態(tài)的生物樣本，進行歸類處理，去除特征較弱的生物類型，從余下的類型中選取各自最具映射代表性的生物進行分析；之后，將產品圍繞造型、功能、語義等特征進行解構，盡可能全面地羅列出仿生設計需求，并按照對項目的重要程度進行排序；最后，通過哈里斯圖表分析得到各生物與設計需求間的契合程度關系，通過判斷圖表中“高塔”倒塌的難易程度判斷所選生物的契合度高低，從而確定仿生生物原型，進入簡化優(yōu)化階段。

2.3 生物的簡化優(yōu)化

生物的簡化優(yōu)化是對生物整體與局部結構進行特征提取的過程，在確定仿生生物原型后，突出特征形態(tài)對仿生設計與工業(yè)化生產顯得尤為重要。

據視知覺有關研究表明，人在同一時間內所能關注的對象特征數量有限，一般5個左右視知覺分辨力將達到峰值，超過此值認知正確率將開始下降[15]，因此對特征的選取通常低于5個較為理想；此外，眼睛傾向于感知到較大的整體而非較小的局部[13]，因此視知覺系統(tǒng)會最大限度地將整體分離成最簡潔突出的幾個局部；同時，在一定限度內生物特征抽象程度越高，所獲得的本質特征就越突出，生產制造也會更加便捷[13]。

基于上述理論描述構建生物簡化優(yōu)化流程(圖3)，采用拓撲結構特征簡化與式樣組成成分特征簡化相結合的方法對生物展開特征結構層次的分析(圖4)，利用形態(tài)分析法對目標進行功能形態(tài)分析，將分析得到的設計要素與主要結構特征進行耦合，得到功能形態(tài)與生物間相對應的關系圖譜，通過對應關系表為每一對生物局部特征關系進行抽象、秩序化、調和、對比等手法的優(yōu)化，以完成生物的簡化優(yōu)化過程。

圖3 生物簡化優(yōu)化流程

圖4 拓撲結構特征簡化分析

2.4 確定方案優(yōu)次級

對于經過簡化優(yōu)化所耦合成的多組設計方案，采用一級模糊綜合評價法對其進行評價打分，對所有設計方案進行備選優(yōu)次級的排序。

(1) 隸屬度與模糊子集概念。

隸屬度：元素與模糊集合之間的關系(即元素隸屬于模糊集合的程度)。

模糊子集：設(討論對象全體)是論域，稱映射即

確定了上的模糊子集，映射μ稱為的隸屬函數，μ()稱為對的隸屬程度，簡稱隸屬度。

設=(r)，0≤r≤1，其中r為隸屬度，為模糊矩陣。

(2) 模糊評價步驟。

步驟1.設定評價因素集合={1,2,3,···,u}；

步驟2.確定對應評價因素的權重系數向量={1,2,3,···,a}；

步驟3.確定評語集={1,2,3,···,v}；

步驟4.進行單因素評價得到r={r1,r2,r3,···,r}，將所有單因素評價進行關聯(lián)構造出模糊矩陣；

步驟5.計算權重向量與模糊矩陣的綜合評價向量為

其中，?為矩陣乘法運算符；

步驟6.若求得矩陣內各矩陣元素相加不等于1，則將所得不同方案的綜合權重向量進行歸一化處理，如式(3)和式(4)，再根據隸屬度最大原則進行比較排序，令

3 海上溢油回收裝置仿生設計實例

3.1 生物特征意象的求取

將綜攝法應用于海上溢油回收裝置仿生設計流程以求取生物特征意象，實施過程如下：

(1) 首先對設計目標進行簡短地描述說明，針對描述說明提取關鍵詞(即主要目標)有：海洋、仿生設計、溢油回收等。

(2) 利用綜述法異質同化思考原則將主要目標進行歸納，最后得到“海洋生物”與“回收”2個隱匿原本問題的目標關鍵詞。

(3) 組織專業(yè)人員進行小組討論，對“回收”這個未限定且抽象的詞匯進行同質異化的類比聯(lián)想，統(tǒng)計得到詞匯集合={可循環(huán)，環(huán)保，可降解，節(jié)約，資源再利用，存儲，過濾，清潔，分類，效率，分揀，······}，將集合中的詞匯元素進行近義詞、包含關系詞、具象詞以及無用詞匯的刪減，得到子集0。

(4) 以小組的形式結合0進行自由聯(lián)想(生物特征的強行連接)，得到對應生物意象集合0?={巨大的肚子，寬廣的軀體，嘴巴大，圓潤，速度快，形態(tài)特征少，力氣大，結實的肌肉，皮膚硬，慮食特征，反芻特征，······}。

3.2 確定仿生生物原型

(1) 結合得到的“海洋生物”目標關鍵詞與“生物意象”集合0?，通過咨詢相關人士并查詢資料，選取大量相關生物作為初選樣本。利用親和圖(KJ)法進行歸類處理，最終選取3種生物作為仿生參考原型，見表1。

表1 仿生參考原型

(2) 在確定一定數量仿生參考原型后，通過解構分析得到標準的重要程度排序，并利用哈里斯圖表對選擇的參考原型進行評分等級的打分，評分等級設定為偶數四等級“--，-，+，++”，分別代表“差、中等、良好、優(yōu)”對應分值為“-2，-1，1，2”，當存在“+2”或“-2”評分時，需在“-1和-2”或“+1和+2”2個方框內涂上顏色。參照所有設計要求進行打分后，將評分分別填入對應生物的圖5中，通過3組參考原型契合度的直觀呈現(xiàn)，擇優(yōu)選取前口雙吻蝠鲼作為產品的仿生生物原型。

3.3 雙吻前口蝠鲼特征認知與耦合設計

3.3.1 特征認知

通過拓撲結構特征簡化分析，得到雙吻前口蝠鲼的特征認知排序如圖6所示(所有重要特征已通過紅色描邊進行凸顯)。

與同綱生物對比得到二級結構中頭部、軀干、尾巴均屬于雙吻蝠鲼重要特征結構；三級結構中嘴巴、頭鰭、胸鰭、鰓裂、馬甲狀斑紋、尾根部與軀干間的連接突起屬于重要特征結構；四級結構中細長牙齒屬于重要特征結構；而與同屬阿氏蝠鲼比較得到具有唯一性的顯著結構特征為：嘴巴、馬甲狀斑紋與尾根部連接；再根據拓撲相鄰關系原則，軀干、胸鰭與尾根部突起具有不被拓撲關系影響的整體最簡局部特點，可進行結構組合化一的整體設計，以滿足人的視知覺感知傾向。通過上述對特征結構的分析，進而得到具體特征強弱排序，見表2。

圖5 哈里斯圖表分析

表2 生物特征強弱排序

3.3.2 耦合設計

(1) 通過對溢油回收裝置進行功能形態(tài)分析并結合特征強弱次序關系，得到功能形態(tài)特征與生物結構特征間的耦合匹配關系，見表3。

表3 功能形態(tài)與生物結構特征間的耦合關系

(2) 通過提取特征線進行擬合優(yōu)化，對部分生物結構特征進行滿足功能需求的調和處理、滿足工業(yè)生產與本質凸顯的抽象化處理以及凸顯對比效果的夸張?zhí)幚恚卣骶€優(yōu)化結果見表4。

表4 生物結構特征線提取與擬合優(yōu)化

注：紅線為生物原生結構特征線，藍線為幾何優(yōu)化后的擬合特征線

(3) 將上述2步設計分析得到的結果與前文視知覺感知特點(生物特征通常選取4個較為合適)相結合進行設計，得到下列4組設計方案，如圖7所示。

3.4 海上溢油回收裝置設計方案模糊評價

根據一級模糊綜合評價法，對4種仿生設計方案進行評估。經德菲爾法得到評價因素={造型美感度1，結構功能耦合度2，生產制造便捷性3，象征語義契合度4}；目標權重={0.3,0.4,0.2, 0.1}；評語集={優(yōu)1，良2，中3，差4}。制作評價量表，邀請設計人員、海洋學相關專業(yè)學者共10人組成專家團隊，對4個仿生方案進行綜合評價分析，得到模糊綜合評價結果(表5)。

圖7 仿生設計方案

表5 仿生方案模糊綜合評價結果

通過表5數據構建4組設計方案的模糊矩陣分別為

由式(2)可得4個設計方案的模糊綜合評價向量分別為

1={0.17,0.49,0.32,0.02}

2={0.09,0.28,0.39,0.24}

3={0.15,0.40,0.45,0.00}

4={0.36,0.51,0.11,0.02}

所有矩陣內元素相加結果為1，因此直接通過最大隸屬度原則，得到設計方案的評價排序為：方案4>方案1>方案3>方案2。通過方案的優(yōu)次級排序，選取方案4首先進入動力學評估環(huán)節(jié)。

4 動力學評估

安全穩(wěn)定行駛是海上使用裝備設計需要著重考慮的，而對裝備穩(wěn)定行駛影響較大的外因莫過于海浪與魚群的干擾。為了使溢油回收裝置能夠較好的在近海岸工作，避免其與海浪及驅魚裝置的工作頻率太過接近而引發(fā)共振危險，因此需要對仿生裝置結構進行動力學評估，以便擇優(yōu)選取最適合方案或對方案進行更進一步的可行性改進。

4.1 驅魚裝置工作頻率與近岸波浪頻率求取

(1) 根據已有研究可知，大多數魚類能夠聽到的聲音范圍在50～1 000 Hz之間，少數能聽到高于3 kHz的聲音[16]。因此裝置結構的固有頻率取值應在 0～50 Hz或1～3 kHz之間。

(2) 海岸邊的波浪主要是由風力形成，由風浪、涌浪等組成，具有一定的規(guī)則性。通過查閱、整理海浪監(jiān)測類文獻可知，我國幾大海域各地區(qū)間近岸海浪一般平均周期的大致范圍見表6[17-23]，數據由式(5)對其進行一般平均頻率的求取，最終得到我國海域近岸海浪一般平均頻率取值約在0.10～0.67 Hz之間。因此裝置結構的固有頻率取值也應盡量大于1 Hz。

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析作為動力學的評估方法，是研究結構動力特性的方法之一，一般應用于工程振動領域，可求解固有頻率、阻尼比與模態(tài)振型等參數。

表6 我國海域海浪監(jiān)測一般平均周期

解決多自由度體系的動力平衡方程式，即

其中，[]為質量矩陣；[]為阻尼矩陣；[]為剛度矩陣；{()}為外載荷向量。若[]與[]為常數，即視為線性動力問題。

對于固有頻率，可通過分析無荷載的動態(tài)響應求取，繼而得到簡化后無阻尼系統(tǒng)的平衡方程

因振動系振幅不全為0，則

利用ANSYS Workbench軟件對模型進行殼體的線性瞬態(tài)分析，殼體選取具有較好防腐蝕性質的鎳鉻鋼與鈦合金材質。通過自由振動求取固有頻率，因前6階為剛體移動自由模態(tài)，其頻率為0，故而從第7階振型開始依次向后取到第12階共6個主要振型來代表裝置的結構屬性。在仿真分析中鎳鉻鋼從第7階振型開始其固有頻率為160.98 Hz，隨階數的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，其分析云圖如圖8所示。而鈦合金材質其7～12階的固有振動頻率分別為：25.823 Hz，26.285 Hz，26.611 Hz，32.362 Hz，32.482 Hz，48.709 Hz (圖9)。

根據云圖顯示結果表明，結構的屬性與產品材質有關，當方案4使用鈦合金材質進行設計時，溢油回收裝置的尾端與背部靠中心兩側位置在工作中最易發(fā)生變形，其主要振型的固有頻率不在近岸海浪的大致頻率和驅魚裝置的工作頻率之間，故該方案不易發(fā)生共振危險，符合結構動力學特征。

4.3 裝置溢油回收功效評估

選取影響溢油回收效率的主要因素，將上述分析所得仿生方案與當前市面上主流溢油回收裝置進行影響因素對應效果的對比，結果見表7。

由對比分析可知，設計得到的蝠鲼裝置其所回收溢油無需二次加工、溢油回收占比速率與機器速度關聯(lián)較小(能量驅動浪費小)，且環(huán)境因素限制也較小，具備較好地回收效果，滿足設計要求。

表7 溢油回收裝置參照對比

5 結束語

引入仿生學知識構建仿生設計流程，不僅能很好地解決海上溢油回收裝置功能與形態(tài)間存在的單一局限性問題，同時也能較好地迎合大眾的審美意識。在對生物原型的確定階段，引入綜攝法與哈里斯圖表法進行判斷而非倚靠個人的主觀猜想，能更好地找到高匹配度的生物原型，繼而通過簡化優(yōu)化后得到更加理想化的特征結構，提升產品設計要素與生物特征結構間相互耦合的關聯(lián)性。此外，利用模糊集概念理性地對方案進行量化模糊計算，可更合理地得出方案的優(yōu)先級排序。最后，為了保證蝠鲼仿生裝置的使用安全，在后期通過動力學仿真，科學地評價方案的可行性與有效性，給海上溢油回收裝置設計方案的選擇與改進提供了可靠的數據與方向。

當前該方法的構建主要從產品出發(fā)圍繞功能與造型展開研究，而對用戶情感需求的思考略顯不足，這也為接下來方法模型的深化與完善提供了方向。

[1] 李德平, 慈立杰. 仿生學: 從生物細胞到電池單元(英文)[J]. Science Bulletin, 2021, 66(11): 1054-1055.

LI D P, CI L J. Biomimetics: from biological cells to battery cells (English)[J]. Science Bulletin, 2021, 66(11): 1054-1055 (in Chinese).

[2] 易軍, 駱陽毅. 基于產品形象的工程機械品牌造型識別設計[J]. 包裝工程, 2021, 42(10): 191-199.

YI J, LUO Y Y. The brand modeling identification design of engineering machinery based on product image[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(10): 191-199 (in Chinese).

[3] 許永生, 李麗麗, 王超, 等. 耦合仿生在產品造型設計中的應用研究[J]. 機械設計, 2019, 36(8): 140-144.

XU Y S, LI L L, WANG C, et al. Application research of coupling bionics in product modeling design[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(8): 140-144 (in Chinese).

[4] 陳東良, 臧睿, 段鵬, 等. 基于新月魚尾推進理論的多連桿魚骨仿生設計[J]. 吉林大學學報: 工學版, 2019, 49(4): 1246-1257.

CHEN D L, ZANG R, DUAN P, et al. Biomimetic design of multi-link fishbone based on crescent’s fishtail propulsion theory[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2019, 49(4): 1246-1257 (in Chinese).

[5] 張阿維, 高小針, 陳彥蒿, 等. 基于認知耦合的產品造型仿生設計研究[J]. 機械設計, 2018, 35(6): 120-124.

ZHANG A W, GAO X Z, CHEN Y H, et al. Bionic design research of product shape based on cognitive coupling[J]. Journal of Machine Design, 2018, 35(6): 120-124 (in Chinese).

[6] 王麗梅. 唐代金銀器造型仿生設計范式研究[J]. 包裝工程, 2016, 37(2): 34-37, 43.

WANG L M. Paradigm study on bionic design of gold and silver ware shape in Tang dynasty[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(2): 34-37, 43 (in Chinese).

[7] 羅仕鑒, 張宇飛, 邊澤, 等. 產品外形仿生設計研究現(xiàn)狀與進展[J]. 機械工程學報, 2018, 54(21): 138-155.

LUO S J, ZHANG Y F, BIAN Z, et al. Status and progress of product shape bionic design[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(21): 138-155 (in Chinese).

[8] 張寧, 歐陽富曦, 李昆鵬, 等. 海洋清理裝備的結構仿生設計[J]. 機械設計, 2019, 36(8): 120-124.

ZHANG N, OUYANG F X, LI K P, et al. Structural bionic design of ocean garbage cleaning equipment[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(8): 120-124 (in Chinese).

[9] 侯軼凡. 海洋溢油污染救濟機制研究: 以康菲事件為例[D]. 杭州: 浙江大學, 2012.

HOU Y F. The study of marine oil spillage relief mechanism—in the perspective of conocophillips oil spillage[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012 (in Chinese).

[10] 熊善高. 海域船舶溢油風險評估及應急管理體系的研究[D]. 天津: 南開大學, 2014.

XIONG S G. Research on oil spill risk assessment from ships and emergency management system[D]. Tianjin: Nankai University, 2014 (in Chinese).

[11] VENTIKOS N P, VERGETIS E, PSARAFTIS H N, et al. A high-level synthesis of oil spill response equipment and countermeasures[J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 107: 51-58.

[12] 張銀東, 楊杰, 張興明. 海上溢油堰式回收技術的原理與改進[J]. 海洋環(huán)境科學, 2015, 34(2): 290-293.

ZHANG Y D, YANG J, ZHANG X M. Working principle and improvement of weir technology in recovering oil spill[J]. Marine Environmental Science, 2015, 34(2): 290-293 (in Chinese).

[13] 張祥泉. 產品形態(tài)仿生設計中的生物形態(tài)簡化研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2006.

ZHANG X Q. The research on biologic form simplification in the bionic design of product[D]. Changsha: Hunan University, 2006 (in Chinese).

[14] 代爾夫特理工大學工業(yè)設計工程學院. 設計方法與策略: 代爾夫特設計指南[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2014: 119.

School of Industrial Design and Engineering, Delft University of Technology. Design method and strategy: Delft design guide[M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2014: 119 (in Chinese).

[15] LURIA R, BALABAN H, AWH E, et al. The contralateral delay activity as a neural measure of visual working memory[J]. Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 2016, 62: 100-108.

[16] 劉丹, 李文杰, 杜洪波, 等. 航道噪聲對魚類影響初步分析[J]. 人民長江, 2021, 52(9): 58-64.

LIU D, LI W J, DU H B, et al. Preliminary analysis on influence of channel noise on fish[J]. Yangtze River, 2021, 52(9): 58-64 (in Chinese).

[17] 高晨晨, 周谷城, 王侃睿. 響水近岸海域波浪特性研究[J]. 海洋學報, 2019, 41(5): 23-34.

GAO C C, ZHOU G C, WANG K R. Study on wave characteristics in the nearshore waters of Xiangshui[J]. Haiyang Xuebao, 2019, 41(5): 23-34 (in Chinese).

[18] 張方儉, 林仕群. 連云港近海波浪特征[J]. 海岸工程, 1983, 2(1): 15-25.

ZHANG F J, LIN S Q. Wave characteristics in sea area near Lian Yun Port[J]. Coastal Engineering, 1983, 2(1): 15-25 (in Chinese).

[19] 李淑江, 李澤文, 范斌, 等. 海南島東南近岸海浪觀測及統(tǒng)計特征[J]. 海洋科學進展, 2016, 34(1): 1-9.

LI S J, LI Z W, FAN B, et al. Wave observation and statistical analysis in the southeast coast of Hainan Island[J]. Advances in Marine Science, 2016, 34(1): 1-9 (in Chinese).

[20] 宋積文, 趙飛達, 王智超, 等. 粵西(茂名站)水文氣象要素觀測分析Ⅱ[J]. 中國水運: 下半月, 2019, 19(1): 136-137.

SONG J W, ZHAO F D, WANG Z C, et al. Observation and analysis of hydrological and meteorological elements in Western Guangdong (Maoming Station)[J]. China Water Transport, 2019, 19(1): 136-137 (in Chinese).

[21] 潘冬冬, 周川, 王俊, 等. 粵東近岸深水區(qū)周年波浪特征分析[J]. 南方能源建設, 2020, 7(4): 34-40.

PAN D D, ZHOU C, WANG J, et al. Analysis of the annual wave characteristics in the deep water area near the east coast of Guangdong Province[J]. Southern Energy Construction, 2020, 7(4): 34-40 (in Chinese).

[22] 高斌. 渤海海域波浪場的數值計算與特征分析[D]. 青島: 中國海洋大學, 2012.

GAO B. The numerical simulation and analysis of wave field in Bohai Sea[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2012 (in Chinese).

[23] 葉欽, 楊忠良, 施偉勇. 浙江近海波浪能資源的初步研究[J]. 海洋學研究, 2012, 30(4): 13-19.

YE Q, YANG Z L, SHI W Y. A preliminary study of the wave energy resources in the sea adjacent to Zhejiang[J]. Journal of Marine Sciences, 2012, 30(4): 13-19 (in Chinese).

Design and evaluation of offshore oil spill recovery devices based on morphological bionics

ZHANG You-wei, SUN Hu

(School of Fine Arts and Design, Xihua University, Chengdu Sichuan 610039, China)

In order to address the problem of the single function and form of the offshore oil recovery device, a method of bionic design, which was constructed using the bionic design program from bottom to up, was proposed. Firstly, in order to determine the bionic target set, the set of intentional images of the biological features was obtained using the synectics method. Secondly, the Harris chart was employed to screen the target set to determine the bionic prototype. Thirdly, the biological simplification and optimization method was utilized to analyze the structural feature relationship of the bionic prototype, and couple the structural features and the main design elements obtained using the approach of morphology analysis, thereby producing a preliminary design plan of bionic modeling. Fourthly, the concept of fuzzy sets in fuzzy mathematics was used to rank the design plans to determine the priority. Fifthly, the best design plan was selected for modal analysis to verify whether the plan could meet the requirements of structural dynamics, thus establishing a bionic design method that could shed light on the whole system.Based on this method that could guide the design, we could obtain the oil spill recovery device of manta ray bionic style, which could meet the design requirements and was of high coupling degree between function and form. By applying the constructed design model to the bionic design of products, it can provide effective theoretical guidance for the design of the marine application product, and help elevate the overall level of marine technological products.

bionic design; offshore oil spill recovery device; synectics method; fuzzy comprehensive evaluation; dynamic evaluation

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050927

A

2095-302X(2022)05-0927-09

2022-02-25；

2022-05-16

25 February，2022；

16 May，2022

四川省哲學社會科學重點研究基地-現(xiàn)代設計與文化研究中心項目(MD22E017)

Sichuan Provincial Key Research Base of Philosophy and Social Sciences-Modern Design and Culture Research Center (MD22E017)

張有為(1997-)，男，碩士研究生。主要研究方向為工業(yè)設計、仿生設計。E-mail：1403179831@qq.com

ZHANG You-wei (1977-), maser student. His main research interests cover industrial design, bionic design. E-mail：1403179831@qq.com

孫 虎(1982-)，男，教授，碩士。主要研究方向為產品創(chuàng)新設計、裝備設計、信息交互設計等。E-mail：14344380@qq.com

SUN Hu (1982-), professor, master. His main research interests cover product innovation design, equipment design, information inte-raction design, etc. E-mail：14344380@qq.com