農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中藝術(shù)外觀表達(dá)效果研究

陳雨瀟

(鄭州商學(xué)院,鄭州 451200)

0 引言

隨著工業(yè)設(shè)計(jì)的飛速發(fā)展,人們的要求不斷提高,對于農(nóng)機(jī)而言,人們不再局限于作業(yè)能力、空間和舒適度的要求,農(nóng)機(jī)的外觀造型成為新階段人們渴望程度的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。因此,將藝術(shù)外觀美學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(shù)外觀設(shè)計(jì)和農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合,基于SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一款農(nóng)業(yè)拖拉機(jī),大大改善了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的造型和外觀效果。

1 藝術(shù)外觀設(shè)計(jì)的作用

藝術(shù)是一種精神層面上的設(shè)計(jì),核心價(jià)值是欣賞,主要是注重思想和情感的表達(dá);而設(shè)計(jì)則注重外觀和產(chǎn)品的實(shí)用性,其最終結(jié)果是產(chǎn)品,最后是為市場服務(wù)的。由此可以看出,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和藝術(shù)創(chuàng)作都為創(chuàng)造性活動,但也存在共同和差異的地方,二者在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中影響因素也差別較大。將藝術(shù)和科技創(chuàng)新結(jié)合在一起,是產(chǎn)品生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢,產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)便可以利用這種協(xié)調(diào)作用,實(shí)現(xiàn)功能與藝術(shù)的結(jié)合,以及藝術(shù)性和實(shí)用性的統(tǒng)一。

外觀設(shè)計(jì)是一種藝術(shù)創(chuàng)作,主要是為了將精致和典雅的藝術(shù)實(shí)現(xiàn)大眾化,將比較難懂的藝術(shù)內(nèi)涵直接表達(dá)出來,讓沒有藝術(shù)基礎(chǔ)的消費(fèi)群體能夠理解和喜愛,這是眾多外觀設(shè)計(jì)工程師追求達(dá)到的藝術(shù)境界。在設(shè)計(jì)過程中引入藝術(shù)元素,便能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能性與藝術(shù)性的結(jié)合與統(tǒng)一。采用流水線藝術(shù)外觀設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)如圖1所示。

圖1 采用流水線藝術(shù)外觀設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)Fig.1 The agricultural tractor with assembly line artistic appearance design

該拖拉機(jī)設(shè)計(jì)整體上采用遛背式的造型,黑白相接的輪轂有種縱橫交錯(cuò)的感覺,貫穿發(fā)動機(jī)引擎蓋的漸變式腰線設(shè)計(jì)使拖拉機(jī)整體具有了很好的運(yùn)動感,給人以敦實(shí)、穩(wěn)健感覺的同時(shí),也帶來了整體的協(xié)調(diào)美觀。

2 基于SolidWorks的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是確定產(chǎn)品定位和參數(shù)->方案->草圖->3D模型->仿真->樣機(jī),這樣整體的設(shè)計(jì)周期太長。采用SolidWorks軟件直接對三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,可以達(dá)到更快和更好的推廣效果,且設(shè)計(jì)的圖片更加接近實(shí)物。農(nóng)用拖拉機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 農(nóng)用拖拉機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 The flow chart of agricultural tractor virtual prototype design

2.2 Bezier曲線設(shè)計(jì)方法

零部件曲面造型設(shè)計(jì)從Coons、Bezier、B樣條的數(shù)學(xué)描述方法,再到NURBS技術(shù),實(shí)現(xiàn)了曲線曲面幾何造型設(shè)計(jì)方式的統(tǒng)一。在此,采用Bezier曲線設(shè)計(jì)農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)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(chǔ)的參數(shù)曲線設(shè)計(jì)零部件。Bezier曲線方法可以采用較少的控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對零部件的操作和設(shè)計(jì),對外觀設(shè)計(jì)來說非常方便。n次Bezier曲線采用在各個(gè)坐標(biāo)上進(jìn)行插點(diǎn)的方式,插點(diǎn)表達(dá)式為

(1)

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

(2)

以三次Bezier曲線作為分析的實(shí)例(見圖3),此時(shí)n=3,根據(jù)表達(dá)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(yīng)的矩陣表達(dá)式為

=TMzP

(4)

其中,Mz為三次Bezier曲線的矩陣向量。

結(jié)合Bezier曲線表達(dá)式的性質(zhì),可以推算出其曲面表達(dá)式為

(5)

(6)

(7)

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

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,一般將m和n的值設(shè)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(shù)外觀設(shè)計(jì)方法

以農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)引擎蓋為例,采用雙三次Bezier曲面對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。構(gòu)成農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)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(shí)現(xiàn)對縱向、橫向方向的剖面輪廓線的設(shè)計(jì),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(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)引擎蓋沿著縱向剖面對稱,因此只需設(shè)計(jì)縱向?qū)ΨQ面一側(cè)的型線即可。利用SolidWorks創(chuàng)建基本控制型線后,采用尺寸和圖像約束條件,進(jìn)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(fā)動機(jī)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(xù)性,對不符合需求的線條進(jìn)行修改,以滿足高質(zhì)量外形曲面的要求。農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)引擎蓋設(shè)計(jì)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(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)引擎蓋設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 The flow chart of agricultural tractor engine hood design

以農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)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(huán)境,選擇“前視基準(zhǔn)面”繪制發(fā)動機(jī)引擎蓋草圖;接著,使用“特征”工具中的“倒角”,選擇為發(fā)動機(jī)引擎蓋上頂面設(shè)置倒角,并分別輸入20mm 和 15mm,完成引擎蓋基本體塊的創(chuàng)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(hù)地方,完成引擎蓋凸臺的創(chuàng)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(fā)動機(jī)、電池和水箱的地方刪除。選取“曲面實(shí)體”中的“曲面填充”,再利用主體邊線作為修補(bǔ)的界限;利用“曲面實(shí)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(shè)定“抽殼”厚度為3.28mm,完成引擎蓋的抽殼,如圖7所示。

圖7 農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)引擎蓋三維圖Fig.7 The three dimensional drawing of agricultural tractor engine hood

3 虛擬裝配設(shè)計(jì)試驗(yàn)

按照前文介紹,根據(jù)發(fā)動機(jī)引擎蓋的方法,完成農(nóng)用拖拉機(jī)所有零部件的設(shè)計(jì)后,便可以建立虛擬樣機(jī)對各零部件進(jìn)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(shè)計(jì)的農(nóng)用拖拉機(jī)采用前者,通過機(jī)器零部件來控制整個(gè)裝配過程。由于農(nóng)用拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多,采用該方法可有效控制農(nóng)用拖拉機(jī)零部件的關(guān)系,同時(shí)方便根據(jù)設(shè)計(jì)需要對裝配零部件進(jìn)行修改,提高設(shè)計(jì)效率。

在農(nóng)用拖拉機(jī)裝配設(shè)計(jì)中,可以采用SolidWorks軟件的裝配手段,利用鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)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(shí)完成農(nóng)用拖拉機(jī)整機(jī)的裝配。裝配完成后的農(nóng)用拖拉機(jī)虛擬樣機(jī)如圖8所示。

圖8中,將藝術(shù)外觀表達(dá)效果應(yīng)用在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中,使得農(nóng)機(jī)運(yùn)動感十足,大大改善了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的造型和外觀效果,在保持功能正常的同時(shí)大大提高了欣賞性。

圖8 農(nóng)用拖拉機(jī)虛擬樣機(jī)裝配圖Fig.8 The assembly drawing of virtual prototype of agricultural tractor

4 結(jié)論

首先,介紹了藝術(shù)外觀設(shè)計(jì)的作用,并將其運(yùn)用在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的功能性與藝術(shù)性的結(jié)合與統(tǒng)一;然后,基于SolidWorks軟件采用Bezier曲線對農(nóng)機(jī)零部件藝術(shù)外觀進(jìn)行設(shè)計(jì);最后,進(jìn)行了虛擬裝配試驗(yàn)。結(jié)果表明:將藝術(shù)外觀表達(dá)效果應(yīng)用在農(nóng)用拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中,提升了農(nóng)機(jī)的運(yùn)動感,給人以敦實(shí)、穩(wěn)健感覺的同時(shí),大大改善了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的造型和外觀效果,讓農(nóng)機(jī)保持功能正常的同時(shí)大幅提升了欣賞性。