基于逆向设计方法的潜水器设计研究

梁耀海 王寿雄 沙很得克·斯玛胡勒 刘昊

摘 要：逆向设计方法为造型方案的修整、改良等提供了相对捷径，但相比较常用的造型设计方法，逆向设计的优势绝不仅限于缩短造型研发周期，逆向设计方法的使用也能最大程度的保证造型设计的可行性，减少一些验证过程，从而降低一些研发成本。文章以“彩虹鱼”号潜水器为产品原型，展开对小型潜水器造型与功能的再设计与拓展。

关键词：逆向设计；造型设计；彩虹鱼号；潜水器

中图分类号：TJ05 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0128-02

Abstract： The reverse design method provides a relative shortcut for the modification and improvement of the modeling scheme， but compared with the usual modeling design method， the advantages of reverse design are not limited to shortening the modeling research and development cycle. The use of reverse design method can also ensure the feasibility of modeling design to the greatest extent， reduce some verification process， thereby reducing some research and development costs. Based on the prototype of "Rainbow Fish" submersible， this paper redesigns and expands the shape and function of small submersibles.

Keywords： reverse design； modeling design； Rainbow Fish； submersible

潜水器造型的设计研发不同于一般产品，其造型的可行性有待于水下复杂环境的检验，而多从美学方面出发的工业设计造型方法就潜水器造型设计的可行性来说多有欠缺，导致方案难以实现；逆向设计方法是以现有产品为原型，对造型数据进行采集与调整，这一过程能较大程度的保持现有产品的造型特点，就以“彩虹鱼”号潜水器来说，逆向设计产生的方案能够充分保持其艇身在水下的力学特征，以保证新开发的潜水器方案有较高的可行性。

1 潜水器设计与逆向设计方法

1.1 产品设计

产品设计是工业设计的一个分支，涉及范围与领域不断发展泛化，但其研究内容的核心仍为造型，为适合批量生产的技术与工艺要求，造型范畴内的形式美与造型方法两者相互牵制、共同发展，也就是最初至此仍不可回避的两大问题，即工业设计中的艺术与技术[1]。数百年的产品设计发展在有意与无意中将技术与艺术二者关系进行权衡，孰轻孰重的结论在不同的主流趋势、风格流派中摇摆不一。归其缘由是包罗万象的产品范围中，抛开具体的产品去讨论设计方法与形式美的二者关系，其意义不大。在设计中应该避免思想极端，而应根据具体产品的属性与设计立意进行设计方法与实现方案的构思。

1.2 逆向設计方法

逆向设计作为一种新的造型方法，不仅是造型方案的又一选项，更重要的是作为造型方案的补充，逆向设计方案本身具有一定的优势，这决定了其在某个领域的造型设计空间具有更好的适应性。逆向设计方法与较为常用的产品造型设计方法之间区别也绝非是缩短研发周期的表征[2]。

逆向设计造型方法在船身应用的实例多于一般产品，这似乎足以说明逆向设计与水域交通工具在设计方法与产品种类的对应关系是经过验证的。

2 “彩虹鱼”与小型潜水器设计

2.1 “彩虹鱼”

“彩虹鱼”是世界范围潜水领域中较为突出的设计作品，最大潜水深度达到7000米，集结尖端科学技术于一身，在造型的流体力学与耐高压结构研究方面达到顶级水平，作为造型与结构研究的极限与标杆，其对一般潜水器造型与功能设计研究具有的多方面参考价值不言而喻。

2.2 小型潜水器的应用与发展趋势

2.2.1 海底资源的开发需要小型潜水器

海洋中丰富的资源，是人类寻求解决陆地资源匮乏、人口膨胀等问题的希望所在[3]。目前，世界各国对海洋资源的开发力度明显增强，同时，随着通信技术、人工智能技术的发展，发展小型作业潜水器有了一定的技术支撑，小型潜水器在海底资源的勘探与开发中举足轻重[4]。

2.2.2 海底旅游业需要小型潜水器

在面对人口膨胀等问题的今天，旅游产业也面临着巨大的难题。在广阔的海洋中，拥有更多吸引人的美景。在目前，全世界拥有海底观光器的只有两家，一个是水晶邮轮，另一个是云顶梦号，可以说，水下旅游业还未开始开发，蕴含着巨大的发展前景，水下观光艇也具备广阔的发展空间。

2.3 小型潜水器的设计研发

虽然水下资源开发与水下旅游业发展空间广阔，但目前，小型潜水器研发、特别是观光潜水器设计还面临许多的技术难题，其中之一就是解决艇身设计符合流体力学的问题。确立“彩虹鱼”号潜水艇艇身造型为原型，以逆向造型为设计手段是小型潜水器研发设计行之有效的方法。

3 小型潜水器设计方案探讨

3.1 小型潜水器的设计方案意向

按照逆向设计的程序，通过3D扫描设备获取“彩虹鱼”号曲面数据，结合现有水下小型潜水器的需求趋势，对潜水器进行创新设计。

首先，是通过3D扫描获取原始模型的数据，其次在设计使用情景的设定中，以能见度在0到100米为设计背景，进行方案的创新设计并进行方案分析；最后，就这一过程中所用的关键技术及设计方法进行总结。

3.2 “彩虹鱼”号潜水器数据处理的方法总结

数据扫描：“彩虹鱼”号潜水器的模型很小，为达到扫描曲面特征的完整性，有两种方法：一是用3D扫描仪对模型进行多次的扫描计算，再做拼合修整；二是将“彩虹鱼”按照恰当的比例进行扩大，制作油泥模型进行贴点扫描；由于油泥制作的周期较长，最终选择第一种方法，这需要后期对扫描数据的大量调整。

数据处理：通过3D扫描仪对“彩虹鱼”号曲面扫描，得到点云数据，然后，通过Geomagic Design X 、Geomagic Control 2015以及Rhinoceros 5后期处理软件对点云数据进行修复和模型重建，得到彩虹鱼号完整模型。

数据输出：将得到的“彩虹鱼”号潜水器数据按照方案设想进行小幅度的造型调整，最终通过3D打印输出。

3.3 小型潜水器设计方案

针对潜海100米以内的观光用途进行方案的设计，在扫描得“彩虹鱼”号潜水器数据进行小幅调整，得到以下三个方案：

设计方案一：最大保留原有曲面造型，考虑水下观光时实际情况，设计艇身两侧厚壁采用透明材质；考虑夜晚或水下光照不良的因素，设置灯光及灯带照明；

设计方案二：最大程度的保留原有潜艇数据，使其能够适应水下的压力环境，又针对其作业场所做出艇身的配色以及造型设计。空旷的视野范围，更有利于其观光的娱乐性。

设计方案三：此方案保留模型的原型，本文要考慮水下旅游观光，潜艇的外部造型和内部空间加大了，同时考虑船舶的规格书和美观的结合，潜艇的窗户设计成八角形，承受水的压强。

4 结束语

逆向设计方法的正确使用能够减少潜水器研发过程中对造型方案的试验验证，但逆向设计方法在小型潜水器设计中的应用尚存很多问题，对于逆向数据的改动与取舍除去设计方案功能实现的约束之外，还应当有一定的标准，以控制造型与样本之间的相似度，保证造型性能的延续。

参考文献：

[1]蒋晓，张振东.工业设计与产品设计的比较[J].CAD/CAM与制造业信息化，2014（10）：26-29.

[2]何润琴.反求工程在现代设计中的应用[J].黑龙江纺织，2007（01）：36-38+45.

[3]丁逸.资源开发向大洋进军[N].中国矿业报，2000-09-05（001）.

[4]李志伟，马岭，崔维成.小型载人潜水器的发展现状和展望[J].中国造船，2012，53（03）：244-254.