切削法在船舶设计中的应用研究

尹红俊

（常州大学，江苏 常州 213100）

随着近年来船舶行业的快速发展，船舶使用者对船舶产品除了基本的使用需求外，对个性、人文、趣味等方面的需求也越来越高，企业为了满足这些需求，会要求加快研发进程设计出美观新颖的产品，各大船舶企业为了能扩大市场占有率，会在保证船舶产品使用性能和产品质量外，加快研发进程不断更新产品以满足消费者的需求。尽管我国已成为船舶制造大国，但船舶制造业依然面临着很多问题，其中高附加值的高端船型以及船舶配套产业相对落后，使得国际竞争力不足。对船舶产品开发者而言，如何高效、准确、合理地设计出令客户满意的船舶外观形体和舱室布局成为船舶设计的重点，基于对以上问题的思考，通过引入切削法来解决新产品开发设计中反复无方向且造型修订上耗时较长的问题。

现阶段研究船舶产品造型的方法有很多，如仿生设计、逆向设计、概念设计、计算机辅助设计等多种造型设计方法。切削法作为一种产品造型方法，即利用切削的方式对形体进行减法处理，从而得到基于科学数据为基础的目标造型形体，在利用切削法进行产品设计过程中，需引入形式美法则、人机工学等工业设计学科来进行辅助设计，使得切削得到的造型产品既具有艺术要素又具有科学要素。产品造型设计主要作用在开发决策期和前期开发，企业为了得到优秀且符合消费者需求的造型，在产品前期会花较长的时间来解决造型中的突出问题，切削法的引入将缩短前期开发的时长，同时提升最终造型的合理准确性。

1 切削法分析

1.1 切削法介绍

切削法初始为一种铸造方法CCG，作用在铸造机械行业，利用切削的方法进行异形铸铁管的制作。在产品设计中，切削法被作为一种造型方法，利用切削方式对形体进行削减去除从而得到目标形体，切削的本质是在做减法，即利用化整为零的思路并带有一定的美学意图和功能意图去设计，使得最终得到的产品兼具美观性与实用性。

1.2 切削法研究现状

目前，切削法的研究主要在机械方面，而在产品造型设计中，关于切削法造型的研究十分有限，与切削法同理的理论有城市规划方面，把削切法作为一种街坊空间的城市设计方法的研究，及轻工业方面减法裁剪的设计应用研究。通过分析切削法造型过程中工业设计相关学科的应用，使得削切法的具体实践更具有科学依据，更快捷得到符合目标需求的造型产品。

1.3 切削法在产品设计中的优势

1.3.1 切削法采用“整体-细节”的整体切削设计思路

利用切削法进行产品开发设计时，需要遵循“整体-细节”的整体削切设计思路，使得建模设计出的产品结构更为合理，开模设计更为便捷。切削法整体设计思路与三维设计中“自顶向下设计”的思路一致，对要完成的任务进行分解，先对最高层次中的问题进行定义、设计，而将其中未解决的问题作为一个子任务放到下一层次中去解决，逐步求精的设计程序的过程，这种切削设计思路可以避免产品模具开发出现倒扣、间隙过大、漏冲孔等问题，使得设计的模具达到目标需求。

1.3.2 切削法采用科学合理的数据指导产品设计具体走形

切削法在具体实践中为了解决切削更合理的问题，往往会结合人机工学、数学几何模型及形式美法则等一系列设计数据及经验来指导切削的具体走形，从而保障产品设计的科学合理性，使最终设计制造的产品符合前期预期，同时在开发过程中可以缩短前期开发时长，提高企业新品开发的效率，帮助企业更好地占领市场。

2 切削法在船舶设计中的应用原则

2.1 切削法在船舶设计中应遵循形式美法则

切削法是在有意识有目的的思维指导下进行的产品造型活动，在具体实践中需要形式美法则研究来指导操作。好的造型产品应该为社会大众所接受，所以要求造型设计师既需要了解市场，又要懂得工程知识，这样设计的方案才能便于生产又具有美的形态。利用切削法造型设计的目的就是尽可能保障产品造型的准确性同时又可以缩短前期开发时长，使得设计的产品既符合美的要素又符合市场需求。形式美法则，即人们在设计实践中总结发现的美的形式规律经验和抽象概括，通常包括对称均衡、调和对比、比例、节奏韵律和多样统一几部分。通过研究形式美法则，能够培养出人们对形式美的敏感度，从而指导人们在后期实践活动中创造美的形态，掌握形式美的法则，使人们更自觉地运用形式美的法则表现美的内容，最终设计作品表现出美的形式与内容的高度统一。切削法造型设计的目的是直接作用在产品上，要求的是造型的过程，产品通过切削方式对造型进行去除，从而创造出最优最适合的并具有美的特征的造型产品。

在船舶造型中常用到形式美的法则来进行切削法造型，在设计的草绘阶段和油泥制作阶段，为了试验和设计出最优最具美感的造型，会运用已有的美学知识和经验进行标记切削造型，再经过反复的优化对比，从而设计出最符合要求的造型。在船舶整体造型设计中，船舶主线条是构成船舶造型的重要元素，通过线条造型的对比变化，会产生不同感觉的造型风格，这些就是形式美中韵律与节奏的展示，再通过对比与微差的合理切削使用，会形成不同风格造型的船舶形体。在船舶设计中，比例关系也十分重要，形式美法则中比例所研究的就是长、宽、高三个方向的位置关系，在设计中常用“空间体量”来表达，船舶设计的比例关系决定着船舶美观性和船舶在水中的平衡性，产品的比例关系失衡会造成美观性下降，导致整体造型不协调，被客户的认可度不高。

因此，运用切削法进行产品造型时，需要遵循形式美法则进行设计，并借鉴形式美法则所累积的形式美数据，来保障通过切削方式得到的造型产品具有美的特质，并符合消费者的审美需求。

2.2 切削法在船舶设计中应符合人机工学

切削法造型作为一种造型方法，追求的是造型的高效和准确，换句话说就是造型的最优化，要求造型形态满足使用者的审美需求和使用功能，同时切削法造型的产品落脚点是使用者（人）。而人机工学主张的以人为本和系统最优化原则与切削法造型所追求的高效和准确造型的结果是一致的，一方面人机工程学研究的关于人的数据对切削造型法提供数据支撑，使得利用切削法设计的产品更加合理化；另一方面人机工程学对使用环境中人的心理和生理的研究为切削法提供了设计的准则，确定了人在各种造型空间环境中的舒适范围和安全限度。

人机工学的本质是在人不需要精神和身体主动适应的前提下，让产品在使用的时候最大限度地契合人体自然形态，所以在设计使用产品时都应充分考虑人机工学，使得产品的造型与人机工学完美结合。如船舶驾驶控制中心造型设计中就充分利用人机工程学来进行设计，首先驾驶室需要满足使用者的使用要求和符合国标，在利用切削法设计时，需要充分利用人机工程学来确定驾驶室的室内活动空间和容身区设计。在驾驶室内细节造型上也要充分运用人机工程布置，如操控台显示仪表设计布置，驾驶座椅设计，方向盘和操纵踏板设计以及操纵台及按钮等都应尽量满足人机工程要求，并利用整体系统的思维来进行设计。

在产品造型中，人机工程学与切削法造型是相互促进的关系，一方面人机工学为切削法能准确快速的造型提供了合理的数据依据和以人为中心的整体系统设计思维；另一方面通过切削法造型设计的复杂曲面造型也带来很多人机关系问题，这些人机关系问题推动人机工程学去发展，使得人机工程学在优美的曲面造型和良好的人机关系寻找到最优平衡点，因此好的切削设计产品应符合人机工学。

2.3 切削法在船舶设计中应遵循整体设计思路

切削法作为一种设计方法，遵循的是化整为零的造型思路，即先确定产品大体形状寻找出规则的形体，然后根据需求对形体进些切割，先切割出大体的造型再对细节部位进行优化从而得到削切造型体，削切法设计过程与工业设计中油泥模型的制作有很多相似。产品设计中利用整体设计思路进行建模设计时常采用自顶向下的方式，先搭建整体的框架和坐标系，然后开始分析规划产品，在建模之前已确定好了产品的风格。为了提高船舶总体设计的设计效率，切削法在船舶设计中应遵循整体设计思路，充分考虑船舶各设计节点之间的联系，当设计节点修改时，要有效地对设计方案进行即时的反馈和修改，以保障布局的合理性，有效把控整体设计过程，减少设计中的出错率。

3 切削法在船舶设计中的应用

3.1 切削法在船舶整体外型设计中的应用

优秀的船舶外观设计，需要兼顾美观性和实用性两个要素，船舶的形态需要展现出船舶的风格特色，在实践中常用总体与部分的比例、线条走势等来反映。通过把削切法引入到船舶外型设计中，一方面采用切削的方式结合形式美学及人机工学理论和经验能更快速地得到符合前期规划的目标产品，从而缩短前期开发时长，提高企业新品开发的效率，同时形式美学及人机工学的科学数据能保障提升船舶整体设计科学合理性；另一方面，切削法采整体切削设计思路，使得建模设计出的船舶产品结构更为合理。在船舶外观造型设计中，切削法设计的具体设计流程如下，首先按照设计需求确认好船体的核心工作部件以搭建船舶形体的大体形框架，然后开始分析规划产品，确定船舶形体风格，再根据整体造型结构进行主体曲面建模规划，当船舶主体产品切削完成后再对船舶细节做造型优化设计。利用切削造型法进行船舶外观造型设计时，需要有清晰合理的三维造型思路，并且在切削造型过程中人机工学数据和形式美法则经验指导着船舶产品的具体走形，使得设计的船舶外观符合产品开发初期的规划要求。

3.2 切削法在船舶舱室布局设计中的应用

船舶舱室布局设计包含船舶家具设备布置和各层甲板按功能需求进行空间布局划分，因为船舶舱室设计节点多且关联性强的特点，在船舶舱室实际设计中经常会因为船舶主体的改动和输入源的变化而改变整体舱室空间布局，另外船舶舱室空间设计需要展现空间的独特魅力和高雅品质，充分考虑船员在特定环境中的心理和生理需求，尽可能减少环境对船上人员心理的负面影响，营造自然、和谐的工作生活环境，针对以上船舶舱室布局设计的重点问题引入切削法设计进行优化设计。在船舶舱室布局设计中，需要根据已有的船舶形体在深入研究用户需求后，利用切削法的整体设计思路，根据通道位置、楼梯位置、舱室功能布局位置进行划分，最大化利用空间尺寸，优化空间布局，并建立具有层级关系的参数化模型，并对模型进行划分，绝对位置模型是固定的，相对位置模型可在人机工程约束进行调整，当设计方案需要调整时，可以全方位有层次的进行修改优化设计。另外，利用削切法对舱室设备布局和家具布置进行设计，可有效避免设备家具干涉问题及安全通道占用问题，提高设计方案的合理性。因此，削切法的使用在提升船舶舱室美观实用性的同时可有效缩短传统的舱室布置设计周期，提高舱室活动空间利用率提升设计质量。

4 结语

在未来船舶设计中，先进设计方法支持下的数字化船舶智能制造是增强我国船舶设计建造水平、提高竞争力的必由之路。切削法作为一种产品造型方法，是理性科学与感性创造融合的产物，利用切削法造型设计的产品既包含着艺术要素也遵循科学理论，能保障最终产品造型的准确定位同时缩短前期设计开发时长，这些优势使得切削法在未来船舶产品设计中会被广泛使用，通过切削法设计既可以使设计师的设计理念和想法快速的表现在船舶产品上，又可以精确把控最终船舶产品的科学合理性以满足消费者的多层次需求。