感性工學(xué)下的民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì)

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概述

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)初步建立起了比較完善的研制生產(chǎn)當(dāng)代直升機(jī)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，基本滿足了部隊(duì)裝備和國防現(xiàn)代化建設(shè)的需要。隨著我國低空空域管理的逐步開放，民用直升機(jī)的總體需求也在逐年增長。但是，目前我國民用直升機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展相較于市場需求有些滯后，這是由于除功能使用之外，用戶對于民用直升機(jī)的審美和服務(wù)都提出了更高的要求。因此，國內(nèi)直升機(jī)企業(yè)應(yīng)加速提升自主創(chuàng)新研發(fā)能力，提高自身市場競爭力，搶占國內(nèi)民用直升機(jī)市場。目前，大多數(shù)學(xué)術(shù)研究主要關(guān)注于直升機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和性能提升，對于直升機(jī)外觀造型的研究則少之又少。因此，本文擬引入感性工學(xué)的研究方法對直升機(jī)的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。由于該方法在前期需要收集大量有鮮明造型特點(diǎn)的直升機(jī)圖片，而且對于用戶的選擇范圍比較寬泛，不適用于軍用直升機(jī)，故而本文主要針對民用直升機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

感性工學(xué)理念

“感性工學(xué)”一詞由馬自達(dá)汽車集團(tuán)前會長山本健一先生，于1986年在美國密西根大學(xué)發(fā)表題為《汽車文化論》的演講中首次提出。感性工學(xué)是一種應(yīng)用工程的定量化手段來研究人的感認(rèn)知性與物的設(shè)計(jì)特性間關(guān)系的理論。一件好的產(chǎn)品不光要滿足用戶對其功能上的需求，更要在形態(tài)上貼合用戶的認(rèn)知，引起用戶的情感共鳴。因此，感性工學(xué)這門學(xué)科才會應(yīng)運(yùn)而生，它量化用戶的情感因素，將這些模糊不明的感性需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要素。由于感性工學(xué)是一門比較新的學(xué)科，因此還未有統(tǒng)一的分類方式。在此，只列舉最為經(jīng)典的日本學(xué)者長町三生教授的分類方法。1）類別分類法：該方法首先明確產(chǎn)品策略，經(jīng)由各式行業(yè)曲線可替代度影響力可實(shí)現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實(shí)度感性信息，凝聚成產(chǎn)品概念，再從產(chǎn)品概念（第0次元感性概念）向下逐次展開，直到最后出現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體物理參數(shù)為止。2）感性工程系統(tǒng)法：該方法建立一個(gè)由感性詞匯數(shù)據(jù)庫和意象數(shù)據(jù)庫所組成的專家系統(tǒng)。建立這樣的可逆系統(tǒng)后，即可進(jìn)行用戶感性認(rèn)知與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素之間的轉(zhuǎn)譯工作，來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。此種方法可以分為“順向型感性工學(xué)系統(tǒng)”與“逆向型感性工學(xué)系統(tǒng)”兩大類型，前者是將用戶的感性需求譯為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要素，再指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)工作；后者是將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)譯，反向評估設(shè)計(jì)方案可能激發(fā)的用戶感性需求。本文擬采用順向型感性工學(xué)系統(tǒng)方法指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)，其具體技術(shù)路線如圖1所示。3）混合感性工程系統(tǒng)法：該方法是將上述順向型及逆向型兩種系統(tǒng)整合為一個(gè)可雙向轉(zhuǎn)譯的混合系統(tǒng)。4）感性工程模型法：該方法是建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型，來構(gòu)造感性因素。5）虛擬感性工程法：該方法是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以各種仿真設(shè)備模擬出多媒體虛擬空間，分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)構(gòu)想。由于感性工學(xué)的方法適用范圍較廣，近些年來已經(jīng)在汽車的造型研究上取得不小的進(jìn)展，極大地提高了造型表達(dá)效率。鄭先鋒等將汽車外觀進(jìn)行要素分解，進(jìn)而通過問卷分析用戶的興趣點(diǎn)要素排序，篩選出用戶關(guān)注度高的要素進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，但問卷選擇的專業(yè)用戶數(shù)量較少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說服力不足。姚湘等將汽車側(cè)面車身進(jìn)行抽象簡化，研究用戶的感性認(rèn)知和汽車的造型元素之間的關(guān)系。由于針對汽車的造型分解和用戶定位不能直接應(yīng)用于直升機(jī)上，因此需要改進(jìn)感性工學(xué)的研究方法，重新分析民用直升機(jī)的造型元素和用戶興趣點(diǎn)，使其適用于民用直升機(jī)的造型設(shè)計(jì)。

民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì)流程

以往的民用直升機(jī)設(shè)計(jì)流程分為4個(gè)階段，如圖2所示：①明確直升機(jī)的設(shè)計(jì)定位，調(diào)查潛在使用用戶需求和同類競爭機(jī)型情況，吸取現(xiàn)有成功機(jī)型的亮點(diǎn)和技術(shù)，擬定獨(dú)有的創(chuàng)新點(diǎn)或賣點(diǎn)；②結(jié)合前期調(diào)研階段的諸多信息，如各項(xiàng)參數(shù)特征、重量、交點(diǎn)數(shù)據(jù)等，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，繪制概念草圖方案，經(jīng)過多輪討論完善二維方案；③將二維草圖落實(shí)成三維曲面模型，在保證原有設(shè)計(jì)思路不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修正外觀造型，完善初期設(shè)計(jì)方案；④根據(jù)各系統(tǒng)的新增設(shè)備要求或者駕駛艙人員布局進(jìn)行多輪的工程化迭代，同時(shí)進(jìn)行機(jī)身整體的氣動阻力優(yōu)化，進(jìn)一步調(diào)整造型設(shè)計(jì)。由于在以往的設(shè)計(jì)過程中，許多造型的細(xì)節(jié)問題不能被一次性統(tǒng)籌考慮到，會造成直升機(jī)在開發(fā)過程中反復(fù)進(jìn)行無用的設(shè)計(jì)外形迭代，引起項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間過長、產(chǎn)品造價(jià)過高等問題。而基于感性工學(xué)的造型設(shè)計(jì)方法就是要改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)順序，在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行介入，輔助概念草圖設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更具有方向性和實(shí)用性。具體設(shè)計(jì)流程如下：1）搜集大量民用直升機(jī)的樣本圖片。圖片的選取標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示：一是能夠清晰的體現(xiàn)直升機(jī)完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)；二是背景較為干凈，不會影響直升機(jī)主體辨認(rèn)。第一輪要去除外形相近造型的直升機(jī)，選出具有代表性特征的直升機(jī)圖片。由于此次進(jìn)行的是造型研究，因此第二輪要排除非造型因素的干擾，對圖片進(jìn)行去色處理，以供后續(xù)問卷使用。2）搜集形容民用直升機(jī)的感性意象詞匯，初期通過雜志翻閱、市場調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)獲取等多種渠道盡可能多地搜集描述性詞匯，然后經(jīng)過合并同義詞、刪除貶義詞等操作篩選詞匯，這樣可以有效提高感性詞匯選擇上的準(zhǔn)確性，最后選出以下具有代表性的詞義相反的感性詞匯對。由于過多的形容詞將會使受試者產(chǎn)生厭煩心理，使測試結(jié)果失去真實(shí)性，因此在進(jìn)行下一步問卷調(diào)查時(shí)，需要通過集群分析或小組討論等方法對這些形容詞對進(jìn)行篩選，留下5~10組最能精準(zhǔn)描述該類型機(jī)的形容詞。3）建立語義空間，結(jié)合上一步得到的感性詞匯對構(gòu)建7級語義差分量表。在進(jìn)行受試者選擇的時(shí)候，可以選取民用直升機(jī)的意象購買人群、有駕駛經(jīng)驗(yàn)的飛行員或從事直升機(jī)相關(guān)工作的設(shè)計(jì)人員等，綜合普通用戶和專家用戶的意見，對照直升機(jī)的樣本圖片進(jìn)行問卷調(diào)查，以此來說明不同直升機(jī)造型帶給用戶的感性趨勢。4）提取民用直升機(jī)形態(tài)要素，對直升機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)如艙門、風(fēng)擋玻璃、動力艙整流罩、平垂尾等零部件進(jìn)行粗略劃分，結(jié)合專家意見將民用直升機(jī)可辨識的形態(tài)要素和造型處理用線描的方式突出標(biāo)示出來。進(jìn)而通過上一步的問卷調(diào)查結(jié)果確定對用戶感性認(rèn)知影響較大的主要形態(tài)要素。下面以一張中型直升機(jī)的側(cè)視圖分析民用直升機(jī)的通用結(jié)構(gòu)。5）研究感性詞匯與形態(tài)要素之間的對應(yīng)關(guān)系，針對不同的形態(tài)要素建立進(jìn)一步的問卷調(diào)查，分析各項(xiàng)形態(tài)要素是如何影響用戶的感性評價(jià)以及影響程度等，以此來指導(dǎo)后續(xù)直升機(jī)的造型設(shè)計(jì)。在具體實(shí)踐中，可采用灰色關(guān)聯(lián)分析、最優(yōu)尺度分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

實(shí)例驗(yàn)證

以AC300型機(jī)為例進(jìn)行感性工學(xué)的造型設(shè)計(jì)實(shí)踐，在設(shè)計(jì)初期，敲定競速頭盔作為該型機(jī)的靈感來源，形態(tài)轉(zhuǎn)換的線條見圖6所示。不僅是因?yàn)閮烧呔哂邢嗨频牡妥杌庑?，還因?yàn)樾阅苌弦灿邢嘟?。一是，為避免增加用戶的載重負(fù)擔(dān)，頭盔的重量都盡可能輕，契合了超輕型直升機(jī)輕巧靈活的重量級特征和減輕自重的實(shí)際需求。二是，頭盔作為一種頭部護(hù)具，具有較好的減震防護(hù)作用，出于以人為本的設(shè)計(jì)原則，在滿足功能需求的前提下更需要保護(hù)好用戶，這也符合了直升機(jī)的安全性要求。隨著設(shè)計(jì)思路的確定，引入基于感性工學(xué)的民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì)方法來完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。具體實(shí)施流程如下：1）搜集超輕型直升機(jī)的樣本圖片。由于超輕型直升機(jī)的起飛重量較小，整個(gè)機(jī)體設(shè)計(jì)較為緊湊，因此相較于側(cè)視圖，其他視圖角度的造型趨于同質(zhì)化，線條沒有大的轉(zhuǎn)折變化，給用戶的觀感區(qū)別不大。本文全部選取側(cè)視圖角度的樣本圖片進(jìn)行對比分析。在去除相近造型、去色處理之后，選取出8張樣本圖片進(jìn)行后續(xù)的調(diào)查使用。2）經(jīng)過兩輪篩選，選出5組形容超輕型直升機(jī)的代表性感性詞匯對：“個(gè)性的－大眾的”、“視野寬闊的－視野局促的”、“圓潤的－硬朗的”、“流線型－幾何型”、“輕盈的－穩(wěn)重的”。3）結(jié)合上一步得到的5組感性詞匯對構(gòu)建7級語義差分量表。由于目前為初步設(shè)計(jì)階段，因此選取30名直升機(jī)設(shè)計(jì)人員作為問卷調(diào)查的對象，對照8張樣本圖片進(jìn)行問卷調(diào)查。4）提取超輕型直升機(jī)形態(tài)要素，確定以下5個(gè)形態(tài)要素可能會對用戶的感性認(rèn)知造成較大的影響：風(fēng)擋玻璃、艙門玻璃、艙門、座艙罩、尾部整流罩。5）分析感性詞匯與形態(tài)要素之間的對應(yīng)關(guān)系。風(fēng)擋玻璃需要給用戶提供足夠的視野，與艙門玻璃一起，兩者的造型設(shè)計(jì)可以聯(lián)動考慮，設(shè)計(jì)為弧形。艙門的造型要與整體座艙罩造型相協(xié)調(diào)，弧線的設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)直升機(jī)整體造型的圓潤流線之感。半包裹式的尾部整流罩既可以包住發(fā)動機(jī)，盡可能減少風(fēng)阻，又可以承接座艙罩下方的流線線條，更好地體現(xiàn)整體的流暢感。根據(jù)感性工學(xué)的研究方法進(jìn)行AC300型機(jī)的造型設(shè)計(jì)，縮短了近1/4的開發(fā)周期，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)失敗風(fēng)險(xiǎn)，減少了生產(chǎn)制造成本。在最終的設(shè)計(jì)成品中，整體座艙罩近似蛋形，舍棄了概念設(shè)計(jì)的特征曲面，保留了圓潤光滑的曲面。由于前期試驗(yàn)表明，光機(jī)身是產(chǎn)生全機(jī)阻力的主要部分，因此，重點(diǎn)對機(jī)頭進(jìn)行了減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持原有造型思路不變的前提下，增大側(cè)視圖曲線的曲率，收窄座艙機(jī)身的寬度。此外，為使直升機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下也能體現(xiàn)出速度感，對擋風(fēng)玻璃和艙門玻璃進(jìn)行聯(lián)動設(shè)計(jì)，在保證視野要求和工藝要求的前提下，做出具有美感的形面設(shè)計(jì)。尾部整流罩設(shè)計(jì)為半包裹式，承接了座艙下端的曲線，像一尾游魚連到尾梁處。

結(jié)語

本文運(yùn)用感性工學(xué)的研究方法，綜合各項(xiàng)工程量化手段，將用戶的感性認(rèn)知定量化，以此來分析用戶對于民用直升機(jī)不同形態(tài)要素產(chǎn)生的直觀心理感受，指導(dǎo)外觀造型設(shè)計(jì)，從而建立起較為完善的民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì)流程。而后通過AC300型機(jī)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行驗(yàn)證，不僅提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，而且驗(yàn)證了此方法的可行性和實(shí)用性。這種基于感性工學(xué)的民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì)研究方法，不僅為后續(xù)其他在役的民用直升機(jī)的造型優(yōu)化改進(jìn)提供了新的思路，也為未來進(jìn)行AC系列民用直升機(jī)的家族化設(shè)計(jì)提供了有力的支撐，以期創(chuàng)造出獨(dú)樹一幟的系列造型風(fēng)格。

作者：趙凱琳 石春琴 宋倩 單位：中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所