某船载设备的头罩造型改进设计

常小轩

（华中光电技术研究所 武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430073）

0 引言

随着科技与时代的进步，用户对船载设备的设计有着更高的要求。除了以往关注的功能、可靠性、环境适应性等方面外，用户对产品的造型设计也提出了更高的诉求。造型设计是工业设计的主要方面，小到手机，大到汽车，越来越受到国内厂商的重视。工业设计作为产品创新动力和提升产品竞争力的重要手段，在国内，也开始被引入船用设备领域。

就造型设计而言，船载设备和民用产品存在较大差异。首先，由于对设备可靠性的重视，加工工艺和表面处理工艺单一，以及产品工作原理的严格限制，结构形式创新变得困难。通常，产品内部的结构形式上不会有较大改变和“妥协”，而且对体积和重量的限制也比较严格，因此对产品造型创新施加了限制。其次，为了满足产品的环境适应性，如壳体的气密，水密等要求，导致一些常用的造型手段不能够得到有效的应用，如镂空，结构分形线、材料的搭配等。再者，由于材料选择、加工工艺和成本的限制，使得造型上不推荐使用复杂的曲面。最后，在色彩选择上，为了和船体本身搭配协调，一般有明确规定，不能超出其规定的范围。以上等原因，极大增加了船载设备造型设计的难度，压缩了工业设计师的造型设计空间[1]。

某型船载光电设备，现对其原有头部造型进行改进设计。要求结构合理，尽可能缩小体积。具备较好的强度、刚度，不影响原有的功能，并使其造型更符合当下审美观。

1 造型改进设计

1.1 产品整体外部结构分析

该设备整体造型近似为圆柱体，从前侧观察，左右对称。如图1 所示，Ⅱ即是本次设计要改进的“头罩”，Ⅰ是其玻璃窗口。Ⅲ为圆形平台，头罩固定其上面，要求密封配合。Ⅳ是一种软体材料制作的柱状包裹罩，其内部是圆形平台的运动支撑机构，能够让平台作任意方向倾斜。Ⅴ是圆盘状底座。根据改进要求，头罩和圆形平台的连接方式不变，即利用平台上圆周均布的螺纹孔固定头罩，此要求决定了头罩底部的结构。

从该设备整体比例上看，设计应从以下几个方面进行：①头罩应尽可能压低高度，避免“头重脚轻”的不稳定感；②造型上可以结合产品运动特点，造型上融入“动”的元素；③使头罩看起来轻盈。

图1 设备整体造型结构

1.2 原头部造型分析

如图2 所示，Ⅰ是窗口边框，四周以沉头螺钉和头罩连接，Ⅱ是保护玻璃，从内侧嵌入玻璃边框。在形态设计方法上，可以看出原造型采用分割法设计法，造型并不复杂。分割在形态表现上可以理解为是失去或分离，在体量上表现为减少[2]。原头罩以圆柱为基本形，首先切出窗口安装面A 和斜面B，然后对顶部倒斜角，接着切除4 个倾斜面。即在内部空间允许的情况下，使整体“上窄下宽”，这样，稳定感好一些。存在的不足：①A 面和B 面的“切割”过于简单，造型上的“一刀切”显得简陋，不够丰富；②窗口边框不够和四周的轮廓线融合，如图2 中的左图；③4 个C 面的切割使得造型显得“为了装饰而装饰”，不能够和产品功能相关联。

图2 原头罩造型

此外，内部机构及产品工作原理给予造型上的限制因素不容忽视。头罩内部为旋转机构组件，由于其工作原理的限制，窗口（即A 面） 和水平方向间的夹角一定。而且，窗口位置相对于内部组件不能改变，此要求决定了窗口下边缘和头罩底端的竖直距离H，以及水平方向上的窗口与内部组件旋转轴线的距离L。上述限制条件，基本决定了头罩的基本造型，剩下的造型改进空间较小。

1.3 造型改进分析

根据尽可能缩小体积的要求，宜采用分割法。分割法一般从一个抽象几何形态开始分割，既可减少造型特定位置的体积，又可以产生富有变化的造型。根据原造型的分析，主要从以下几个方面来优化造型：①将B面减小并和A 面适当地“分离”开来，立体化处理，打破和A 面的“一刀切”；②将A 面立体化处理，打破“大平面”；③简化C 面，使其更简洁；④将窗口边框的轮廓调整，使之和整体协调；⑤局部的修饰，增加细节。

2 造型在软件中的实现

Pro/E 是一款功能强大的参数化建模工具，应用广泛。Pro/E 的参数化建模方法，易于修改模型，适合在造型设计过程中反复调整与修改，而不至于“前功尽弃”。此外，它的“抽壳工具”在壳体造型设计中起到关键作用。

2.1 基本造型建模

根据内部机构的大小和运动轨迹，来确定基本造型，确保不干涉内部组件的情况下，让形体做到最小。首先，执行“旋转”命令，根据“形式追随功能”的设计原则，轮廓截面积要尽量贴合内部组件的空间布局。但由于前后方向需要更多的空间，因此，只旋转半周，再利用形成的边界轮廓执行“拉伸”操作。接下来，同样用“拉伸”的方法切割出窗口所在的斜面。同样，用拉伸的方法拉伸出法兰面和局部所需的空间。此时，已经确定了基本造型。

2.2 局部处理

由于B 面的高度遮挡窗口的视场，因此要进行适当的切割，切割后并倒圆角处理。根据此前的造型分析，A面应打破“大平面”，所以，造型上可以采用切割的方式来切出更动感的造型。本设计采用“扫描”工具，对窗口两侧进行对称的切削。首先，画出曲线的扫描轨迹，依次执行 【插入】、【扫描】、【切口】，画出截面图形，效果如图4 所示。

接下来对造型的细节进行处理，尤其是对倒角大小把握要适当，小的倒角可以使面的边缘看起来更加犀利，干净，利落，大的倒角起到模糊边界线条的作用，看起来更缓和一些。

当主要的造型特征都生成完毕后，此时执行“抽壳”，命令。抽壳成功后，根据窗口的大小，留出窗口的位置，如图5 所示。为了让B 面更加丰富，可适当地做一些装饰，如加入LOGO，或者功能的性的符号等，应简洁大方，避免装饰效果过于繁琐，遵循“少即是多”的设计原则[3]。

图3 造型步骤示意

图4“抽壳”前

图5“抽壳”后的局部处理

2.3 窗口边框设计

窗口边框可以单独从壳体外面装卸，这样设计能方便对玻璃的维护，同时起到保护玻璃的作用，也起到装饰的作用。结构如图6 所示。

为了使窗口边框的外轮廓和A 面的边缘轮廓完全吻合，在草绘里提取了A 面的轮廓线，并保存为截面文件，在创建玻璃窗口边框时直接导入该截面文件进行创建。经打孔和倒角，最后装配螺钉后，如图7 所示。

图6 窗口结构

图7 最终装配效果

3 模型渲染

为了更直观地考察产品真实效果，需将模型渲染出高品质图片。渲染过程在V-ray 渲染器插件里完成，该渲染器以插件的形式集成到Rhino4.0 环境里。V-ray 渲染速度快，效果逼真，应用于工业设计、建筑设计、室内设计、动画设计等多个领域，尤其适合渲染工业产品。主要操作步骤如下：①将Pro/E 模型导出，保存副本为“step”格式，导出选项中选择“实体”；②再进入到Rhino4.0 执行“import”命令，导入“step”文件；③由于从Pro/E 导出的Pro/E 组件为一个整体模型，需要将其打散，然后再将各个独立零件再重新粘接，这样方便赋予不同零件以不同材质；④进入材质编辑界面，设定出需要的几种材质。这里根据模型需要分别设置了玻璃材质、外壳材质、橡胶材质、地面材质。根据设计要求，为了让外壳材质更接近标准的海灰 色，取 色 值RGB 分别为：164，193，200；由于环境贴图模拟环境光的作用，不同贴图的色温不同，应根据实际情况作出适当的色值调整。不同材质表面的反射强度和光滑度不同，主要通过材质编辑器中的“Reflection”选项里的各个参数来调节。光滑的漆面需加入“菲涅尔”反射贴图，再通过调节它的具体参数来控制反射效果。

图7 选取色值

图8 材质编辑器

图9 Environment 设置栏

图10 渲染效果

图11 侧面效果

（1）将材质赋予各个零件。

（2）设置渲染器的各个参数。主要设置了计算方法与渲染精度。

（3）设置“环境”栏的“background”选项，加入环境贴图，用来模拟更好的反射效果。

（4） 搭建场景，调整观察角度。设置所需的图片输出大小（output size）。最后执行“渲染”命令，待渲染完毕，保存图片。

4 结论

分割法是一种常见的造型设计方法，能够有效地处理造型元素中的点、线、面之间的关系。国外军品造型设计也多数使用此方法来设计，在三维造型设计软件中也不难实现。其难点在于对线条，比例，平衡等形式美法则的把握。因此，工业设计师除了要具备扎实的造型理论基础外，更重要的是具备成熟的设计眼光，即对造型的整体把握能力，以及对造型细节的处理能力。这需要设计师在长期的造型实践中积累一定的审美经验，才能设计出优秀的船用工业造型。

[1] 生建友.某船载电子设备的造型与结构设计[J].舰船电子工程，2010，4.

[2] 陈汗青.产品设计[M].武汉：华中科技大学出版，2005.

[3] 吴学群.舰船电子设备中的工业设计[J].舰船电子对抗，2003，2.