浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用

赵文迪， 刘静华， 梁建宏， 王田苗， 杨兴帮， 姚国才

（北京航空航天大学工业设计系，北京 100191）

浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用

赵文迪， 刘静华， 梁建宏， 王田苗， 杨兴帮， 姚国才

（北京航空航天大学工业设计系，北京 100191）

水空两栖跨介质无人航行器是近年来研究的热点，该航行器预期实现水下潜伏，跨水空介质状态转换和空中飞行这3种航行状态，存在着变密度、结构转换、动力转换等技术问题亟待解决。自然界中存在着可以自由穿梭于水空环境中的生物，将具有这种飞行本领的生物作为仿生对象，并进行系统研究，对突破跨介质无人航行器的关键技术研究有着重大意义。在介绍“鲣鸟”水空两栖跨介质无人航行器这一产品在工业设计流程中的仿生设计研究的基础上，对仿生设计的研究方法进行创新，阐述CAD技术在仿生设计中的应用方法及重要作用。

仿生设计；产品设计；CAD技术；跨介质航行器；鲣鸟

1 设计研究背景

1.1 仿生设计

在20世纪60年代，仿生学作为一门独立的学科正式诞生[1]。其旨在通过学习与研究大自然，使得人类的技术系统更加可靠、灵活，并达到低消耗高产出，提高工作效率，延长使用寿命。

仿生设计学注重研究自然界生物系统中的优秀进化，包括各种功能结构、外观色彩形态、神经控制传感等等各种生物特征及其原理，并有选择地将它们整合应用于人类的造物设计过程当中[2]。

在当今产品的工业设计流程中，仿生设计的应用得到普遍关注。关于产品的仿生设计，德国著名设计师Luigi Colani曾说过这样的话，“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理中[3]。”产品的仿生设计主要有以下几个发展方向：功能、形态、结构、色彩、机理等多个方面[4]。

在水空两栖跨介质无人航行器近年来的研究中，仿生的概念被多次提出，如图1所示的美国国防高级研究计划局(DARPA)研发的“鸬鹚”号无人航行器，密西根大学 2009年研制的能在海面自主起降的无人飞行器“飞鱼”号，以及北京航空航天大学 2010年研制的“鱼鹰”跨海空界面飞行器。然而，这些研究中的“仿生”只停留在对生物体抽象概念上的比拟，并未对生物本身进行功能及运动上的仿生研究，现有的跨介质无人航行器至今仍没有实现水空介质间的快速穿梭。因此，在这一研究中，对生物系统工作原理的机理研究至关重要。

图1 “鸬鹚”号无人航行器

现代仿生设计逐步从单纯地模仿生物体造型和赋予产品美好的语意，发展为研究生物运动的机理和结构特征，从而寻找到功能和关键技术的突破。然而，仿生设计，这一工业设计中的重要设计方法，具有以下特点：生物体形态不规则，结构复杂，运动参数难以获取等[5]。如何有效地研究仿生对象，分析其适应方法、存活方式以及自我更新的方法，成为仿生研究中的关键问题。下文将运用CAD(Computer Aided Design)技术进行生物体仿生机理研究，新的仿生研究方法对深入研究生物体形态特征、结构运动等方面有着重要的意义。

1.2 CAD技术

CAD技术，早在19世纪50年代末期被提出。现今，CAD技术已广泛地应用于生产制造、工程设计等多个领域。在传统生产过程中，CAD技术的应用大大提高了生产效率，为之带来了巨大的社会经济效益，并对传统的产品设计流程与生产模式产生了巨大的影响。可以说，它是综合了计算机技术、工程设计、生产制造而形成的一门综合性新兴学科。

目前，在工业设计流程中，CAD技术主要应用在实现设计中的后期活动，有一些活动还难用CAD技术来实现，例如设计的需求分析、可行性研究及机理研究等前期设计研究过程，如图2所示。

图2 CAD技术在工业设计流程中的角色

CAD技术的应用，可将实体的生物虚拟化，将复杂的结构简单化，将庞杂的关系数据化，将脑中的概念可视化。因此，针对仿生研究中的形态不规则以及结构复杂等诸多问题，CAD技术的应用十分重要，可广泛应用于数据提取、分析、仿真以及概念设计表现的过程中[5]。使得仿生过程不局限于观察与单纯模仿，而是深入分析其工作原理，提取可应用的优势结构和物理学、生物学特征，并与产品特点相结合。

下文以设计对象“仿鲣鸟跨海空界面航行器”的初期设计研究、可行性分析和机理研究为例，研究数据的采集、处理和三维建模。探索CAD技术在创新仿生研究方法中的应用及作用，以及它在工业设计流程中的角色扩充。

2 产品前期设计研究过程

前期设计研究过程是指，在设计建模仿真之前的设计过程，包括：需求分析、可行性分析、机理研究以及初步概念设计等。其中仿生研究在可行性分析、机理研究过程中。

2.1 产品仿生对象选择

在军事上，人类虽然已经研制出可以在水下隐蔽航行的潜艇以及能在空中长时间滞留的飞机[6]，但是还未实现一种可以快速、自由地出入于大海、天空界面之间的航行器。

潜艇是一种极其有效的作战武器，隐蔽性和突然性显著，能给水面舰艇、战略目标以出其不意的致命打击，在海域作战中起到重要作用。而战斗机具有极强的空中袭击能力，并可以快速转移。同时，水下飞机的高速航行可以达到40～45节的航速，这样的航速是潜艇无法睥睨的。水下飞机的灵活性也超出一般的航行器，可以做翻滚、俯冲、侧滑等机动动作，这使得在遇到鱼雷的攻击时，可以有效躲避鱼雷的攻击[7]。因此，飞行器与潜艇的结合必将掀开海空多维立体作战的新篇章。

在跨介质无人航行器的研发基础上，研究可载人、可入水亦可腾空的水陆飞行器具，对提升我国海空作战能力有着重大意义。可满足作战中的多种需求：例如，水下潜艇突击作战，海上空军躲避导弹，不定期空中情报收集，空军与潜艇人员对接等。跨介质航行器的军事应用前景广阔，不仅在无人勘探方面具有市场潜力，也能应用于空中物资、人员的运输方面，并在突击作战方面发挥着极大作用。设计对象水空两栖跨海空界面航行器，是一款可以快速穿梭于水空两种介质的无人机，它的特性与生物界中的一种鸟类颇为相似，即鲣鸟。

鲣鸟是一种常见于南海诸岛的大型海鸟，捕鱼能力极强，因渔民习惯于跟着它们追捕鱼群，而被称为“捕鱼导航鸟”[8]。鲣鸟的捕鱼能力主要源于它的两种特殊本领：一是，当锁定捕食目标后，急速从空中俯冲入水，让鱼群无法躲避。二是，它具有良好的水下行动能力和重新飞向空中的本领。

概况而言，鲣鸟能通过身体姿态的改变，快速调整运动轨迹，从而实现海空界面的自由穿梭。其入水场景及姿态如图3～5所示。

图3 鲣鸟集体捕食时的入水画面

图4 鲣鸟入水实拍图

图5 鲣鸟入水过程示意图

将鲣鸟作为水空两栖跨海空界面航行器的仿生对象，对航行器技术难点的攻克有着极大意义。研究内容主要包括：运动轨迹研究、骨骼结构研究、入水速度与受力关系研究、翅膀入水后掠倾角与受力关系的研究等。

鲣鸟的跨介质飞行能力可以很好地应用于跨介质无人航行器的研究。通过对其生物特性的研究，可以从3个方面进行仿生设计：①功能仿生：通过对生物体行为及目的的研究，提炼出功能模块，并进行设计。②结构仿生：通过研究生物体构造，简化结构模型及运动模型，研究结构合理性。③形态仿生：通过生物形态研究，探索形态合理性并进行造型设计。

以上的仿生研究不在是单纯的语意、形态上的比拟，而需要对鲣鸟进行可测量的分析。只有运用CAD技术，才能实现生物体的逆向工程建模、力学分析、数据分析以及概念设计呈现。下文将对仿生对象鲣鸟的功能、结构、形态等方面研究[9]，引入 CAD技术在设计前期中的作用，以及对仿生研究方法的创新突破。

2.2 CAD技术在航行器仿生研究中的应用

2.2.1 形态研究

在形态分析的研究过程中，主要应用 CAD逆向工程研究方法，结合测量数据，完成生物体三维模型的建立，进而为下一步的研究与分析做准备。主要步骤是：通过三维激光扫描仪进行生物体体征的形态扫描，利用Imageware逆向工程软件生成曲面模型，建立初步水禽模型。进而根据生物鲣鸟的实测体征数据，再通过 Rhinos、SolidWorks等三维建模软件对鲣鸟外形进行逆向建模，得到其三维仿真数字模型。

由于鲣鸟属于国家二级保护动物，本实验中未能直接采用鲣鸟进行逆向工程数据的采集。实验找到同为水禽，并且与其形态具有相似性的家鸭，先通过对家鸭的逆向工程建模，实现初步水禽模型的建立。然后，再用真实测量的鲣鸟体量数据，对水禽模型的参数在计算机中进行修改，建立鲣鸟仿真模型。建模过程如下：

首先，对生物体进行处理，使其表面光洁，便于数据提取。利用单幅测量精度0.02mm的三维激光扫描仪对生物体进行扫描，如图6所示。进行扫描后，得到点云数据，如图7(a)所示，生成初步水禽模型，如图7(b)所示。

图6 通过三维激光扫描仪对生物体进行扫描

图7 点云数据图与初步水禽模型

然后，在计算机中，对初步水禽模型的体征参数进行调整，使其与真实的鲣鸟体征数据吻合，从而进行鲣鸟三维仿真数字模型的建立。结合鲣鸟入水姿态，通过 SolidWorks以及 Rhinos等CAD三维建模软件对初步模型进行二次建模。模型的姿态与形体特征参数设计都依据自然界中生物鲣鸟的数据所设置，其中，鲣鸟体长为89cm，质量为3.286kg[10-12]。

建模的主要方法如下：将所得的初步水禽模型导入Rhinos软件，根据鲣鸟真实数据进行模型修改，使用双轨放样等工具生成新的曲面，再导入SolidWorks软件，使用其中的高级曲面工具，对所生物体形态多边形模型进行剪裁、修正等操作，从而形成封闭的曲面外形。最后，利用软件的曲面构造实体功能得到生物的体模型，如图8、图9所示。完成实体模型建模以后，利用SolidWorks的质量特性测量工具即可得到体模型的体积数据，体积参数为 7027.1cm3，与真实测量的成年鲣鸟数据相符。

图8 应用Rhinos软件对生物形态建立模型

图9 应用SolidWorks软件对生物形态建立模型

其中，逆向工程的CAD建模过程，主要分为以下3个步骤：①量化形体特征：将生物体的形体特征量化为表面每一个点的空间坐标值。②采集量化数据：应用激光扫描仪采集点坐标的空间坐标值数据，形成点云。③重建三维模型：利用CAD技术，将分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的虚拟三维模型。

这种利用反求的方法进行产品设计研究以及新产品开发，在工业设计领域中将得到广泛运用，实为CAD技术应用于设计前期研究的范例。与此同时，CAD逆向建模方法也被广泛应用到仿生学上，是科学家对生物体进行深入分析乃至仿生运用的通用手段。由于鲣鸟属于国家二级保护动物，本实验中未能直接采用鲣鸟进行逆向工程数据的采集，但CAD技术仍在仿生研究中发挥了作用，它加快了建模速度，让模型更贴近水禽的普遍形体特征，只需要在计算机环境中，按照采集的鲣鸟真实形态数据，对模型数据进行修改和重建就可以得到鲣鸟的仿生模型。

应特别说明的是，如果是在能够获得研究对象生物体的前提下，可以通过逆向工程直接采集生物体数据，并直接建模。本实验仅仅验证了这一方法的可行性，同时对实验本身起到了快速建模、便于修改的作用。

鲣鸟仿真模型将进一步应用于计算流体力学分析中，探索鲣鸟形体以及翅膀后掠对入水过程的影响，进而指导设计过程。使用生物仿真模型进行研究的方法为详细获取大量数据提供了可能性，同时避免了对动物的伤害。

2.2.2 流体力学分析

得到的形态三维数字模型将进一步应用于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析中，从而得出形态设计可行性分析数据[13]，例如使用 FLUENT分析软件对模型进行瞬态动力学分析等。CFD流体力学仿真分为3个步骤：前期处理、求解器和后处理，如图10所示。

图10 CFD流体力学仿真步骤

在求解器中，将鲣鸟入水视为自由落体，设定参数如表1所示。

表1 鲣鸟入水相关数据

之后，对三维模型进行网格划分，如图11所示。

图11 三维模型网格化分

然后，通过UDF（用户自定义变量）设置计算方程，然后通过FLUENT软件得到研究结果。其中，方程如下：

F(t)为模型在垂直方向上的受力，P为压应力，τ为切应力，F为压应力与切应力在垂直位移 S上的积分。从而得出加速度a与速度v的公式。

随后，FLUENT软件通过运算，得到研究结果，其中包括入水压力分布情况等，如图12所示。

图12 CAD模型应用于CFD分析中的入水压力分布示意图

2.2.3 结构研究

完成仿生形态分析之后，需对生物体结构进行进一步剖析，根据其运动方式及骨骼特质找出关键结构，并对关键结构进行实验样机的实验设计，从而探索鲣鸟在飞行以及入水过程中的奥秘，为跨介质航行器的仿生设计提供可行性的理论依据。

首先，对鲣鸟的骨骼结构进行分析，图13中是鲣鸟骨骼标本的实拍图片。通过对鲣鸟骨骼标本的观察与测量，可以发现，为了能够飞翔，鲣鸟在骨骼系统有显著的特化特性。首先，它的头骨、脊柱、骨盆和肢骨有愈合以及尾骨退化现象，使得躯体重心集中在中央，有助于在飞行中保持平衡。同时，鲣鸟具有鸟类骨骼的普遍特性，其内形成空腔，其中具充满气体，从而使得整体骨骼轻盈且坚固。根据这样的生物特点，跨介质航行器的结构设计遵循这些特点，首尾愈合，成流线型，重心集中在身体中段。

图13 鲣鸟骨骼标本图

鲣鸟翅膀根部的关节是可变后掠翅膀结构的关键组成部件，必须对冲击载荷有极好地承受能力。由于关节的应力集中，可变后掠翅膀承担了大部分空气动力学载荷，这对它本身的强度、工作可靠性和抗震能力是极大地考验。一旦关节损坏，极可能会导致坠毁。因此，对入水时鲣鸟翅膀上的载荷测量，是对快速入水的航行器研究是至关重要的验证。

为了实现关键结构上的载荷测量，设计实验样机，并将其进行入水实验。样机设计方案如图14。实验样机的制作，主要应用了CAD建模技术。具体方法如下：在SolidWorks中完成零件的建模工作，再进行样机装配。装配的样机中装有一个圆柱体压力载荷单元，是一个用来测量载荷的传感模块，它的测试范围在 -0.5～0.5T，精确度为0.05% F·S。通过它收集的数据，进一步研究不同的入水参数对翅膀所受的冲击力的影响。

然后，对实验样机进行入水实验，分析不同机翼后掠角度的受力情况，验证仿真实验的结构数据，进一步分析产品可行性，完成机理研究。实验可以得出翅膀所承受的载荷与下落高度，入水倾角，以及翅膀后掠角之间的关系，可以用于指导航行器入水时机翼载荷的计算，并且解释鲣鸟入水过程中的翅膀载荷的生物特性，在仿生研究方法上有所突破。

图14 鲣鸟试验样机结构设计图

2.3 CAD技术在航行器仿生概念设计中的应用

在完成产品可行性分析后，将进入工业设计的下一个流程，即概念设计阶段。在概念设计过程中，首先根据在前期研究所得的数据基础上，对产品进行CAD三维草模的建立。通过三维模型的建立，使设计者对产品的整体设计形成直观的、视觉化的认识。

在融合仿生设计的概念设计中，利用B样条曲面建模技术，对生物体外观的有效功能特征进行提取及整合，使之与产品的功能模块相结合，从而在 SolidWorks建模软件中进行建模，导出后，在KEYSHOT软件中进行后期渲染，设计方案如图15所示。

图15 建立产品概念设计三维模型图

为了更直观地表达生物体的运动机理与产品功能点之间的关系，应用3D Max软件进行后期动画制作，诠释产品的工作原理、运动轨迹以及实际功能。主要制作步骤如下：首先，在3D Max中导入航行器概念设计的三维数字模型；其次，在场景中绘制三维的天空、水面，并赋予材质和噪声特效，产生天空和海洋的真实场景效果；再者，在立体空间中绘制飞行的运动轨迹，并与航行器三维模型相连接，使之成为航行器的动画轨迹；然后，设置摄像机位置，分别进行航拍、跟踪拍摄以及全视角拍摄；最后，设置帧数等参数并对动画进行渲染。部分帧如图16所示。

图16 鲣鸟跨介质航行器试验样机动画

3 结 论

仿生设计是对自然界进行学习、模仿与再造的过程[14]，是工业设计常用的设计方法之一，可以为攻克复杂的技术难度提供理论依据和解决思路。将CAD技术中的三维建模、仿真模拟和逆向工程等技术手段应用于产品的仿生设计的前期仿生研究中，可以更有效地对仿生对象进行系统分析。从而使产品设计的可行性分析得到数据支撑，使概念设计可视化。

CAD技术在仿生前期设计中的应用，实现了仿生研究方法上的新突破，在避免动物实验的同时，探索出对生物体进行深入研究的新方法。具体方法包括：首先，建立虚拟环境下的生物体模型，进行仿真研究，从而提取研究数据；其次，建立生物样机代替生物体，进行真实环境实验，提取数据等。这种对生物实体研究的替代方法，既避免了单纯观测法的不精确性，又防止了动物研究实验对生物的伤害与对自然生态的破坏。

以“鲣鸟”水空两栖跨介质无人航行器的设计为例，基于仿生设计方法，研究工业设计中CAD技术的应用，并依照工业设计流程，对海空一体无人机进行科研探索与验证。在设计过程中，通过CAD建模技术对鲣鸟的形态、结构及行为进行仿生研究，并建立“仿生跨介质航行器”工程模型，进一步验证产品可行性。进而将CAD技术应用于产品工业设计流程中的前期研究中。

通过先进CAD技术的应用，较好地完成了无人航行器仿生设计的形态设计以及结构设计，为同类仿生设计提供了参考方法和设计思路。跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用主要体现在以下几个方面：

（1）“可行性分析——形态研究”：通过CAD逆向建模技术对生物体进行仿真建模，模型继续应用于CFD流体力学仿真中；

（2）“可行性分析——结构研究”：通过对生物入水过程及骨骼的研究，利用CAD技术建立实验样机，代替自然界中有着极宝贵生命的生物体，进一步得到不同机翼结构、不同后掠角度下，样机入水时的受力数据；

（3）“概念设计”：通过效果图建模及动画演示更好地诠释仿生样机设计理念。

综上，CAD技术在工业设计流程中仿生设计里的应用，带来了新的仿生研究方法，使得仿生设计不仅仅局限于形态与色彩的模仿，更在工程上提供了大量可参考数据，并直观展示设计理念，为进一步详细设计方案的研究奠定基础。同时，新的仿生研究方法代替动物实验，精确获取实验数据，为自然界动物的保护作出贡献。

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The Application of CAD Technology in the Process of Aircraft Bionic Design

Zhao Wendi, Liu Jinghua, Liang Jianhong, Wang Tianmiao, Yang Xingbang, Yao Guocai
(Department of Industrial Design, Beihang University, Beijing 100191, China )

Unmanned amphibious aircrafts have become a hot topic in recent researches. In order to make aircrafts achieve 3 navigation states which include travelling underwater, travel state transition from water to air, and flying in the sky, we need to solve several technical matters such as variable density, structural transformation, power conversion and so on. Meanwhile, the studies on hydromechanics, dynamics of interface, aerodynamics are also crucial. Australasian gannets, like many other seabird species, locate pelagic prey from the air and perform rapid plunge dives for their capture. This kind of birds can fly through both the water and the air, so the research on its actions is of great immense significance to the study of the unmanned amphibious aircrafts. The processes of bionic design methods for the unmanned amphibious aircraft are introdeced, and the functions of CAD techniques using in the bionic design process are explained.

bionic design; product design; CAD; amphibious aircrafts; gannets

TB 47

A

2095-302X (2014)02-0243-07

2013-11-02；定稿日期：2013-12-20

赵文迪（1988-），女，北京人，硕士研究生。主要研究方向为工业设计。E-mail：zhaowendy2013@163.com

刘静华（1953-），女，黑龙江哈尔滨人，教授。主要研究方向为工业设计、计算机图学。E-mail：ljh1012@126.com