运动艇造型参数化设计平台开发

严 顺， 金 雁

(武汉理工大学 a. 高性能船舶技术教育部重点实验室， b. 交通学院, 湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着经济的发展和居民生活水平的提高，游艇慢慢进入大众的生活。在国外，特别是发达国家与地区，游艇的需求就如同汽车一样普遍。如今，国内对于游艇的需求也在迅速提高，然而，国内游艇设计缺乏原创性，提供给客户的游艇设计方案往往比较大众化，缺乏个性化设计。有些客户有着自己对游艇造型的独特要求，但往往苦于难以准确描述，或与游艇设计师沟通不顺畅，并且设计公司缺乏个性化设计服务平台，进而导致在游艇设计初期客户参与度不大，有时甚至出现设计完成的游艇造型与客户预想大相径庭的窘境。针对上述问题，本文开发了一个将客户个性化需求转化为造型设计参数并能快速完成游艇造型三维设计的软件平台，实现以客户为主体，极大限度参与游艇造型设计的目标。运动艇作为游艇的一种，具有价格低、娱乐性强等特点，在游艇需求中占据主要地位，因此本文选择运动艇作为研究对象。

国内外常用的参数化设计方法有：代数法、基于几何推理的人工智能法、直接编程法、基于构造过程的方法和基于辅助线的方法。在这些方法中，代数法是应用最广泛的参数化设计方法，国外学者SUTHERLAND在研究几何物体表达时，首次采用非线性方程来表征物体的几何约束。LIGHT在之后的研究中对该方法进行了实用性总结，基于代数法理论提出了数值迭代法，使用数值迭代法可以解决约束集的问题。由于船体曲面的复杂性，构成船体曲面的线型很难直接用某一标准数学模型完整表达，使得船舶参数化设计研究存在很大难度。但随着对NURBS建模技术研究的深入，利用NURBS已经能够为自由曲线、曲面提供精确的数学表达式，这一特点使船舶参数化设计技术有了重大提升。SHAMSUDDIN等[1]基于NURBS理论，利用最小控制点原理成功构建光顺船体曲面的数学模型。冯佰威等[2]针对船体型线优化问题，在NURBS技术的基础上提出2种参数化建模方法。区别于船型参数化，造型参数化设计更倾向于水上部分船体及上层建筑的造型设计。遵循一般船舶参数化设计原理，造型参数化设计同样可以通过寻找特征参数以及特征曲面的方法完成参数化设计。李磊鑫[3]研究了游艇上层建筑的造型设计，从船舶美学以及上层建筑功能这两方面分析上层建筑的造型特征，并采用Pro/E软件实现上层建筑造型参数化建模。

1 运动艇造型风格参数

1.1 运动艇造型特征参数

分析大量同类型运动艇外轮廓特征可知：(1)船舶水线以上主船体、上层建筑可抽象为简单的几何图形；(2)为方便参数化建模，船舶水线以上侧面船体部分可以简化成1个平行四边形，上层建筑侧面则可以简化成1个钝角三角形，两者组合起来形成1个运动艇侧面水上造型的简化模型；(3)运动艇造型风格的不同可由变化几何图形的组合方式和形心位置来体现，如图1所示。

图1 外观造型变化

将简化模型的组合方式与其相对位置进行略微调整，简化模型的视觉感受会产生很大变化。例如，图1a)进行简单变化变成图1b)，将表示水线以上主船体的平行四边形进行改变，首柱前倾角α变大使得造型的视觉效果变得毫无冲击感，视觉上缺失速度感，再加上船长L变小，使主船体的造型变得十分臃肿，缺乏美感。上层建筑前端壁倾角β的略微变小使上层建筑造型流线感更强，增强视觉上的速度感。同样，主船体与上层建筑的相对位置对整体造型也很重要，不考虑尺寸的改变，从图1a)、图1b)的对比可以看出：上层建筑的位置相对主船体往船艏方向移动，导致整船重心前移，在运动艇高速行进过程中形成一种稳定感缺失的视觉效果。

通过上述对侧面造型效果图的研究，发现运动艇的整体造型与以下3个方面相关：

(1) 主船体形状及尺寸。

(2) 上层建筑形状及尺寸。

(3) 主船体与上层建筑相对位置关系及比例。

1.2 运动艇意象特征参数

意象是人们对物体的直接感受，它存在于各种形态关系中并具有独立意义和表现形式。运动艇意象的形成来源于对运动艇经验性的认知，传递了客户对于运动艇这类产品的情感需求，反应客户对运动艇的心理满意度，因此，在运动艇造型风格的设计中需要结合形态意象。

万：贵所在2000至2002年间，历经“分类定位”后进入科学院“知识创新工程”时，将研究方向从科学史拓展为3个，即增加了“科技发展战略”和“科学文化”.对此，有些什么可谈的吗？

在对运动艇外观造型的意象研究中，需要使用意象尺度法来确立风格意象。语义差异法是意象尺度法的基础，为确立运动艇的风格意象，需广泛地收集形容词来表征人们对运动艇外观造型所产生的心理感受。通过语义差异法的基本要素——概念、尺量、受测者来确定与研究目的以及研究对象相关的意象词汇，同时使用相对或者反义的形容词从不同维度来量度意象这种模糊的概念，建立关于运动艇的5点或7点心理学量表。

使用因子分析法处理由语义差异法所构建的学量表，对学量表进行广泛调查分析可得到关于语义词汇的数据，对于其中某些抽象、不可直接测量的因素，可使用因子分析法转化成可测量变量来确定这些因素[4-6]。对所搜集到的语义词汇进行处理并聚类分析，最终得到关于运动艇语义词汇的聚类结果，如表1所示。

表1 运动艇代表性语义词汇聚类结果

如表1所示，经过聚类分析得到1～4共4组数据。每组数据数值越高则表示受访者对该因子的认可度越高，考虑到因子的特性与形容词的语义，将“实用的”与“大众的”合为“大众的”，在文中以风格意象为标准将运动艇分为动感型运动艇、奢华型运动艇、大众型运动艇和品质型运动艇。

综合考虑运动艇的造型特征参数和意象特征参数，并结合一般船舶参数化设计中参数选取原则，最终确定选取的参数共12个，分别为：运动艇总长、运动艇型深、运动艇型宽、首柱前倾角、船体舷窗形状、上层建筑形式、上建窗户形状、上建前端壁倾角、上建前端壁斜面长度、上层建筑长度、上层建筑宽度、前端壁距船艏距离。

2 运动艇造型参数化建模

根据运动造型特征参数与特征曲线特点，运动艇造型参数化设计的关键可分为2点， 即造型轮廓的参数化表达和各部位表达的协调。对于造型轮廓的参数化表达可分为主船体轮廓参数化设计与上层建筑轮廓参数化设计，主要表现为横剖线、中纵剖线、主甲板边线、上层建筑侧轮廓线、上层建筑在主甲板平面投影线的设计，各部位表达的协调则主要表现为主船体与上层建筑的相对位置关系。

考虑到运动艇造型的复杂度，采用常用参数化设计中的直接编程法来完成造型参数化设计，并使用数学船型法寻找运动艇主尺度与曲面尺寸的数学关系，即根据所给定的运动艇设计参数，使用数学方法来生成船体曲面。为突出运动艇造型特征，简化不重要部分，不考虑梁拱。

由于运动艇的横剖线型式较为直观简约，可将横剖线近似划分为几段线段来表示，并由z1，z2，z3，y1，y2这5个参数来控制横剖线的形状。横剖线的设计如图2所示。

图2 横剖线设计

采用MATLAB软件对搜集到的型船数据进行统计，并使用多元非线性回归方法得到各参数的回归多项式为

(1)

式中：L，B，D分别为船体总长，型宽，型深，m；Li为该横剖面至尾封板平面距离，Li=0.155×K×L，其中K为自然数取0，1，…，n。

根据式(1)可计算得到Z1，Z2，Z3，Y1，Y2的值，根据取值差异可得到一系列的横剖线。Li表示该横剖面至尾封板平面距离，Li=0.155×K×L。对于中纵剖线、主甲板边线、上层建筑侧轮廓线、上层建筑在主甲板平面投影线的设计，按上述方法同理可得。

基于风格意象，本文将运动艇分为4类，对于不同风格的运动艇，其造型特征会存在较大差异，不同风格运动艇参数取值的不同会导致造型“高、矮、胖、瘦”的区别。对所收集的运动艇资料按照风格进行分类并统计分析，得到不同风格运动艇参数变化范围，将参数取值范围进行整理，如表2所示。

表2 不同风格运动艇参数取值

3 造型参数化设计平台

本文构建运动艇造型参数化设计平台须实现的功能主要有2点：通过输入的参数快速建立造型模型，提供直观、立体的造型视觉效果；对造型模型各指标进行综合评分，可依据评分指导进行造型参数调整以建立新造型模型。根据平台的功能以及建模一般方法，平台的开发思路总体框图如图3所示。

图3 平台开发思路总体框图

在图4中的人机界面中输入各类参数，完毕后即可得到运动艇的三维造型以及对该三维造型的综合评分。

图4 人机交互界面

由输入参数确定的运动艇造型以及对该造型的评分，若对造型不满意可根据评分的指导进行相应的参数修改，形成新的运动艇造型。为了验证平台的可行性与实用性，选择A，B两组参数来分别建立模型。其中B组参数是根据A组建立的模型评分指导修改得到的，最后分别对修改前后的运动艇造型进行比较分析以确定验证的准确性。

A，B两组参数如表3所示，根据表3中的参数在人机交互界面中进行输入可完成运动艇三维造型的构建。

表3 A，B两组参数

在图4的人机交互界面中输入A组参数，并点击“建立模型”，可得到A组模型及对该模型的造型评分，如图5和图6所示。

图5 A组参数造型模型

图6 A组参数造型评分

从图6中的评分可以看出，A组参数运动艇造型的整体评分等级为良。每个变量得分栏中船体肥瘦与上建斜度的得分不论是用户打分还是系统打分都相对较低。对于船体肥瘦来说，从图5可以看出A组运动艇的艇宽较小，从而造成表征船体肥瘦度的L/B值偏大。宽度较小、过于瘦长的运动艇不仅在视觉上给人带来空间狭窄的感觉，而且过于瘦长会有一种横向失稳的视觉效果。对于动感型运动艇，表征上建斜度的上层建筑前端壁倾角过大，首先很明显地视觉感受到正面风阻变大，并且会导致上层建筑与主船体衔接不够流畅，缺乏流线感。

根据A组造型的缺点，进行相应参数的修改从而得到B组参数。使用B组参数进行运动艇造型模型的构建，并与A组模型一同放置对比，如图7和图8所示，并得到A，B两组造型模型的评分对比，如图9所示。

图7 A，B两组参数造型模型1

图8 A，B两组参数造型模型2

图9 A，B两组参数造型评分

在图9的评分中，“本次”为B组评分，“上次”为A组评分。从图9可以很清楚地看出，修改后船体肥瘦与上建斜度这两个变量得分要远好于修改前的评分。图7的2个小图中，左侧为B组造型，右侧为A组造型，图中能明显看出B组修改后造型艇宽变大，在造型上使得空间变大并且整体造型更加协调。同时结合这2个小图从视觉感受来看，左侧B组造型模型在横向稳定性上明显优于右侧A组造型模型。同样地，图8的2个小图中，左侧为B组造型，右侧为A组造型，在图中能很明显感受到右侧造型的迎面风阻要大于左侧造型，并且从第2个小图可以看出左侧造型的上层建筑前端壁斜度更平缓，与主船体的衔接更为自然协调，而右侧的衔接过于突兀，破坏了整体造型的美感。

4 结 语

从最后的平台实例论证中可以看出：本平台具有可行性和实用性。关键参数的变化会对运动艇造型产生很大影响，而本平台可以指导用户控制造型的变化，从而得到自己满意的运动艇造型。在运动艇设计制造之前能通过该平台进行造型建模，可以有效地减少客户与游艇公司之间的交流成本并能更好、更准确地完成客户的需求。

[1] SHAMSUDDIN S M, AHMED M A, SMIAN Y. NURBS skinning surface for ship hull design based on new parameterization method[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 28(9-10):936-941.

[2] 冯佰威, 刘祖源, 詹成胜，等. 基于船型修改融合方法的参数化建模技术[J]. 计算机辅助工程, 2010, 19(4):3-7.

[3] 李磊鑫. 计算机辅助玻璃钢游艇上层建筑造型设计开发研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2006.

[4] 李亚维. 游艇造型的风格和功能分类系统研究[D]. 长沙：湖南大学, 2011.

[5] 陈政宏, 刘佳达. 巨型动力游艇外形与感性认知之关联[C]//中国造船暨轮机工程学刊, 2005:153-164.

[6] 王雪. 设计形态语义学在游艇造型设计中的应用研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2012.