工业设计理念在智能胎架外观设计中的应用研究

2022-03-02 21:14:19吕兵学梁誉
设计 2022年23期
关键词:外观设计

吕兵学 梁誉

关键词:工业设计理念 外观设计 智能胎架 船舶装备 工程机械产品

引言

近些年来,海洋工程装备举国瞩目,中国的船舶制造行业在世界上扮演着重要角色,船舶海工装备更是已经成为我国需要鼎力鞭策、冲破成长的十大领域的重中之重。随着国家“制造强国”战略决策的提出,越来越多的船舶制造企业不仅注重功能技术水平,还开始重视企业产品形象的构建,由于受某些陈旧观念的影响以及企业缺乏工程机械产品外观设计理念,导致大多工程机械产品设计粗糙,同质化现象严重。因此,本文引入工业设计理念对智能胎架外观进行创新设计,充分考虑色彩、造型、结构、材质等设计要素,以求提升智能胎架美观性,深化企业品牌形象,增强市场竞争力。

一、工业设计理念概述

工业设计是一种系统性的融合技术、艺术、人文、经济等因素为一体的设计活动,致力于创造一个“人-自然-社会”相协调的良好系统,以此提高人们的生活质量[1]。工业设计理念,是指以美学、工学、色彩学等为基础,通过一系列学科知识的综合应用,在多种领域内对工业产品进行功能化和美化,使工业产品既能实现功能性的技术需求,又能满足用户的审美需求,从而建立一种产品延续性和内在的精神体现。

随着互联网和信息技术的蓬勃发展,人机交互设计、服务系统设计、用户体验设计等不断涌现,丰富了现代工业设计理念的内涵,为实现产品的创新设计提供了更多的可能性[2]。工业设计理念应用于工程机械产品设计开发过程中,主要是通过结构、材料、造型、色彩以及人机界面等方面的有机结合,深层次地对工程机械产品产生影响,策略性地解决技术、产品、消费者与使用环境之间紧密的关系,提高产品的附加价值,实现产品的设计品质升级,最终带动行业的创新发展[3]。

工业设计理念在工程机械产品设计领域的应用研究也受到了一些学者的关注。如杨松、马克林[4]在《工业设计理念在大型成套装备设计中的应用探究》中,通过归纳大型成套装备的特点,阐述工业设计理念在设计过程中的结合,总结出工业设计理念在大型成套装备生产线中的应用策略;何玢洁[5]《基于工程机械产品外观设计中的比例与尺度》中,研究通过实例分析了工程机械产品外观设计的相关因素,从比例与尺度的应用上,进行工程机械产品的外观设计研究;张冶等[6]在《工程機械产品中的工业设计思想》中,通过分析国内外工程机械市场现状,从人机、造型、材料、涂装和产品家族化五个方面展开研究,提升了工程机械产品的品牌形象。研究发现,目前尚无学者在工业设计理念下进行智能胎架外观设计实践,将工业设计理念引入智能胎架的外观创新设计中,不仅能使智能胎架外观更加协调、稳重,还能提高智能胎架的产品形象。

二、智能胎架设计基础

(一)智能胎架的研究现状

智能胎架作为一种重要的建造设备,能够保障船体分段造建及装配过程中操作环境及工况条件处于良好的状态。胎架的研究起于国外,20世纪50年代,日本学者最早开始对智能胎架进行积极探索,研制出了一种新型钢捆设备[7];20世纪90年代左右,为使柔性胎架达到控制成型精度的目的,美国麻省理工学院开创了全新的柔性胎架实现自动化的研究方法,通过多点拉弯成型设备,解决了简单曲面无法拉弯的问题;20世纪末,韩国科学研究院开始进行柔性胎架的研究,发明出多点弹性成型设备。又通过研究成本较低、较为清洁的一种弯板工艺,设计出数控支柱组弯板成型控制设备,使钢板发生物理形变,并测量其形变量的误差[8]。

国内对于智能胎架领域的研究起步相对较晚。为了加快我国对于智能胎架方面的研究水平,开始在日本、美国等国家的研究基础上,投入大量人力物力进行拓展,对多功能数字化分段外板加工平台展开研究。江苏科技大学提出一种智能胎架的新概念,主要是指在胎架上添加丝杠装置,通过丝杠的的升降运动,不断调节其横向距离来确定位置,丝杠顶部配有磁性支撑头,以此支撑和固定分段船板,以适应满足不同船体型线的变化需求,也巧妙地解决了之前靠模板支撑造成的不方便、效率差等问题。但是,目前市场上大部分的智能胎架并未从外观设计的角度进行创新研究,因而在此基础上,将工业设计理念应用到智能胎架的外观设计研究中,可以更好地服务于船舶胎架的升级改造。

(二)智能胎架的组成部分及工作原理介绍

随着技术的不断发展,国内外船舶企业开始进行面向船舶分段建造的智能胎架的研究。这种胎架不仅可以满足辅助船舶生产、建造的功能,还能适应于不同生产工况,不同工作环境、不同船型体线。胎架的总体组成部分主要分为控制箱、上立柱和下立柱三个部分(为使丝杠不被污染,往往在其周围外加防尘罩),其行走机构一般由钢结构支撑轨道、钢结构定位以及电缆通道组成,如图1。根据计算机软件的结果,得出胎架的具体位置。在搬运小车接收到软件发出的指令后开始运动,当搬运小车移动到胎架下方时,胎架下落至小车上,跟随小车一起行驶。到达指定位置后,搬运小车返回继续运送下一个胎架,重复操作直至将所需胎架全部运送至指定位置。然后胎架接通电源开始作上升运动,当胎架上升至指定高度时,便停止运动。此时,压力传感器会检测压力是否在安全区间之内,通过不断微调操作,直至压力处于安全区间内便停止工作,如图2。

三、工业设计理念在智能胎架外观设计中的应用价值

(一)提升智能胎架的产品品质:外观视觉作为最直接和重要的信息感知通道,对产品品质的提升起到了重要的作用[4]。智能胎架的工作主要是根据操作者的指令进行运动和辅助船体建造,因此,智能胎架需要具备坚实的底盘、防滑支撑头和移动小车,以确保智能胎架在船体建造过程中的灵活性、稳定性及支撑性。现有智能胎架其外观造型过于生硬、沉闷,没有很好地体现出胎架的基本功能和结构特性。通过将工业设计理念应用到智能胎架的外观设计中,结合时代风格特征,加入当今流行元素,不仅可以增加智能胎架的外观美感,还能够更加直观地表达智能胎架的运行方式,突出智能胎架各零部件所具备的产品性能,提升智能胎架的产品品质。比如,设计丝杠防护壳以及螺栓防护罩、改进设备防尘防腐功能、增加便于使用者操作和辨认的控制操作板等。

(二)满足智能胎架操作者的审美需求:现有智能胎架外观设计的过程中,很少考虑操作者的审美需求,无法给操作者带来良好的审美体验。智能胎架的主要操作者往往为船厂一线员工,一线员工的特征主要表现如图3。曾有研究表明:单一枯燥重复性的工作,往往更容易出现人为差错以及对工作效率产生负面影响。在智能胎架的外观设计中运用工业设计理念,不断更新色彩和式样,同时考虑船舶建造生产环境,设计出具有现代工业时代特征的胎架,满足操作者的审美需求。对于操作者来说,还能给予其更好的用户体验和视觉感观,增加生理和心理的平衡感觉,使其保持良好的精力、体力状态和舒适愉悦的心情,实现身心感受与周围工作环境的协调与统一,从而减少因工作倦怠、情感耗竭等因素产生人为差错,提高工作积极性和工作生产效率。

(三)完善智能胎架外观设计的流程:工业设计理念在现有智能胎架外观设计中的融入,可以使智能胎架外观设计的流程更加系统化,增加企业对外观设计的全面认知,帮助胎架制造企业树立正确的工业设计思想,有效规避设计工作中的部分问题。在智能胎架外观设计时,应按照外观设计的步骤流程,不断完善设计调查工作,如图4。首先,要做好市场调查,在了解消费者、使用者的需求信息后,开始草图的绘制,并通过三维软件构建设计方案的立体模型,经过筛选后,借助油泥等材料进行智能胎架外观设计的模型制作[9]。在符合工业设计理念的前提下,必须严格按照上述步骤执行,只有这样才能使智能胎架的外观质量达到设计要求,增强企业的设计水平,提高企业的市场竞争力和经济效益,助力企业占领智能胎架产品的市场。

四、工业设计理念在智能胎架外观设计中的应用策略

通过对智能胎架设计基础的了解和工业设计理念的应用价值分析,笔者主要从以下四方面展开进行工业设计理念在智能胎架外观设计中的应用策略研究。

(一)注重色彩的搭配:色彩是人们对于陌生产品通过视觉、触觉感官所产生的一種初印象,工程机械产品的色彩应充分考虑机械设备的功能、操作者的感官体验及其工作环境。良好的色彩不仅会为产品外观增添亮点,提升其产品的外在魅力,还可以划分其复杂的操作系统功能,保护产品的内在品质。智能胎架外观在色彩运用上不易过多,且倾向于选择饱和度较低的色彩,能够彰显机械工程类产品的稳重。在设备的危险区域、操作控制等关键部位,应采用国家通用标准规定的色彩,达到警醒、提示的目的。为了避免色彩的过度沉闷,在其基本功能得到满足的前提下,可以通过小范围的明度较高的色彩的点缀,使整体的颜色变得丰富,增添颜色的对比性与互补性,充分体现出智能胎架的活力与感染力,也能够增强操作者对智能胎架的亲切感,带来愉悦的感官感受与精神体验,减轻长期作业带来心理上的压抑感,以免降低其自身的视觉敏锐度和分辨能力[10]。

(二)强调造型的协调:工业设计理念中的造型是指综合科技、美学、人文、工程及市场等因素,由工业设计师通过艺术化的方式分析、提炼、创新后才获得的造型[4]。良好的外观造型,不仅具有美化装饰的效果,展现企业品牌理念,有效提升工程机械产品的品牌形象和竞争力[4],还能够提升操作者的工作心情,减少操作者的工作疲劳和操作失误。智能胎架的造型特征主要是以直线为主,给人简洁、明快与规整之感。在设计时,可以参考运用一些基本形式美法则,并且适当使用曲面、圆角、渐消面等较为复杂的造型特征,做到主次分明,轮廓鲜明,使智能胎架的整体造型达到协调与统一。对于胎架外观的一些分界面,充分选取合理的比例与尺度,如黄金分割率、模数法则及平方根矩形法则等。

(三)考虑结构的合理:产品结构不仅限制着产品外观造型的随意想象,也为产品的外观设计提供了重要的设计思路。产品外观设计要保证其基本预期功能的实现,而产品的功能大多都通过连接各部分之间的结构来表达。工程机械产品内部的各种零部件大多分为箱体类、轴套类、叉架类和盘盖类等,而智能胎架则主要以箱体类为主,其控制箱体的造型直接影响着产品主体造型形态。现有智能胎架在结构连接上较为复杂,行走机构的结构过于繁琐且局限性较大,而且大多结构都裸露在外面,没有形成良好的逻辑性和视觉美感,也影响着其基本功能的实现。在进行智能胎架外观设计时,在保证其内部结构不被破坏、减少对胎架寿命及生命周期影响的前提下,应该要考虑到智能胎架内部零件结构的美观性。例如通过透明材质让用户看到胎架箱体内部形态和结构,保护内部零件的性能,实现智能胎架与用户的交流与沟通。

(四)表现材质的特性:材料作为产品外观的物质基础,应符合工程机械产品结构、性能、强度等因素的要求[11]。在某种层面来讲,产品就是由多种相同或不同的材料拼接而形成的能实现其预定功能的实体。随着企业对工业设计的重视,工程机械产品开始广泛运用各种材料及其加工制造工艺,在整体造型、细节处理、表面加工等方面,都表现出了强烈的美感[4],如农机装备、现代数控机床等。根据情况选择合适的材料及表面处理工艺,避免因用材不当或不适宜的表面加工处理工艺,对产品质量造成很大程度上的影响,从而提高智能胎架的外观质量及其产品品质。智能胎架材料在支撑强度、耐磨性、硬度等方面有特定的要求,对于箱体、底柱、底座等部件,要选用厚实、硬度高、韧性好的钢材材料,其他辅助材料可适当选择塑料和橡胶材质。通过对比表现不同材质的特性,丰富智能胎架的外观层次。

五、工业设计理念下的智能胎架外观设计实践

(一)设计定位

在船体分段焊接过程中,胎架是起到支撑以及辅助建造的作用。在船舶建造智能化、数字化的大环境背景要求下,设计师需要与时俱进,不断结合时代特征,开发出更加符合船舶建造发展要求的智能胎架。在智能胎架外观设计阶段,将机械工程技术和工业设计理念相融合,依据船舶企业文化和产品设计理念进行智能胎架外观设计的元素提取,结合现代工程机械产品外观设计发展趋势,并分析目标操作群体需求及操作环境等因素,确定以“现代、沉稳、简洁”作为智能胎架外观设计主题特征,进行色彩、造型、结构、材质等四方面的设计创新,以使产品具有较强的市场竞争力。其外观设计流程如图5。

(二)设计方案

根据上述对智能胎架的分析研究,在“现代、沉稳、简洁”的特征定位下,将工业设计理念应用到智能胎架的外观设计实践中,运用三维建模软件呈现具体的产品视觉效果,并体现智能胎架外观设计的理念定位和主题特征,其设计方案如图6。在考虑智能胎架基本功能实现的基础上,满足操作者的审美需求,增强智能胎架的外观辨识度,使其更加新颖美观,进一步改善产品、操作者和操作环境三者之间的关系。

(三)方案分析

1.色彩方面:在色彩的选择上,该设计方案的整体色彩搭配为冷色调,主要以蓝色和灰色两种色彩为主,沉稳不失活泼,使产品更具有律动感,也使操作人员减少烦躁心理,保持冷静,帮助其清晰区分不同的功能模块层次。根据功能分区划分不同的颜色区域,控制箱体、支柱、底座部位使用蓝色,表现理性、稳重的产品整体视觉效果;防护壳、丝杠保护罩等部位为灰色,是因为胎架内部结构、电机颜色大多为灰色,与主色调相搭配也不会喧宾夺主,清晰分明,符合工程机械的特点。

2.造型方面:该方案中的智能胎架整体采用曲面和平面结合、上小下大、左右对称的造型特征,并在细节形态设计上与整体保持统一,具有很好的协调性,在造型信息上传达一种简洁灵动,刚劲挺拔的感觉。底座和控制箱体采用几何形造型,大量使用直线,增强视觉稳定性和力量感;在支柱和底柱部位使用柱体造型,起到连接部件、便于进行升降运动的作用;在细节折角处运用适当自然流畅的圆弧,能够中和硬朗的外观形象,给予操作者更加柔和的使用体验,削弱过度沉重之感。

3.结构方面:智能胎架的结构形式改进空间还很大,现有胎架外露结构过于复杂,元器件众多,严重影响了其美观效果。该设计方案在智能胎架的底盘部位增加防摩擦垫件,能够减少因摩擦对胎架产生的磨损;在齿形带、螺栓等部位增加防护壳进行包覆,可以很好地将其隐蔽起来,不仅可以消除不同器件组合产生的零乱感,还可以避免铁屑的飞溅以及外部灰尘、杂物的进入造成干扰和破坏,对产品零部件的性能有着良好的保护作用。

4.材质方面:该方案整体表面使用强度高、结构稳定性高及力学性能好的型钢和板钢材质,表现材质的现代化特性,以保障胎架的功能要求。为了减轻整身的重量和降低生产制作成本,在无强度和刚性要求的部位采用塑料和橡胶材质。对于起支撑作用的自适应接触机构头部位置,选择具有很好的耐磨性、很高的弹性及防滑性的橡胶材质;考虑到频繁拆卸的问题,齿形带防护壳选择半透明塑料材质,满足其质量轻便和坚固性能,也方便观察箱體内部情况,便于使用。

(四)方案验证

工业设计理念在智能胎架外观设计中的应用是一个综合研究的过程,为了对选定的设计方案进行评估验证,需要对产品进行有限元分析,检验其力学性能是否具有可行性,测试其外观特征能否满足工程制造、加工工艺以及功能结构的要求[12],如箱体内部结构、整体企业形象的体现、成本控制以及市场需求等问题。并通过不断检验、调整、完善以及迭代,不断提高设计方案的可行性。

结语

随着现代社会的不断进步,人们的审美水平和审美需求也在逐步加强,过去的那些笨重冰冷的工程机械产品造型已经无法得到人们的青睐。在当前船舶制造行业愈发智能化发展背景下,智能胎架的外观形式还是停留在以往水平。将工业设计理念引入智能胎架的外观设计研究中,并进行方案设计,在一定程度上,缓和了传统智能胎架普遍僵硬的外观形象,提高了智能胎架的美观性和综合竞争力,也为在工业设计理念下工程机械产品的设计开发提供了参考。

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