水上运动产品安全性设计研究——以水上电动滑板为例

郑刚强 陈则澜

水上运动产品安全性设计是保障水上运动项目安全的基础与前提，而在水上运动项目扩大发展的过程中，水上运动产品缺乏相应的安全性设计方法。本文以国内外水上运动产品为研究对象，从工业设计的视角出发，探索水上运动产品安全性设计的有效方法，以此提升水上运动产品的安全程度并降低事故发生率。运用案例研究法对水上运动事故发生的原因进行归纳并分析，了解水上运动产品安全性设计的方向，运用FLUENT 工具对水上运动产品进行稳定性设计，运用安全存在、完全保护、优先损坏、安全警示四种原则设计合理的安全结构。本文以水上电动滑板为例，应用仿真计算程序以及安全结构设计程序，对产品进行改良设计。为水上运动产品的安全性研究拓宽了方向，对提高水上运动项目安全指数具有一定的价值。

水上运动产品；仿真计算；安全结构；水上电动滑板

2016 年，国家体育总局印发《水上运动产品发展规划》，明确提出加快推动水上运动产业发展的新要求[1]。“十三五”期间国家水上运动产业大力发展，水域扩大开放、水上运动设施建设加速、水上运动产品供给加强。但水上运动项目造成溺水、人员伤残等问题也随之而来[2]，皮划艇、摩托艇、赛艇、帆船、水上滑板、潜水器、冲浪板、漂流船等设施设备的安全性成为项目安全的决定性因素之一。研究水上运动产品的安全性设计对降低事故发生率具有一定的现实价值[3]。

1.水上运动产品的安全性现状

（1）产品自身稳定性不足

水上运动产品在运动过程中涉及摩擦阻力、兴波阻力、涡旋阻力等，还须考虑浮性、稳性、抗摇摆性、抗沉性、回转性等多种性能[4]。但在水上运动产品市场化过程中，企业为迅速占领市场、追求短期效益，导致产品自身性能不足[5]。例如船体尤其是尾部缺乏合理的流线时，则会导致尾部涡旋阻力增加，从而影响操控，在紧急情况时易失去控制。船体抗摇摆性不足则易导致船体侧翻，这也是皮划艇事故频发的重要原因。

（2）产品危险应急性缺失

部分水上运动产品缺少危险应急能力。例如网红项目“飞鱼”，如图1所示，摩托艇通过绳子牵引游客所在的橡皮艇，达到一定的速度后橡皮艇头部会迎风翘起甚至腾空。但在橡皮艇上，游客除了救生衣之外没有任何保护措施，只能通过双手紧握把手防止掉落海中。若从高空掉入水中易发生危险，若救生衣失效则极易造成溺水。有些水上运动产品甚至在使用者发生危险时会对其造成二次伤害[6]。例如国外一名水上瑜伽学员在搭救受险者时，冲浪板被撞翻，由于脚上冲浪绳的缠绕，使得她被压在冲浪板下无法抽身，最终发生了溺水事故。

图1 网红项目“飞鱼” Fig.1 Internet celebrity project ＂Flying Fish＂

2.安全性设计

据中国探险协会《2020 年度中国户外探险类事故报告》统计[7]，（见表1）。事故发生的可控因素与不可控因素数量相近。在水上运动产品设计中，可以从2 个方面进行考虑：一是优化产品自身稳定性，降低使用者因操纵不当而造成的风险，从而增加安全系数；二是提高产品危险应急能力，将不可控因素转化为可控因素，降低事故发生率[8][9]。

表1 事故原因分类表

2.1 基于FLUENT 的水上运动产品稳定性设计

传统水上运动产品的运动稳定性设计是以自然湍流环境下测算为基础，通过对实体的反复打磨修改以及实验来确定最终方案，数据精确度低、设计周期长、对经验的依赖性高。FLUENT 是用于模拟流体表面水流运动的计算机程序[10]，在水上运动产品外形设计、开发过程中，采用FLUENT 作为产品运动稳定性研究工具，图2为框架原理。

图2 运用FLUENT 研究水上运动产品表面流体的工作流程

在运用FLUENT 处理问题过程中，需要搭建模型并进行网格转换，这一步称为前处理过程。再在FLUENT软件中确定边界条件、物理模型等，并进行计算，然后在后置处理工具中进行图形化显示[11]。计算结果为产品运动稳定性研究的合理性提供参考。

（1）前处理方法

在前置处理过程中，可采取两种方法。一是通过GAMBIT 中Geometry 板块进行3D 模型搭建，优点是可直接进行CFD 前处理，生成网格并进行网格质量检查；二是选用其他CAD 或CAM 软件（如Rhino、SolidWorks、AUTOCAD、UG 等造型平台）建立3D 模型[12]，再输入前处理软件（HyperMesh、ANSA、ICEM CFD）中转化为网格。对生成的网格面进行质量检测及优化后，输入至FLUENT 求解器中确定边界条件、流体材料、流体速度、产品材料、运算步数等，并进行计算，最后得到计算结果。

（2）数据可视化及结果评价

观察产品表面压力、流速、水流走向等，分析、判断产品流体稳定性[13]。若计算结果显示压力分布均匀、水流能沿产品表面平稳流动，则表明产品造型较为合理，产品运动稳定性较高；否则参考计算结果对产品模型进行优化，如表面压力测试中，将受压较大的边壁改为优化过的柔性边壁以减少沿程阻力，直到出现较优解。

2.2 安全保护结构设计

设计合理的安全保护结构是产品安全性的重要因素[14]。考虑水上运动意外对人造成的危害更大更严重，在设计保护结构时应以保护人的安全为主要任务。从产品硬件损坏、控制失灵、使用者操作失误、环境突变等多个方面分析可能发生的意外。预测意外情况对人或产品造成的危害，力求对人及产品进行最佳保护。根据意外危险程度的高低，合理运用不同的安全原则。

（1）安全存在原则

首先在正常情况下的水上产品设计应充分运用安全存在原则，在材料的刚度、强度、密度、防水性、稳定性方面采用定量计算，在规定载荷内产品应处于安全的状态。尤其是涉及使用者人体数据时，在人体尺寸百分位选择上可选用P1 和P99 作为下、上限值。如设计漂流船在考虑承重与浮力的关系时，应采用GBl0000 中国成年人人体尺寸，运用超过99%人体体重的数据进行计算，得出限载人数。

（2）完全保护原则

对于紧急情况，可采用完全保护原则，设计双重甚至多重保护措施[15]。要确保有足够的备用防护措施避免事故的发生。如进行帆船运动项目时使用者不慎落水，应设计紧急制动装置对船体制动，防止船体因失去操控而撞击到其他物体以造成二次伤害。制动后可考虑将安全绳或救生圈抛至落水者处或设计其他保护结构。

（3）有限损坏原则

当产生重大操作失误，产品会对使用者产生危害时，采用有限损坏原则，通过破坏产品一定的结构来保护使用者，用最小的损失达到最大的保护。如潜水活动中，一些推进器为追求最大的进水量而裸露马达和螺旋桨，使用者大意时容易导致身体受伤。针对这一情况可采用有限损坏原则，感应到异物进入后螺旋桨紧急制动，通过轴承的磨损换取人员安全。

（4）安全警示原则

对于非重大操作失误或非紧急情况，可采用安全警示原则，即在危险发生以前，通过警示音、指示灯进行提示或警告，便于操作者更正操作或停止使用并进行故障排查。如摩托艇在转向时，驾驶员若转弯角度过大则容易出现“推头”现象，极易导致方向失控。针对这一情况可采用安全警示性原则，通过设置警示环节警示驾驶员减速驾驶，以保证人员安全。

在水上产品设计过程中，需合理运用以上原则，可根据产生后果的危害大小、实现的难易程度、成本高低等[16]，如表2 所示，按照安全存在、完全保护、优先损坏、安全警示顺序进行考虑，追求最大程度保护用户的安全。

表2 针对不同状态运用不同的安全保护原则

3.水上运动产品的安全性设计实例

水上电动滑板属于新型水上运动器材，包括上部碳纤维冲浪板，连杆、引擎、水翼、操控手柄，如图3 所示。通过螺旋桨转动推动滑板在水面前进，当速度达到一定水平时，滑板脱离水面，不需要触碰水面就可滑行，滑行状态如图4 所示。水上电动滑板最高速度可达到40KM/h，故在设计过程中需充分考虑安全性。下面以水上电动滑板为例，对其安全性进行设计。

图3 一种水上电动滑板

图4 水上电动滑板运动状态

3.1 滑板水翼表面流体力学设计

在水上电动滑板的设计过程中采用FLUENT 工具，参考工作流程进行研究，具体操作步骤如下所示：

（1）采用Rhino 工具建立水上滑板模型，在使用过程中主要是水翼在水中运动并提供升力和动力，故产品在运动过程中是否平稳主要由水翼的造型决定，此处对水翼进行分析，搭建水翼3D 模型并建立水流域、水流出入口。图5 为Rhino 中水翼3D 实体模型图。

（2）Rhino 输出STEP 格式并导入ANSYS Workbench 平台运用ICEM CFD 进行网格划分。ICEM CFD 作为FLUENT 和CFX 标配的网格划分软件，具有完备的模型修复工具，能更好地对Rhino 中因Nurbs 薄面拼接而导致的穿面、破面等问题进行修复[17]。这里采用三角形网格对水翼表面进行划分，然后观察表面网格质量并升阶[18]。图6 为计算网格示意图。

图6 水翼表面及纵对称轴面上的计算网格图

网格建立之后确定水流域、水流出入口等边界条件，条件确认后，导入网格文件至FLUENT 进行计算。表3为流域边界的条件表。

表3 流域边界条件

（3）确定物理模型及计算条件，湍流模型采用Realizable K-epsilon 模型，Realizable k-ε 模型包含另一种湍流黏度公式，计算结果更贴近湍流的物理特性[19]。在自然水域场景下无须过多考虑大压力梯度，采用标准壁面函数。1050kg/m³密度的水流，即每一立方净水中含有50kg 杂质，使其更接近自然水体。采用40KM/h 的水流速度模拟水翼在水中运动的状态。

（4）将计算结果输入后置处理工具，显示对称面、水翼表面的压力、速度分布。图7 为水翼表面压力图。图8 为水翼表面速度图。

图7 水翼表面压力图

图8 水翼表面速度图

（5）分析水翼表面压力、速度结果，由图7、图8可以看出表面压力较为平衡，表面流速较为均匀，且上表面流速快下表面流速慢。证明该水翼能为水上电动滑板提供稳定的升力。

3.2 安全保护结构设计

水上电动滑板主要会出现的意外情况包括：因使用者操作不当导致侧翻、掉落水中；马达叶片卷入水中垃圾、水草等杂物；内部零件发生故障，如电流过载导致的ESC（电子稳定控制系统）失效，电池电量不足无法提供返航电量；紧急情况遥控器无法迅速降低速度[20]。以上述安全存在原则、完全保护原则、有限损坏原则、安全警示原则为基础，针对水上电动滑板进行安全保护结构设计[21]。

首先，正常情况下水上电动滑板的安全性应以安全存在原则为基础。国家标准人体尺寸数据中体重中P99 为83KG，根据FLUENT 数据分析，在30KM/h 时水翼上下压力差为-977.01N，测算水翼提供的升力约为99.59KG，从数据可知速度与升力接近线性关系，计算可得99%以上的人群在速度达到27KM/h 时能实现稳定水上冲浪。表4 为不同速度下水翼对滑板提供的升力表。滑板应尽量采用强度高，密度低的材料，以避免低速水上滑行阶段滑板的浮力不足或滑板碎裂导致事故的发生。

表4 不同速度下水翼对滑板提供的升力表

其次，在遥控器设计中运用完全保护原则。遥控器是水上运动滑板与使用者之间进行交流的主要媒介，人通过遥控器按钮或旋钮对产品进行操纵，产品通过遥控器界面反馈速度、位置、电量和电压等信息给使用者[22]。因此遥控器的性能对产品的安全性有很大的影响。遥控器设计一安全保护装置（部件1）。按下此部件，水上电动滑板实现通路，松开立马停止运动，这样能实现紧急情况下的断电制动。采用旋转式速度调节器（部件2），相对于按钮式速度调节器具有步骤少、阻力小的优点，在紧急情况下能对迅速对速度进行调节。采用两厢电池并联连入电路，当一块电池电量耗尽或失效时，另一块电池继续供电。图9 为水上电动滑板的遥控器。

图9 水上电动滑板的遥控器

第三，使用者在使用水上电动滑板时跌落水中后由于紧张未松开安全保护装置（部件1），手指卷入马达叶片中致残是常见的问题之一。针对这一问题可采用有限损坏原则，设计一阻力感知程序，当检测到异物进入后断开线路电源并对螺旋桨采取紧急制动，通过轴承的损伤换取人员安全。

第四，安全警示原则作为避免重大操作失误的有效途径，应合理运用在产品中。如电池电量即将耗尽时应通过警示音、遥控界面的警示图案进行提醒。在深水区域制动、遭遇危险时能通过发送危险求救信号向岸边人员进行求救。在内部线路故障时，提示动力系统、电子稳定控制系统、电池或无线传输出现问题，以便使用者停止使用，并及时排除故障。

4.结语

通过探究影响水上运动项目的安全性因素，明确水上运动产品安全性对项目安全的影响。从产品自身稳定性不足与产品危险应急性缺失两个方向进行归纳，制定FLUENT 仿真计算优化产品流体稳定性和安全保护结构设计提升产品应急性两种策略。运用FLUENT 软件对水上运动产品的表面流场进行分析计算，得到产品表面压力云图，三维流场速度云图等结果[23]，可以直接用来指导水上运动产品的稳定性设计。安全保护结构设计通过合理运用安全存在、完全保护、优先损坏、安全警示原则，能最大程度上提供产品应急性并保护使用者的安全。

两种策略是设计创新、科技工程、人机工学多领域融合的产物，协同运用提升水上运动产品的安全性[24]。以水上运动滑板为例，进行流体稳定性分析与安全保护结构设计，验证策略的可行性。其纵深研究，对推动设计、产业、企业融合创新发展具有重要价值，对促进社会经济文化科技融合创新发展具有重要意义。