农机产品设计中艺术外观表达效果研究

陈雨潇

(郑州商学院,郑州 451200)

0 引言

随着工业设计的飞速发展,人们的要求不断提高,对于农机而言,人们不再局限于作业能力、空间和舒适度的要求,农机的外观造型成为新阶段人们渴望程度的一个新标准。因此,将艺术外观美学设计应用在农机设计生产上,能够极大地满足使用者的生理和心理需求以及对于视觉审美的需求。本文将艺术外观设计和农机设计相结合,基于SolidWorks软件设计了一款农业拖拉机,大大改善了农机产品的造型和外观效果。

1 艺术外观设计的作用

艺术是一种精神层面上的设计,核心价值是欣赏,主要是注重思想和情感的表达;而设计则注重外观和产品的实用性,其最终结果是产品,最后是为市场服务的。由此可以看出,产品的设计和艺术创作都为创造性活动,但也存在共同和差异的地方,二者在产品生产过程中影响因素也差别较大。将艺术和科技创新结合在一起,是产品生产和设计的发展趋势,产品外观设计便可以利用这种协调作用,实现功能与艺术的结合,以及艺术性和实用性的统一。

外观设计是一种艺术创作,主要是为了将精致和典雅的艺术实现大众化,将比较难懂的艺术内涵直接表达出来,让没有艺术基础的消费群体能够理解和喜爱,这是众多外观设计工程师追求达到的艺术境界。在设计过程中引入艺术元素,便能实现产品的功能性与艺术性的结合与统一。采用流水线艺术外观设计的农业拖拉机如图1所示。

图1 采用流水线艺术外观设计的农业拖拉机Fig.1 The agricultural tractor with assembly line artistic appearance design

该拖拉机设计整体上采用遛背式的造型,黑白相接的轮毂有种纵横交错的感觉,贯穿发动机引擎盖的渐变式腰线设计使拖拉机整体具有了很好的运动感,给人以敦实、稳健感觉的同时,也带来了整体的协调美观。

2 基于SolidWorks的农机产品设计

2.1 农机产品虚拟样机设计流程

农机产品传统的设计流程是确定产品定位和参数->方案->草图->3D模型->仿真->样机,这样整体的设计周期太长。采用SolidWorks软件直接对三维模型进行设计和仿真,可以达到更快和更好的推广效果,且设计的图片更加接近实物。农用拖拉机虚拟样机设计流程如图2所示。

图2 农用拖拉机虚拟样机设计流程图Fig.2 The flow chart of agricultural tractor virtual prototype design

2.2 Bezier曲线设计方法

零部件曲面造型设计从Coons、Bezier、B样条的数学描述方法,再到NURBS技术,实现了曲线曲面几何造型设计方式的统一。在此,采用Bezier曲线设计农用拖拉机发动机引擎盖。

Bezier曲线方法由法国雷诺公司员工P.E.Bezier在1962年提出,是采用逼近基础的参数曲线设计零部件。Bezier曲线方法可以采用较少的控制点实现对零部件的操作和设计,对外观设计来说非常方便。n次Bezier曲线采用在各个坐标上进行插点的方式,插点表达式为

(1)

其中,n为曲线的次数;t为参数值;Pi为特征多边形各顶点的位置矢量值;Bi,n(t)为曲线上各点位置矢量的调和函数。

(2)

以三次Bezier曲线作为分析的实例(见图3),此时n=3,根据表达式(1)和式(2),可得

C(t)=(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3

(3)

图3 三次Bezier曲线Fig.3 Cubic Bezier curve

对应的矩阵表达式为

=TMzP

(4)

其中,Mz为三次Bezier曲线的矩阵向量。

结合Bezier曲线表达式的性质,可以推算出其曲面表达式为

(5)

(6)

(7)

其中,Bi,m(u),Bj,n(v)为基函数;u和v为参数值;m为曲面在u方向的次数;n为曲面在v方向的次数。

在实际设计过程中,一般将m和n的值设定为4以下。双三次Bezier曲面如图4所示。

2.3 基于三维曲面的零部件艺术外观设计方法

以农用拖拉机发动机引擎盖为例,采用双三次Bezier曲面对其进行设计。构成农用拖拉机发动机引擎盖外形曲线的控制型线包括控制和辅助两种线条,用于实现对纵向、横向方向的剖面轮廓线的设计,所有的型线最终可以分为平面型线和空间型线两类。

由于农用拖拉机发动机引擎盖沿着纵向剖面对称,因此只需设计纵向对称面一侧的型线即可。利用SolidWorks创建基本控制型线后,采用尺寸和图像约束条件,进行合适的剖切生成许多条纵向和水平剖面型线;然后,互相交织在一起形成发动机引擎盖的三维线框模型;最后,观察生成的线框模型,检查其曲率的连续性,对不符合需求的线条进行修改,以满足高质量外形曲面的要求。农用拖拉机发动机引擎盖设计流程如图5所示。

图4 双三次Bezier曲面图Fig.4 Bicubic Bezier surface graph

图5 农用拖拉机发动机引擎盖设计流程图Fig.5 The flow chart of agricultural tractor engine hood design

以农用拖拉机发动机引擎盖为例,分析其曲面建模步骤,具体流程如下:

1)打开Solid Works软件,选择“零件”module,开始搭建建模环境,选择“前视基准面”绘制发动机引擎盖草图;接着,使用“特征”工具中的“倒角”,选择为发动机引擎盖上顶面设置倒角,并分别输入20mm 和 15mm,完成引擎盖基本体块的创建,如图6所示。

图6 引擎盖基本体块Fig.6 Bonnet primitive block

2)选取引擎盖基本体块为草图平面,绘制引擎盖凸台轴心线草图及圆形草图,利用“特征”工具的“分割线”,选择绘制的分割线草图投影至引擎盖凸起的保护地方,完成引擎盖凸台的创建。

3)选择“插入”的“删除面”命令,将手动分割出的引擎盖下面安放发动机、电池和水箱的地方删除。选取“曲面实体”中的“曲面填充”,再利用主体边线作为修补的界限;利用“曲面实体”的“曲面缝合”工具,将填充的曲面和主体衔接起来,然后删除凸起的部分,选取“特征”工具的“抽壳”命令,设定“抽壳”厚度为3.28mm,完成引擎盖的抽壳,如图7所示。

图7 农用拖拉机发动机引擎盖三维图Fig.7 The three dimensional drawing of agricultural tractor engine hood

3 虚拟装配设计试验

按照前文介绍,根据发动机引擎盖的方法,完成农用拖拉机所有零部件的设计后,便可以建立虚拟样机对各零部件进行虚拟装配。SolidWorks软件虚拟装配包括自底向上和自顶向下两种方法。本文设计的农用拖拉机采用前者,通过机器零部件来控制整个装配过程。由于农用拖拉机结构复杂、零部件多,采用该方法可有效控制农用拖拉机零部件的关系,同时方便根据设计需要对装配零部件进行修改,提高设计效率。

在农用拖拉机装配设计中,可以采用SolidWorks软件的装配手段,利用铰接点转动副配合约束使用“同心”、移动副约束使用“重合”和“相切”的方法。为了提高协调装配的效率,本文还利用了子装配体处理方法,即先将部分零部件装配成子装配体,再在总体装配时完成农用拖拉机整机的装配。装配完成后的农用拖拉机虚拟样机如图8所示。

图8中,将艺术外观表达效果应用在农机设计中,使得农机运动感十足,大大改善了农机产品的造型和外观效果,在保持功能正常的同时大大提高了欣赏性。

图8 农用拖拉机虚拟样机装配图Fig.8 The assembly drawing of virtual prototype of agricultural tractor

4 结论

首先,介绍了艺术外观设计的作用,并将其运用在农机设计中,实现了产品的功能性与艺术性的结合与统一;然后,基于SolidWorks软件采用Bezier曲线对农机零部件艺术外观进行设计;最后,进行了虚拟装配试验。结果表明:将艺术外观表达效果应用在农用拖拉机设计中,提升了农机的运动感,给人以敦实、稳健感觉的同时,大大改善了农机产品的造型和外观效果,让农机保持功能正常的同时大幅提升了欣赏性。