感性工學(xué)下的民用直升機造型設(shè)計

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概述

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)初步建立起了比較完善的研制生產(chǎn)當代直升機的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，基本滿足了部隊裝備和國防現(xiàn)代化建設(shè)的需要。隨著我國低空空域管理的逐步開放，民用直升機的總體需求也在逐年增長。但是，目前我國民用直升機的產(chǎn)業(yè)發(fā)展相較于市場需求有些滯后，這是由于除功能使用之外，用戶對于民用直升機的審美和服務(wù)都提出了更高的要求。因此，國內(nèi)直升機企業(yè)應(yīng)加速提升自主創(chuàng)新研發(fā)能力，提高自身市場競爭力，搶占國內(nèi)民用直升機市場。目前，大多數(shù)學(xué)術(shù)研究主要關(guān)注于直升機的各項關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和性能提升，對于直升機外觀造型的研究則少之又少。因此，本文擬引入感性工學(xué)的研究方法對直升機的造型設(shè)計進行研究。由于該方法在前期需要收集大量有鮮明造型特點的直升機圖片，而且對于用戶的選擇范圍比較寬泛，不適用于軍用直升機，故而本文主要針對民用直升機進行設(shè)計研究。

感性工學(xué)理念

“感性工學(xué)”一詞由馬自達汽車集團前會長山本健一先生，于1986年在美國密西根大學(xué)發(fā)表題為《汽車文化論》的演講中首次提出。感性工學(xué)是一種應(yīng)用工程的定量化手段來研究人的感認知性與物的設(shè)計特性間關(guān)系的理論。一件好的產(chǎn)品不光要滿足用戶對其功能上的需求，更要在形態(tài)上貼合用戶的認知，引起用戶的情感共鳴。因此，感性工學(xué)這門學(xué)科才會應(yīng)運而生，它量化用戶的情感因素，將這些模糊不明的感性需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計要素。由于感性工學(xué)是一門比較新的學(xué)科，因此還未有統(tǒng)一的分類方式。在此，只列舉最為經(jīng)典的日本學(xué)者長町三生教授的分類方法。1）類別分類法：該方法首先明確產(chǎn)品策略，經(jīng)由各式行業(yè)曲線可替代度影響力可實現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實度感性信息，凝聚成產(chǎn)品概念，再從產(chǎn)品概念（第0次元感性概念）向下逐次展開，直到最后出現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的具體物理參數(shù)為止。2）感性工程系統(tǒng)法：該方法建立一個由感性詞匯數(shù)據(jù)庫和意象數(shù)據(jù)庫所組成的專家系統(tǒng)。建立這樣的可逆系統(tǒng)后，即可進行用戶感性認知與產(chǎn)品設(shè)計要素之間的轉(zhuǎn)譯工作，來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計工作。此種方法可以分為“順向型感性工學(xué)系統(tǒng)”與“逆向型感性工學(xué)系統(tǒng)”兩大類型，前者是將用戶的感性需求譯為產(chǎn)品的設(shè)計要素，再指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)工作；后者是將設(shè)計方案轉(zhuǎn)譯，反向評估設(shè)計方案可能激發(fā)的用戶感性需求。本文擬采用順向型感性工學(xué)系統(tǒng)方法指導(dǎo)造型設(shè)計，其具體技術(shù)路線如圖1所示。3）混合感性工程系統(tǒng)法：該方法是將上述順向型及逆向型兩種系統(tǒng)整合為一個可雙向轉(zhuǎn)譯的混合系統(tǒng)。4）感性工程模型法：該方法是建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型，來構(gòu)造感性因素。5）虛擬感性工程法：該方法是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以各種仿真設(shè)備模擬出多媒體虛擬空間，分析驗證設(shè)計構(gòu)想。由于感性工學(xué)的方法適用范圍較廣，近些年來已經(jīng)在汽車的造型研究上取得不小的進展，極大地提高了造型表達效率。鄭先鋒等將汽車外觀進行要素分解，進而通過問卷分析用戶的興趣點要素排序，篩選出用戶關(guān)注度高的要素進行有針對性的設(shè)計，但問卷選擇的專業(yè)用戶數(shù)量較少，統(tǒng)計數(shù)據(jù)說服力不足。姚湘等將汽車側(cè)面車身進行抽象簡化，研究用戶的感性認知和汽車的造型元素之間的關(guān)系。由于針對汽車的造型分解和用戶定位不能直接應(yīng)用于直升機上，因此需要改進感性工學(xué)的研究方法，重新分析民用直升機的造型元素和用戶興趣點，使其適用于民用直升機的造型設(shè)計。

民用直升機造型設(shè)計流程

以往的民用直升機設(shè)計流程分為4個階段，如圖2所示：①明確直升機的設(shè)計定位，調(diào)查潛在使用用戶需求和同類競爭機型情況，吸取現(xiàn)有成功機型的亮點和技術(shù)，擬定獨有的創(chuàng)新點或賣點；②結(jié)合前期調(diào)研階段的諸多信息，如各項參數(shù)特征、重量、交點數(shù)據(jù)等，設(shè)計人員進行頭腦風(fēng)暴，繪制概念草圖方案，經(jīng)過多輪討論完善二維方案；③將二維草圖落實成三維曲面模型，在保證原有設(shè)計思路不變的基礎(chǔ)上，進一步修正外觀造型，完善初期設(shè)計方案；④根據(jù)各系統(tǒng)的新增設(shè)備要求或者駕駛艙人員布局進行多輪的工程化迭代，同時進行機身整體的氣動阻力優(yōu)化，進一步調(diào)整造型設(shè)計。由于在以往的設(shè)計過程中，許多造型的細節(jié)問題不能被一次性統(tǒng)籌考慮到，會造成直升機在開發(fā)過程中反復(fù)進行無用的設(shè)計外形迭代，引起項目開發(fā)時間過長、產(chǎn)品造價過高等問題。而基于感性工學(xué)的造型設(shè)計方法就是要改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計順序，在設(shè)計初期進行介入，輔助概念草圖設(shè)計，使設(shè)計更具有方向性和實用性。具體設(shè)計流程如下：1）搜集大量民用直升機的樣本圖片。圖片的選取標準如圖3所示：一是能夠清晰的體現(xiàn)直升機完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)；二是背景較為干凈，不會影響直升機主體辨認。第一輪要去除外形相近造型的直升機，選出具有代表性特征的直升機圖片。由于此次進行的是造型研究，因此第二輪要排除非造型因素的干擾，對圖片進行去色處理，以供后續(xù)問卷使用。2）搜集形容民用直升機的感性意象詞匯，初期通過雜志翻閱、市場調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)獲取等多種渠道盡可能多地搜集描述性詞匯，然后經(jīng)過合并同義詞、刪除貶義詞等操作篩選詞匯，這樣可以有效提高感性詞匯選擇上的準確性，最后選出以下具有代表性的詞義相反的感性詞匯對。由于過多的形容詞將會使受試者產(chǎn)生厭煩心理，使測試結(jié)果失去真實性，因此在進行下一步問卷調(diào)查時，需要通過集群分析或小組討論等方法對這些形容詞對進行篩選，留下5~10組最能精準描述該類型機的形容詞。3）建立語義空間，結(jié)合上一步得到的感性詞匯對構(gòu)建7級語義差分量表。在進行受試者選擇的時候，可以選取民用直升機的意象購買人群、有駕駛經(jīng)驗的飛行員或從事直升機相關(guān)工作的設(shè)計人員等，綜合普通用戶和專家用戶的意見，對照直升機的樣本圖片進行問卷調(diào)查，以此來說明不同直升機造型帶給用戶的感性趨勢。4）提取民用直升機形態(tài)要素，對直升機的外觀結(jié)構(gòu)如艙門、風(fēng)擋玻璃、動力艙整流罩、平垂尾等零部件進行粗略劃分，結(jié)合專家意見將民用直升機可辨識的形態(tài)要素和造型處理用線描的方式突出標示出來。進而通過上一步的問卷調(diào)查結(jié)果確定對用戶感性認知影響較大的主要形態(tài)要素。下面以一張中型直升機的側(cè)視圖分析民用直升機的通用結(jié)構(gòu)。5）研究感性詞匯與形態(tài)要素之間的對應(yīng)關(guān)系，針對不同的形態(tài)要素建立進一步的問卷調(diào)查，分析各項形態(tài)要素是如何影響用戶的感性評價以及影響程度等，以此來指導(dǎo)后續(xù)直升機的造型設(shè)計。在具體實踐中，可采用灰色關(guān)聯(lián)分析、最優(yōu)尺度分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進行分析研究。

實例驗證

以AC300型機為例進行感性工學(xué)的造型設(shè)計實踐，在設(shè)計初期，敲定競速頭盔作為該型機的靈感來源，形態(tài)轉(zhuǎn)換的線條見圖6所示。不僅是因為兩者具有相似的低阻化外形，還因為性能上也有相近之處。一是，為避免增加用戶的載重負擔，頭盔的重量都盡可能輕，契合了超輕型直升機輕巧靈活的重量級特征和減輕自重的實際需求。二是，頭盔作為一種頭部護具，具有較好的減震防護作用，出于以人為本的設(shè)計原則，在滿足功能需求的前提下更需要保護好用戶，這也符合了直升機的安全性要求。隨著設(shè)計思路的確定，引入基于感性工學(xué)的民用直升機造型設(shè)計方法來完善設(shè)計細節(jié)。具體實施流程如下：1）搜集超輕型直升機的樣本圖片。由于超輕型直升機的起飛重量較小，整個機體設(shè)計較為緊湊，因此相較于側(cè)視圖，其他視圖角度的造型趨于同質(zhì)化，線條沒有大的轉(zhuǎn)折變化，給用戶的觀感區(qū)別不大。本文全部選取側(cè)視圖角度的樣本圖片進行對比分析。在去除相近造型、去色處理之后，選取出8張樣本圖片進行后續(xù)的調(diào)查使用。2）經(jīng)過兩輪篩選，選出5組形容超輕型直升機的代表性感性詞匯對：“個性的－大眾的”、“視野寬闊的－視野局促的”、“圓潤的－硬朗的”、“流線型－幾何型”、“輕盈的－穩(wěn)重的”。3）結(jié)合上一步得到的5組感性詞匯對構(gòu)建7級語義差分量表。由于目前為初步設(shè)計階段，因此選取30名直升機設(shè)計人員作為問卷調(diào)查的對象，對照8張樣本圖片進行問卷調(diào)查。4）提取超輕型直升機形態(tài)要素，確定以下5個形態(tài)要素可能會對用戶的感性認知造成較大的影響：風(fēng)擋玻璃、艙門玻璃、艙門、座艙罩、尾部整流罩。5）分析感性詞匯與形態(tài)要素之間的對應(yīng)關(guān)系。風(fēng)擋玻璃需要給用戶提供足夠的視野，與艙門玻璃一起，兩者的造型設(shè)計可以聯(lián)動考慮，設(shè)計為弧形。艙門的造型要與整體座艙罩造型相協(xié)調(diào)，弧線的設(shè)計更能體現(xiàn)直升機整體造型的圓潤流線之感。半包裹式的尾部整流罩既可以包住發(fā)動機，盡可能減少風(fēng)阻，又可以承接座艙罩下方的流線線條，更好地體現(xiàn)整體的流暢感。根據(jù)感性工學(xué)的研究方法進行AC300型機的造型設(shè)計，縮短了近1/4的開發(fā)周期，同時降低了設(shè)計失敗風(fēng)險，減少了生產(chǎn)制造成本。在最終的設(shè)計成品中，整體座艙罩近似蛋形，舍棄了概念設(shè)計的特征曲面，保留了圓潤光滑的曲面。由于前期試驗表明，光機身是產(chǎn)生全機阻力的主要部分，因此，重點對機頭進行了減阻優(yōu)化設(shè)計，在保持原有造型思路不變的前提下，增大側(cè)視圖曲線的曲率，收窄座艙機身的寬度。此外，為使直升機在靜止狀態(tài)下也能體現(xiàn)出速度感，對擋風(fēng)玻璃和艙門玻璃進行聯(lián)動設(shè)計，在保證視野要求和工藝要求的前提下，做出具有美感的形面設(shè)計。尾部整流罩設(shè)計為半包裹式，承接了座艙下端的曲線，像一尾游魚連到尾梁處。

結(jié)語

本文運用感性工學(xué)的研究方法，綜合各項工程量化手段，將用戶的感性認知定量化，以此來分析用戶對于民用直升機不同形態(tài)要素產(chǎn)生的直觀心理感受，指導(dǎo)外觀造型設(shè)計，從而建立起較為完善的民用直升機造型設(shè)計流程。而后通過AC300型機的設(shè)計過程進行驗證，不僅提高了設(shè)計生產(chǎn)效率，而且驗證了此方法的可行性和實用性。這種基于感性工學(xué)的民用直升機造型設(shè)計研究方法，不僅為后續(xù)其他在役的民用直升機的造型優(yōu)化改進提供了新的思路，也為未來進行AC系列民用直升機的家族化設(shè)計提供了有力的支撐，以期創(chuàng)造出獨樹一幟的系列造型風(fēng)格。

作者：趙凱琳 石春琴 宋倩 單位：中國直升機設(shè)計研究所