感性工學下的民用直升機造型設計

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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都提出了更高的要求。因此，國內(nèi)直升機企業(yè)應加速提升自主創(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的研究方法對直升機的造型設計進行研究。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計研究。

感性工學理念

“感性工學”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發(fā)表題為《汽車文化論》的演講中首次提出。感性工學是一種應用工程的定量化手段來研究人的感認知性與物的設計特性間關(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，感性工學這門學科才會應運而生，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)品的設計要素。由于感性工學是一門比較新的學科，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)品設計要素之間的轉(zhuǎn)譯工作，來指導產(chǎn)品設計工作。此種方法可以分為“順向型感性工學系統(tǒng)”與“逆向型感性工學系統(tǒng)”兩大類型，前者是將用戶的感性需求譯為產(chǎn)品的設計要素，再指導產(chǎn)品的設計研發(fā)工作；后者是將設計方案轉(zhuǎn)譯，反向評估設計方案可能激發(fā)的用戶感性需求。本文擬采用順向型感性工學系統(tǒng)方法指導造型設計，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)學預測模型，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)，以各種仿真設備模擬出多媒體虛擬空間，分析驗證設計構(gòu)想。由于感性工學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用于直升機上，因此需要改進感性工學的研究方法，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計。

民用直升機造型設計流程

以往的民用直升機設計流程分為4個階段，如圖2所示：①明確直升機的設計定位，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，設計人員進行頭腦風暴，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，在保證原有設計思路不變的基礎(chǔ)上，進一步修正外觀造型，完善初期設計方案；④根據(jù)各系統(tǒng)的新增設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)整造型設計。由于在以往的設計過程中，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)過程中反復進行無用的設計外形迭代，引起項目開發(fā)時間過長、產(chǎn)品造價過高等問題。而基于感性工學的造型設計方法就是要改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計順序，在設計初期進行介入，輔助概念草圖設計，使設計更具有方向性和實用性。具體設計流程如下：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，以此來指導后續(xù)直升機的造型設計。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)絡算法等數(shù)學方法對數(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的造型設計實踐，在設計初期，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。隨著設計思路的確定，引入基于感性工學的民用直升機造型設計方法來完善設計細節(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。由于目前為初步設計階段，因此選取30名直升機設計人員作為問卷調(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)要素之間的對應關(guān)系。風擋玻璃需要給用戶提供足夠的視野，與艙門玻璃一起，兩者的造型設計可以聯(lián)動考慮，設計為弧形。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)感性工學的研究方法進行AC300型機的造型設計，縮短了近1/4的開發(fā)周期，同時降低了設計失敗風險，減少了生產(chǎn)制造成本。在最終的設計成品中，整體座艙罩近似蛋形，舍棄了概念設計的特征曲面，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，對擋風玻璃和艙門玻璃進行聯(lián)動設計，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計。尾部整流罩設計為半包裹式，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，指導外觀造型設計，從而建立起較為完善的民用直升機造型設計流程。而后通過AC300型機的設計過程進行驗證，不僅提高了設計生產(chǎn)效率，而且驗證了此方法的可行性和實用性。這種基于感性工學的民用直升機造型設計研究方法，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格。

作者：趙凱琳 石春琴 宋倩 單位：中國直升機設計研究所