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飛機概念設(shè)計的多向思維概述
論文摘要:飛機設(shè)計是專業(yè)性較強的設(shè)計門類,傳統(tǒng)上一向以技術(shù)指標為導向進行設(shè)計。然而從工業(yè)設(shè)計的視角而言,設(shè)計概念發(fā)展是多向的,是從多種可能中抉擇出的最佳結(jié)果。這有賴于開闊的設(shè)計思維,全面的認識和思考設(shè)計對象。從設(shè)計實踐出發(fā),飛機概念設(shè)計可以以基于原型的變型化設(shè)計、基于飛行技術(shù)發(fā)展趨勢的概念化設(shè)計及基于環(huán)保的綠色化設(shè)計等幾個方向,多向探討其設(shè)計理念與方法。
論文關(guān)鍵詞:飛機,概念設(shè)計,多向思維,變型設(shè)計
  隨著技術(shù)的進步和時代的發(fā)展,飛機等飛行器越來越多的影響著人們的生活。雖然已有100多年的研究歷史,但現(xiàn)代人們對飛行技術(shù)的研究興趣仍在迅速擴大著。在世界范圍內(nèi),飛行器概念設(shè)計類的競賽如火如荼,如美國直升機協(xié)會(AHS)主辦的年度設(shè)計比賽;在國內(nèi),以中國航空學會“創(chuàng)新杯”未來飛行器設(shè)計大賽為代表的設(shè)計競賽,也正迅速的擴大著影響。
  雖然飛機設(shè)計是技術(shù)應(yīng)用性非常強的領(lǐng)域,但概念的創(chuàng)意與生成仍是飛機設(shè)計重要的初步程序,決定著其創(chuàng)新性、基本特征和主要框架。重要性越來越引起人們的重視。而概念創(chuàng)意是一個非良構(gòu)問題,沒有單一的線性解答方式,從多角度思考設(shè)計問題,靈活地進行多向思維,成為概念設(shè)計的必要條件。
  1、多向的設(shè)計制圖
  設(shè)計師思維從來就不應(yīng)該是單一和線性的,多角度思考成為專業(yè)能力中最重要的方面。其思維的結(jié)果總是以一定的繪圖表達出來,再進行反復推敲。
  與靜止狀態(tài)的物體不同,飛機一般指有動力飛行的航空器,機動動作包括盤旋、滾轉(zhuǎn)、俯沖、筋斗、轉(zhuǎn)彎、躍升等,姿態(tài)更為復雜,并非是單一或零碎的圖形所能表達。
  多向靈活的設(shè)計思維首先要基于多向的設(shè)計制圖。由于飛機的動平衡飛行特點,設(shè)計制圖需要以動態(tài)處理為出發(fā)點,利用多角度制圖的方式,進行多向分析和思考,如圖1。而且,不僅要有飛機外形整體圖,也要有多達十幾個控制切面等輔助性圖形,多畫面的草圖本身就構(gòu)成了復雜的體系,其中蘊含豐富的信息內(nèi)容。如圖2。
  多向的繪制設(shè)計圖,重點在于:1、繪圖的目的是輔助思考,不過早地為前期的設(shè)計思想所限制,需要始終保持多方面的靈活思考;2、審視設(shè)計圖時,要綜合判斷不同部位多種解決方案的相互影響性,發(fā)現(xiàn)設(shè)計參數(shù)變化對設(shè)計意圖實現(xiàn)的影響。如重心改變所帶來的不平衡性等。
  
  圖1:飛機的多視角復合的整體圖
  來源:作者
  
  圖2:飛機設(shè)計的三視圖
  來源:JanRoskam[美],《AirplaneDesign,Part1:PreliminarySizingofAirplanes》,DARCorporation(Design,AnalysisandResearch),Lawrence,Kansas,2003:Ⅹ
  2、多向的認知思維
  多向思維的作用機制體現(xiàn)于兩個方面:多向的認知與多向的創(chuàng)造。其中,認知是設(shè)計的先行條件,包含對飛機的技術(shù)條件認知和文化等其他的多元認知。
  謝友柏院士提出現(xiàn)代設(shè)計是以知識為基礎(chǔ),以知識獲取為中心,設(shè)計活動可以看成是知識流動的過程。認知就是對產(chǎn)品知識的認識和理解,是有限制條件下的感性觀察到理性接受相應(yīng)知識,并同設(shè)計者心理、狀態(tài)、經(jīng)驗等相聯(lián)系,產(chǎn)生一定的聯(lián)想的過程。針對飛機概念設(shè)計,限制條件主要在于飛機的飛行原理與一般功能結(jié)構(gòu),及飛行技術(shù)的一些發(fā)展趨向。
  如飛機最重要部件是機翼,以機翼產(chǎn)生分層氣流,機翼形狀是有一定標準的,以符合升力原理;翼尖形狀要考慮渦流阻力的減小作用;機翼上還有副翼、襟翼等控制部件。以及一些設(shè)計參數(shù),如:機翼面積、展弦比、根梢比、后掠角、翼型相對厚度、安裝角、上反角、扭轉(zhuǎn)角等。
  飛機的技術(shù)條件認知是開展設(shè)計的基礎(chǔ),概念創(chuàng)意不能回避基本的飛行原理。綜合而言,組成飛機的五大部分是:機翼,機身,發(fā)動機,起落架和尾翼,針對每一個部分需要掌握基本原理,在相應(yīng)的規(guī)則下進行設(shè)計創(chuàng)新。
  以直升機為例,技術(shù)認知應(yīng)包含發(fā)動機與傳動系統(tǒng)、主旋翼、尾槳、機身結(jié)構(gòu)和起落架、航空電子設(shè)備等技術(shù)性要素,還要分析噪聲、穩(wěn)定性和相關(guān)控制系統(tǒng)、安全與舒適性、重心分布、任務(wù)能力等。如圖3。
  
  圖3:直升機主要結(jié)構(gòu)部件圖
  來源:25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory,Athena,DanielGuggenheimSchoolofAerospaceEngineeringGeorgiaInstituteofTechnology,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_gaTech2008.pdf
  認知是創(chuàng)造的基礎(chǔ),沒有相關(guān)的專業(yè)知識,就不能運用專業(yè)技術(shù)進行創(chuàng)造。然而,知識與創(chuàng)造性往往成反比,知識越多,思維的定勢越多,對創(chuàng)造性的限制越多。
  所以,設(shè)計需要有多向的認知,以保持較寬的知識面,和豐富的想象力,能舉一反三。如研究鳥類翅膀,一般都是內(nèi)凹形,升力系數(shù)大,可應(yīng)用于一些特殊的設(shè)計目的通過仿生的認知可以有效開拓設(shè)計思路。
  3、多向的概念發(fā)展
  概念設(shè)計也可稱為產(chǎn)品創(chuàng)新或創(chuàng)新構(gòu)想,就是對即將開發(fā)的新產(chǎn)品基本功能和效用、造型、結(jié)構(gòu)、功能使用的對象等所做的設(shè)想。其核心要素是創(chuàng)新性。
  概念設(shè)計是符合邏輯的創(chuàng)新過程,是在掃描技術(shù)可能時產(chǎn)生的創(chuàng)新聯(lián)想。在飛機設(shè)計中,這種有依據(jù)性的創(chuàng)新思路也是多向發(fā)展的:
 。1)基于原型的變型化設(shè)計
  由技術(shù)性能決定的第一代產(chǎn)品一般稱為原型產(chǎn)品,著重于技術(shù)參數(shù)的實現(xiàn)。 而變型設(shè)計是一種設(shè)計方法和設(shè)計過程,它的基本思想是通過改進已有的系列產(chǎn)品或設(shè)計實例來適應(yīng)新的設(shè)計需求。
  圖4為根據(jù)FURIA輕型直升機進行的變型設(shè)計,著重于機身外形的設(shè)計。設(shè)計基于已有的工作原理,采用了基本不變的結(jié)構(gòu)方案,以文化、審美、情感需求等要素,對外形和結(jié)構(gòu)進行局部調(diào)整,產(chǎn)生適應(yīng)性的變型產(chǎn)品。
  變型化設(shè)計難度小,適應(yīng)性強,更有利于著重從產(chǎn)品使用性上進行思考,而不過多被技術(shù)可行性所束縛,也利于探討文化等設(shè)計深層次問題。
  
  圖4:輕型直升機變型設(shè)計
  來源:作者
 。2)基于飛行技術(shù)發(fā)展趨勢的概念化設(shè)計
  現(xiàn)代條件下,飛機的技術(shù)發(fā)展非常迅速。如,由于飛行控制技術(shù)能力的提高,固定翼飛機出現(xiàn)無尾翼的設(shè)計,省略掉原來用于飛行穩(wěn)定與姿態(tài)控制的水平尾翼和垂直尾翼,機體結(jié)構(gòu)簡化,減小了飛機的結(jié)構(gòu)重量。相似的,直升機也出現(xiàn)無尾槳設(shè)計,而原尾槳作用主要在于平衡主旋翼對機身的反向旋轉(zhuǎn)作用,典型的成功案例是麥道直升機公司為代表的無尾槳直升機(NOTAR)技術(shù)的應(yīng)用,其優(yōu)勢在于直升機事故中有75%與尾槳有關(guān),無尾槳飛機零件較少,故障可能和維護費用也就相應(yīng)減少,大致比有槳機可靠50%,見圖3NOTAR原理圖。
  這樣的技術(shù)進步極大的影響著飛機的概念設(shè)計思路。有代表性的幾種發(fā)展趨勢如:翼身融合技術(shù)(BlendedWingBody)、聯(lián)合翼或斜拉翼(JoinedWing/Strut-BracedWing)、空天飛機(AccesstoSpace)、太陽能飛機(solar)等。
  除了以上一些飛行技術(shù)發(fā)展態(tài)勢以外,直接對生物體機能進行研究,也對概念設(shè)計產(chǎn)生重要影響。如美國宇航局(NASA)就開展了一系列從生物系統(tǒng)中獲取飛行技術(shù)開發(fā)靈感的研究計劃,認為:自然界中的飛行動物,如鳥類、昆蟲等,表現(xiàn)出了多樣的飛行能力與技巧,其中許多都還不為人類所掌握,而這存在著巨大的潛在應(yīng)用價值。
  概念設(shè)計創(chuàng)新正是基于對新的可能性的探討。開拓的視界,才能為探討新的可能性提供更廣闊的方向。如圖5。
  
  圖5:斜拉翼飛機概念設(shè)計
  來源:作者
 。3)基于環(huán)保的綠色化設(shè)計
  綠色設(shè)計又稱面向環(huán)境的設(shè)計DFE(DesignforEnvironment)或全生命周期設(shè)計LCD(LifeCycleDesign),是對產(chǎn)品從需求開發(fā)到回收利用,全過程做節(jié)約能源、材料,減少環(huán)境危害,降低使用成本的設(shè)計觀念和設(shè)計方法。
  如圖6是美國馬里蘭大學學生在25屆AHS年度設(shè)計競賽中的獲獎作品“Volterra:theEraofGreen”,從全生命周期減低使用耗費的角度進行的概念化綠色設(shè)計。圖7為全電動滑翔機概念設(shè)計,不使用化石燃料,而且可以減少飛行噪聲,以實現(xiàn)環(huán)境保護的目的。
  從需求到產(chǎn)品制造,綠色設(shè)計已成為設(shè)計的核心要求。在多向的設(shè)計思維中,更是不可忽視的創(chuàng)新方向。
  
  圖6:直升機結(jié)構(gòu)部件圖
  來源:25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory,Volterra:theEraofGreen,AlfredGessowRotorcraftCenter,DepartmentofAerospaceEngineeringUniversityofMaryland,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_umdKonkuk2008.pdf
  
  圖7:全電滑翔機設(shè)計
  來源:作者
  4、總結(jié)
  產(chǎn)品概念設(shè)計階段的工作,高度地體現(xiàn)了設(shè)計的藝術(shù)性、創(chuàng)造性、綜合性以及設(shè)計師的經(jīng)驗。成功的概念設(shè)計,所蘊含的豐富信息應(yīng)該遠超過圖紙上直接表達的內(nèi)容。設(shè)計師多向的、深思熟慮的問題思考,是達成其實現(xiàn)的必要條件。
  飛機作為高科技產(chǎn)品,除了技術(shù)創(chuàng)新外,在人文價值、環(huán)境價值上還需要進行更多、更寬泛的多向思考。對包括工程、市場等方面的各種設(shè)計人員而言,飛機概念設(shè)計都是思維能力的重要挑戰(zhàn)。
  (江蘇省教育科學十一五規(guī)劃2009年度課題項目編號D/2009/01/062>)
參考文獻
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關(guān)鍵字:機械,江蘇
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