趙文迪， 劉靜華， 梁建宏， 王田苗， 楊興幫， 姚國(guó)才

（北京航空航天大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系，北京 100191）

淺析水空跨介質(zhì)航行器仿生設(shè)計(jì)研究中的CAD技術(shù)應(yīng)用

趙文迪， 劉靜華， 梁建宏， 王田苗， 楊興幫， 姚國(guó)才

（北京航空航天大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系，北京 100191）

水空兩棲跨介質(zhì)無(wú)人航行器是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，該航行器預(yù)期實(shí)現(xiàn)水下潛伏，跨水空介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和空中飛行這3種航行狀態(tài)，存在著變密度、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、動(dòng)力轉(zhuǎn)換等技術(shù)問(wèn)題亟待解決。自然界中存在著可以自由穿梭于水空環(huán)境中的生物，將具有這種飛行本領(lǐng)的生物作為仿生對(duì)象，并進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)突破跨介質(zhì)無(wú)人航行器的關(guān)鍵技術(shù)研究有著重大意義。在介紹“鰹鳥(niǎo)”水空兩棲跨介質(zhì)無(wú)人航行器這一產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中的仿生設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)仿生設(shè)計(jì)的研究方法進(jìn)行創(chuàng)新，闡述CAD技術(shù)在仿生設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法及重要作用。

仿生設(shè)計(jì)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)；跨介質(zhì)航行器；鰹鳥(niǎo)

1 設(shè)計(jì)研究背景

1.1 仿生設(shè)計(jì)

在20世紀(jì)60年代，仿生學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科正式誕生[1]。其旨在通過(guò)學(xué)習(xí)與研究大自然，使得人類(lèi)的技術(shù)系統(tǒng)更加可靠、靈活，并達(dá)到低消耗高產(chǎn)出，提高工作效率，延長(zhǎng)使用壽命。

仿生設(shè)計(jì)學(xué)注重研究自然界生物系統(tǒng)中的優(yōu)秀進(jìn)化，包括各種功能結(jié)構(gòu)、外觀色彩形態(tài)、神經(jīng)控制傳感等等各種生物特征及其原理，并有選擇地將它們整合應(yīng)用于人類(lèi)的造物設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中[2]。

在當(dāng)今產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)流程中，仿生設(shè)計(jì)的應(yīng)用得到普遍關(guān)注。關(guān)于產(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)，德國(guó)著名設(shè)計(jì)師Luigi Colani曾說(shuō)過(guò)這樣的話(huà)，“設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)應(yīng)來(lái)自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理中[3]?！碑a(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向：功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩、機(jī)理等多個(gè)方面[4]。

在水空兩棲跨介質(zhì)無(wú)人航行器近年來(lái)的研究中，仿生的概念被多次提出，如圖1所示的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)研發(fā)的“鸕鶿”號(hào)無(wú)人航行器，密西根大學(xué) 2009年研制的能在海面自主起降的無(wú)人飛行器“飛魚(yú)”號(hào)，以及北京航空航天大學(xué) 2010年研制的“魚(yú)鷹”跨?？战缑骘w行器。然而，這些研究中的“仿生”只停留在對(duì)生物體抽象概念上的比擬，并未對(duì)生物本身進(jìn)行功能及運(yùn)動(dòng)上的仿生研究，現(xiàn)有的跨介質(zhì)無(wú)人航行器至今仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)水空介質(zhì)間的快速穿梭。因此，在這一研究中，對(duì)生物系統(tǒng)工作原理的機(jī)理研究至關(guān)重要。

圖1 “鸕鶿”號(hào)無(wú)人航行器

現(xiàn)代仿生設(shè)計(jì)逐步從單純地模仿生物體造型和賦予產(chǎn)品美好的語(yǔ)意，發(fā)展為研究生物運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征，從而尋找到功能和關(guān)鍵技術(shù)的突破。然而，仿生設(shè)計(jì)，這一工業(yè)設(shè)計(jì)中的重要設(shè)計(jì)方法，具有以下特點(diǎn)：生物體形態(tài)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)參數(shù)難以獲取等[5]。如何有效地研究仿生對(duì)象，分析其適應(yīng)方法、存活方式以及自我更新的方法，成為仿生研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。下文將運(yùn)用CAD(Computer Aided Design)技術(shù)進(jìn)行生物體仿生機(jī)理研究，新的仿生研究方法對(duì)深入研究生物體形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等方面有著重要的意義。

1.2 CAD技術(shù)

CAD技術(shù)，早在19世紀(jì)50年代末期被提出?，F(xiàn)今，CAD技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)制造、工程設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，CAD技術(shù)的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率，為之帶來(lái)了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程與生產(chǎn)模式產(chǎn)生了巨大的影響?？梢哉f(shuō)，它是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造而形成的一門(mén)綜合性新興學(xué)科。

目前，在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中，CAD技術(shù)主要應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的后期活動(dòng)，有一些活動(dòng)還難用CAD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如設(shè)計(jì)的需求分析、可行性研究及機(jī)理研究等前期設(shè)計(jì)研究過(guò)程，如圖2所示。

圖2 CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中的角色

CAD技術(shù)的應(yīng)用，可將實(shí)體的生物虛擬化，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，將龐雜的關(guān)系數(shù)據(jù)化，將腦中的概念可視化。因此，針對(duì)仿生研究中的形態(tài)不規(guī)則以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多問(wèn)題，CAD技術(shù)的應(yīng)用十分重要，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)提取、分析、仿真以及概念設(shè)計(jì)表現(xiàn)的過(guò)程中[5]。使得仿生過(guò)程不局限于觀察與單純模仿，而是深入分析其工作原理，提取可應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)和物理學(xué)、生物學(xué)特征，并與產(chǎn)品特點(diǎn)相結(jié)合。

下文以設(shè)計(jì)對(duì)象“仿鰹鳥(niǎo)跨?？战缑婧叫衅鳌钡某跗谠O(shè)計(jì)研究、可行性分析和機(jī)理研究為例，研究數(shù)據(jù)的采集、處理和三維建模。探索CAD技術(shù)在創(chuàng)新仿生研究方法中的應(yīng)用及作用，以及它在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中的角色擴(kuò)充。

2 產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)研究過(guò)程

前期設(shè)計(jì)研究過(guò)程是指，在設(shè)計(jì)建模仿真之前的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括：需求分析、可行性分析、機(jī)理研究以及初步概念設(shè)計(jì)等。其中仿生研究在可行性分析、機(jī)理研究過(guò)程中。

2.1 產(chǎn)品仿生對(duì)象選擇

在軍事上，人類(lèi)雖然已經(jīng)研制出可以在水下隱蔽航行的潛艇以及能在空中長(zhǎng)時(shí)間滯留的飛機(jī)[6]，但是還未實(shí)現(xiàn)一種可以快速、自由地出入于大海、天空界面之間的航行器。

潛艇是一種極其有效的作戰(zhàn)武器，隱蔽性和突然性顯著，能給水面艦艇、戰(zhàn)略目標(biāo)以出其不意的致命打擊，在海域作戰(zhàn)中起到重要作用。而戰(zhàn)斗機(jī)具有極強(qiáng)的空中襲擊能力，并可以快速轉(zhuǎn)移。同時(shí)，水下飛機(jī)的高速航行可以達(dá)到40～45節(jié)的航速，這樣的航速是潛艇無(wú)法睥睨的。水下飛機(jī)的靈活性也超出一般的航行器，可以做翻滾、俯沖、側(cè)滑等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，這使得在遇到魚(yú)雷的攻擊時(shí)，可以有效躲避魚(yú)雷的攻擊[7]。因此，飛行器與潛艇的結(jié)合必將掀開(kāi)海空多維立體作戰(zhàn)的新篇章。

在跨介質(zhì)無(wú)人航行器的研發(fā)基礎(chǔ)上，研究可載人、可入水亦可騰空的水陸飛行器具，對(duì)提升我國(guó)海空作戰(zhàn)能力有著重大意義?？蓾M(mǎn)足作戰(zhàn)中的多種需求：例如，水下潛艇突擊作戰(zhàn)，海上空軍躲避導(dǎo)彈，不定期空中情報(bào)收集，空軍與潛艇人員對(duì)接等?？缃橘|(zhì)航行器的軍事應(yīng)用前景廣闊，不僅在無(wú)人勘探方面具有市場(chǎng)潛力，也能應(yīng)用于空中物資、人員的運(yùn)輸方面，并在突擊作戰(zhàn)方面發(fā)揮著極大作用。設(shè)計(jì)對(duì)象水空兩棲跨?？战缑婧叫衅?，是一款可以快速穿梭于水空兩種介質(zhì)的無(wú)人機(jī)，它的特性與生物界中的一種鳥(niǎo)類(lèi)頗為相似，即鰹鳥(niǎo)。

鰹鳥(niǎo)是一種常見(jiàn)于南海諸島的大型海鳥(niǎo)，捕魚(yú)能力極強(qiáng)，因漁民習(xí)慣于跟著它們追捕魚(yú)群，而被稱(chēng)為“捕魚(yú)導(dǎo)航鳥(niǎo)”[8]。鰹鳥(niǎo)的捕魚(yú)能力主要源于它的兩種特殊本領(lǐng)：一是，當(dāng)鎖定捕食目標(biāo)后，急速?gòu)目罩懈_入水，讓魚(yú)群無(wú)法躲避。二是，它具有良好的水下行動(dòng)能力和重新飛向空中的本領(lǐng)。

概況而言，鰹鳥(niǎo)能通過(guò)身體姿態(tài)的改變，快速調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)?？战缑娴淖杂纱┧蟆Ｆ淙胨畧?chǎng)景及姿態(tài)如圖3～5所示。

圖3 鰹鳥(niǎo)集體捕食時(shí)的入水畫(huà)面

圖4 鰹鳥(niǎo)入水實(shí)拍圖

圖5 鰹鳥(niǎo)入水過(guò)程示意圖

將鰹鳥(niǎo)作為水空兩棲跨?？战缑婧叫衅鞯姆律鷮?duì)象，對(duì)航行器技術(shù)難點(diǎn)的攻克有著極大意義。研究?jī)?nèi)容主要包括：運(yùn)動(dòng)軌跡研究、骨骼結(jié)構(gòu)研究、入水速度與受力關(guān)系研究、翅膀入水后掠傾角與受力關(guān)系的研究等。

鰹鳥(niǎo)的跨介質(zhì)飛行能力可以很好地應(yīng)用于跨介質(zhì)無(wú)人航行器的研究。通過(guò)對(duì)其生物特性的研究，可以從3個(gè)方面進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)：①功能仿生：通過(guò)對(duì)生物體行為及目的的研究，提煉出功能模塊，并進(jìn)行設(shè)計(jì)。②結(jié)構(gòu)仿生：通過(guò)研究生物體構(gòu)造，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型及運(yùn)動(dòng)模型，研究結(jié)構(gòu)合理性。③形態(tài)仿生：通過(guò)生物形態(tài)研究，探索形態(tài)合理性并進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。

以上的仿生研究不在是單純的語(yǔ)意、形態(tài)上的比擬，而需要對(duì)鰹鳥(niǎo)進(jìn)行可測(cè)量的分析。只有運(yùn)用CAD技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)生物體的逆向工程建模、力學(xué)分析、數(shù)據(jù)分析以及概念設(shè)計(jì)呈現(xiàn)。下文將對(duì)仿生對(duì)象鰹鳥(niǎo)的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面研究[9]，引入 CAD技術(shù)在設(shè)計(jì)前期中的作用，以及對(duì)仿生研究方法的創(chuàng)新突破。

2.2 CAD技術(shù)在航行器仿生研究中的應(yīng)用

2.2.1 形態(tài)研究

在形態(tài)分析的研究過(guò)程中，主要應(yīng)用 CAD逆向工程研究方法，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)，完成生物體三維模型的建立，進(jìn)而為下一步的研究與分析做準(zhǔn)備。主要步驟是：通過(guò)三維激光掃描儀進(jìn)行生物體體征的形態(tài)掃描，利用Imageware逆向工程軟件生成曲面模型，建立初步水禽模型。進(jìn)而根據(jù)生物鰹鳥(niǎo)的實(shí)測(cè)體征數(shù)據(jù)，再通過(guò) Rhinos、SolidWorks等三維建模軟件對(duì)鰹鳥(niǎo)外形進(jìn)行逆向建模，得到其三維仿真數(shù)字模型。

由于鰹鳥(niǎo)屬于國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物，本實(shí)驗(yàn)中未能直接采用鰹鳥(niǎo)進(jìn)行逆向工程數(shù)據(jù)的采集。實(shí)驗(yàn)找到同為水禽，并且與其形態(tài)具有相似性的家鴨，先通過(guò)對(duì)家鴨的逆向工程建模，實(shí)現(xiàn)初步水禽模型的建立。然后，再用真實(shí)測(cè)量的鰹鳥(niǎo)體量數(shù)據(jù)，對(duì)水禽模型的參數(shù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行修改，建立鰹鳥(niǎo)仿真模型。建模過(guò)程如下：

首先，對(duì)生物體進(jìn)行處理，使其表面光潔，便于數(shù)據(jù)提取。利用單幅測(cè)量精度0.02mm的三維激光掃描儀對(duì)生物體進(jìn)行掃描，如圖6所示。進(jìn)行掃描后，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖7(a)所示，生成初步水禽模型，如圖7(b)所示。

圖6 通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)生物體進(jìn)行掃描

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖與初步水禽模型

然后，在計(jì)算機(jī)中，對(duì)初步水禽模型的體征參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其與真實(shí)的鰹鳥(niǎo)體征數(shù)據(jù)吻合，從而進(jìn)行鰹鳥(niǎo)三維仿真數(shù)字模型的建立。結(jié)合鰹鳥(niǎo)入水姿態(tài)，通過(guò) SolidWorks以及 Rhinos等CAD三維建模軟件對(duì)初步模型進(jìn)行二次建模。模型的姿態(tài)與形體特征參數(shù)設(shè)計(jì)都依據(jù)自然界中生物鰹鳥(niǎo)的數(shù)據(jù)所設(shè)置，其中，鰹鳥(niǎo)體長(zhǎng)為89cm，質(zhì)量為3.286kg[10-12]。

建模的主要方法如下：將所得的初步水禽模型導(dǎo)入Rhinos軟件，根據(jù)鰹鳥(niǎo)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修改，使用雙軌放樣等工具生成新的曲面，再導(dǎo)入SolidWorks軟件，使用其中的高級(jí)曲面工具，對(duì)所生物體形態(tài)多邊形模型進(jìn)行剪裁、修正等操作，從而形成封閉的曲面外形。最后，利用軟件的曲面構(gòu)造實(shí)體功能得到生物的體模型，如圖8、圖9所示。完成實(shí)體模型建模以后，利用SolidWorks的質(zhì)量特性測(cè)量工具即可得到體模型的體積數(shù)據(jù)，體積參數(shù)為 7027.1cm3，與真實(shí)測(cè)量的成年鰹鳥(niǎo)數(shù)據(jù)相符。

圖8 應(yīng)用Rhinos軟件對(duì)生物形態(tài)建立模型

圖9 應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)生物形態(tài)建立模型

其中，逆向工程的CAD建模過(guò)程，主要分為以下3個(gè)步驟：①量化形體特征：將生物體的形體特征量化為表面每一個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。②采集量化數(shù)據(jù)：應(yīng)用激光掃描儀采集點(diǎn)坐標(biāo)的空間坐標(biāo)值數(shù)據(jù)，形成點(diǎn)云。③重建三維模型：利用CAD技術(shù)，將分割后的三維數(shù)據(jù)作表面模型的擬合，得出實(shí)物的虛擬三維模型。

這種利用反求的方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究以及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中將得到廣泛運(yùn)用，實(shí)為CAD技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)前期研究的范例。與此同時(shí)，CAD逆向建模方法也被廣泛應(yīng)用到仿生學(xué)上，是科學(xué)家對(duì)生物體進(jìn)行深入分析乃至仿生運(yùn)用的通用手段。由于鰹鳥(niǎo)屬于國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物，本實(shí)驗(yàn)中未能直接采用鰹鳥(niǎo)進(jìn)行逆向工程數(shù)據(jù)的采集，但CAD技術(shù)仍在仿生研究中發(fā)揮了作用，它加快了建模速度，讓模型更貼近水禽的普遍形體特征，只需要在計(jì)算機(jī)環(huán)境中，按照采集的鰹鳥(niǎo)真實(shí)形態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和重建就可以得到鰹鳥(niǎo)的仿生模型。

應(yīng)特別說(shuō)明的是，如果是在能夠獲得研究對(duì)象生物體的前提下，可以通過(guò)逆向工程直接采集生物體數(shù)據(jù)，并直接建模。本實(shí)驗(yàn)僅僅驗(yàn)證了這一方法的可行性，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)本身起到了快速建模、便于修改的作用。

鰹鳥(niǎo)仿真模型將進(jìn)一步應(yīng)用于計(jì)算流體力學(xué)分析中，探索鰹鳥(niǎo)形體以及翅膀后掠對(duì)入水過(guò)程的影響，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程。使用生物仿真模型進(jìn)行研究的方法為詳細(xì)獲取大量數(shù)據(jù)提供了可能性，同時(shí)避免了對(duì)動(dòng)物的傷害。

2.2.2 流體力學(xué)分析

得到的形態(tài)三維數(shù)字模型將進(jìn)一步應(yīng)用于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析中，從而得出形態(tài)設(shè)計(jì)可行性分析數(shù)據(jù)[13]，例如使用 FLUENT分析軟件對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。CFD流體力學(xué)仿真分為3個(gè)步驟：前期處理、求解器和后處理，如圖10所示。

圖10 CFD流體力學(xué)仿真步驟

在求解器中，將鰹鳥(niǎo)入水視為自由落體，設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 鰹鳥(niǎo)入水相關(guān)數(shù)據(jù)

之后，對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖11所示。

圖11 三維模型網(wǎng)格化分

然后，通過(guò)UDF（用戶(hù)自定義變量）設(shè)置計(jì)算方程，然后通過(guò)FLUENT軟件得到研究結(jié)果。其中，方程如下：

F(t)為模型在垂直方向上的受力，P為壓應(yīng)力，τ為切應(yīng)力，F(xiàn)為壓應(yīng)力與切應(yīng)力在垂直位移 S上的積分。從而得出加速度a與速度v的公式。

隨后，F(xiàn)LUENT軟件通過(guò)運(yùn)算，得到研究結(jié)果，其中包括入水壓力分布情況等，如圖12所示。

圖12 CAD模型應(yīng)用于CFD分析中的入水壓力分布示意圖

2.2.3 結(jié)構(gòu)研究

完成仿生形態(tài)分析之后，需對(duì)生物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步剖析，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式及骨骼特質(zhì)找出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而探索鰹鳥(niǎo)在飛行以及入水過(guò)程中的奧秘，為跨介質(zhì)航行器的仿生設(shè)計(jì)提供可行性的理論依據(jù)。

首先，對(duì)鰹鳥(niǎo)的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，圖13中是鰹鳥(niǎo)骨骼標(biāo)本的實(shí)拍圖片。通過(guò)對(duì)鰹鳥(niǎo)骨骼標(biāo)本的觀察與測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)，為了能夠飛翔，鰹鳥(niǎo)在骨骼系統(tǒng)有顯著的特化特性。首先，它的頭骨、脊柱、骨盆和肢骨有愈合以及尾骨退化現(xiàn)象，使得軀體重心集中在中央，有助于在飛行中保持平衡。同時(shí)，鰹鳥(niǎo)具有鳥(niǎo)類(lèi)骨骼的普遍特性，其內(nèi)形成空腔，其中具充滿(mǎn)氣體，從而使得整體骨骼輕盈且堅(jiān)固。根據(jù)這樣的生物特點(diǎn)，跨介質(zhì)航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循這些特點(diǎn)，首尾愈合，成流線型，重心集中在身體中段。

圖13 鰹鳥(niǎo)骨骼標(biāo)本圖

鰹鳥(niǎo)翅膀根部的關(guān)節(jié)是可變后掠翅膀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部件，必須對(duì)沖擊載荷有極好地承受能力。由于關(guān)節(jié)的應(yīng)力集中，可變后掠翅膀承擔(dān)了大部分空氣動(dòng)力學(xué)載荷，這對(duì)它本身的強(qiáng)度、工作可靠性和抗震能力是極大地考驗(yàn)。一旦關(guān)節(jié)損壞，極可能會(huì)導(dǎo)致墜毀。因此，對(duì)入水時(shí)鰹鳥(niǎo)翅膀上的載荷測(cè)量，是對(duì)快速入水的航行器研究是至關(guān)重要的驗(yàn)證。

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上的載荷測(cè)量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并將其進(jìn)行入水實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖14。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制作，主要應(yīng)用了CAD建模技術(shù)。具體方法如下：在SolidWorks中完成零件的建模工作，再進(jìn)行樣機(jī)裝配。裝配的樣機(jī)中裝有一個(gè)圓柱體壓力載荷單元，是一個(gè)用來(lái)測(cè)量載荷的傳感模塊，它的測(cè)試范圍在 -0.5～0.5T，精確度為0.05% F·S。通過(guò)它收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究不同的入水參數(shù)對(duì)翅膀所受的沖擊力的影響。

然后，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行入水實(shí)驗(yàn)，分析不同機(jī)翼后掠角度的受力情況，驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析產(chǎn)品可行性，完成機(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)可以得出翅膀所承受的載荷與下落高度，入水傾角，以及翅膀后掠角之間的關(guān)系，可以用于指導(dǎo)航行器入水時(shí)機(jī)翼載荷的計(jì)算，并且解釋鰹鳥(niǎo)入水過(guò)程中的翅膀載荷的生物特性，在仿生研究方法上有所突破。

圖14 鰹鳥(niǎo)試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 CAD技術(shù)在航行器仿生概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在完成產(chǎn)品可行性分析后，將進(jìn)入工業(yè)設(shè)計(jì)的下一個(gè)流程，即概念設(shè)計(jì)階段。在概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)在前期研究所得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行CAD三維草模的建立。通過(guò)三維模型的建立，使設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)形成直觀的、視覺(jué)化的認(rèn)識(shí)。

在融合仿生設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)中，利用B樣條曲面建模技術(shù)，對(duì)生物體外觀的有效功能特征進(jìn)行提取及整合，使之與產(chǎn)品的功能模塊相結(jié)合，從而在 SolidWorks建模軟件中進(jìn)行建模，導(dǎo)出后，在KEYSHOT軟件中進(jìn)行后期渲染，設(shè)計(jì)方案如圖15所示。

圖15 建立產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)三維模型圖

為了更直觀地表達(dá)生物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與產(chǎn)品功能點(diǎn)之間的關(guān)系，應(yīng)用3D Max軟件進(jìn)行后期動(dòng)畫(huà)制作，詮釋產(chǎn)品的工作原理、運(yùn)動(dòng)軌跡以及實(shí)際功能。主要制作步驟如下：首先，在3D Max中導(dǎo)入航行器概念設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型；其次，在場(chǎng)景中繪制三維的天空、水面，并賦予材質(zhì)和噪聲特效，產(chǎn)生天空和海洋的真實(shí)場(chǎng)景效果；再者，在立體空間中繪制飛行的運(yùn)動(dòng)軌跡，并與航行器三維模型相連接，使之成為航行器的動(dòng)畫(huà)軌跡；然后，設(shè)置攝像機(jī)位置，分別進(jìn)行航拍、跟蹤拍攝以及全視角拍攝；最后，設(shè)置幀數(shù)等參數(shù)并對(duì)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行渲染。部分幀如圖16所示。

圖16 鰹鳥(niǎo)跨介質(zhì)航行器試驗(yàn)樣機(jī)動(dòng)畫(huà)

3 結(jié) 論

仿生設(shè)計(jì)是對(duì)自然界進(jìn)行學(xué)習(xí)、模仿與再造的過(guò)程[14]，是工業(yè)設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)方法之一，可以為攻克復(fù)雜的技術(shù)難度提供理論依據(jù)和解決思路。將CAD技術(shù)中的三維建模、仿真模擬和逆向工程等技術(shù)手段應(yīng)用于產(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)的前期仿生研究中，可以更有效地對(duì)仿生對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析。從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性分析得到數(shù)據(jù)支撐，使概念設(shè)計(jì)可視化。

CAD技術(shù)在仿生前期設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了仿生研究方法上的新突破，在避免動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，探索出對(duì)生物體進(jìn)行深入研究的新方法。具體方法包括：首先，建立虛擬環(huán)境下的生物體模型，進(jìn)行仿真研究，從而提取研究數(shù)據(jù)；其次，建立生物樣機(jī)代替生物體，進(jìn)行真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)，提取數(shù)據(jù)等。這種對(duì)生物實(shí)體研究的替代方法，既避免了單純觀測(cè)法的不精確性，又防止了動(dòng)物研究實(shí)驗(yàn)對(duì)生物的傷害與對(duì)自然生態(tài)的破壞。

以“鰹鳥(niǎo)”水空兩棲跨介質(zhì)無(wú)人航行器的設(shè)計(jì)為例，基于仿生設(shè)計(jì)方法，研究工業(yè)設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的應(yīng)用，并依照工業(yè)設(shè)計(jì)流程，對(duì)?？找惑w無(wú)人機(jī)進(jìn)行科研探索與驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)CAD建模技術(shù)對(duì)鰹鳥(niǎo)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及行為進(jìn)行仿生研究，并建立“仿生跨介質(zhì)航行器”工程模型，進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品可行性。進(jìn)而將CAD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)流程中的前期研究中。

通過(guò)先進(jìn)CAD技術(shù)的應(yīng)用，較好地完成了無(wú)人航行器仿生設(shè)計(jì)的形態(tài)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為同類(lèi)仿生設(shè)計(jì)提供了參考方法和設(shè)計(jì)思路?？缃橘|(zhì)航行器仿生設(shè)計(jì)研究中的CAD技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）“可行性分析——形態(tài)研究”：通過(guò)CAD逆向建模技術(shù)對(duì)生物體進(jìn)行仿真建模，模型繼續(xù)應(yīng)用于CFD流體力學(xué)仿真中；

（2）“可行性分析——結(jié)構(gòu)研究”：通過(guò)對(duì)生物入水過(guò)程及骨骼的研究，利用CAD技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，代替自然界中有著極寶貴生命的生物體，進(jìn)一步得到不同機(jī)翼結(jié)構(gòu)、不同后掠角度下，樣機(jī)入水時(shí)的受力數(shù)據(jù)；

（3）“概念設(shè)計(jì)”：通過(guò)效果圖建模及動(dòng)畫(huà)演示更好地詮釋仿生樣機(jī)設(shè)計(jì)理念。

綜上，CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)流程中仿生設(shè)計(jì)里的應(yīng)用，帶來(lái)了新的仿生研究方法，使得仿生設(shè)計(jì)不僅僅局限于形態(tài)與色彩的模仿，更在工程上提供了大量可參考數(shù)據(jù)，并直觀展示設(shè)計(jì)理念，為進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，新的仿生研究方法代替動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，精確獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為自然界動(dòng)物的保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

[1] 任露泉, 梁云虹. 耦合仿生學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002: 11-27.

[2] 于 帆, 陳 嬿. 仿生造型設(shè)計(jì)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2005: 20-29.

[3] 孫寧娜, 董佳麗. 仿生設(shè)計(jì)[M]. 湖南: 湖南大學(xué)出版社, 2010: 6-25.

[4] 蔡江宇, 王金玲. 仿生設(shè)計(jì)研究[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2013: 40-48.

[5] 何亞銀. 逆向工程在結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 28(1): 11-14.

[6] Fantastic Plastic. Ushakov LPL flying submarine [EB/OL]. http: //www.fantastic-plastic.com/Ushakov _LPL_Flying_Sub_Page.htm, 2013-09-20.

[7] 方 生. 深水飛行超級(jí)獵鷹[J]. 科學(xué)大觀園, 2009, (20): 75.

[8] 孫立廣, 趙三平, 劉曉東, 謝周清, 尹雪斌, 劉克新,吳小紅. 西沙群島生態(tài)環(huán)境報(bào)告[J]. 自然雜志, 2005, 27(2): 79-84.

[9] 楊 猛, 姜春雨. 淺析產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì)[J].美術(shù)大觀, 2012, (12): 117.

[10] Nelson J B. The Sulidae: gannets and boobies [M]. Oxford: Oxford University Press for the University of Aberdeen, 1978: 150-198.

[11] Nelson J B. The Gannet [M]. London: A & C Black, 2010: 111-134.

[12] Wanless S, Okill J D. Body measurements and flight performance of adult and juvenile gannets morus bassanus [J]. Ringing & Migration, 1994, 15: 101-103.

[13] Saha S K, Celata G P. Advances in modeling of biomimetic fluid flow at different scales [J]. Nano Scale Research Letters, 2011, 6: 1-11.

[14] 宋紅生, 王東署. 仿生機(jī)器人研究進(jìn)展綜述[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(13): 179-183.

The Application of CAD Technology in the Process of Aircraft Bionic Design

Zhao Wendi, Liu Jinghua, Liang Jianhong, Wang Tianmiao, Yang Xingbang, Yao Guocai
(Department of Industrial Design, Beihang University, Beijing 100191, China )

Unmanned amphibious aircrafts have become a hot topic in recent researches. In order to make aircrafts achieve 3 navigation states which include travelling underwater, travel state transition from water to air, and flying in the sky, we need to solve several technical matters such as variable density, structural transformation, power conversion and so on. Meanwhile, the studies on hydromechanics, dynamics of interface, aerodynamics are also crucial. Australasian gannets, like many other seabird species, locate pelagic prey from the air and perform rapid plunge dives for their capture. This kind of birds can fly through both the water and the air, so the research on its actions is of great immense significance to the study of the unmanned amphibious aircrafts. The processes of bionic design methods for the unmanned amphibious aircraft are introdeced, and the functions of CAD techniques using in the bionic design process are explained.

bionic design; product design; CAD; amphibious aircrafts; gannets

TB 47

A

2095-302X (2014)02-0243-07

2013-11-02；定稿日期：2013-12-20

趙文迪（1988-），女，北京人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)。E-mail：zhaowendy2013@163.com

劉靜華（1953-），女，黑龍江哈爾濱人，教授。主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖學(xué)。E-mail：ljh1012@126.com