民用飛機駕駛艙構型快速設計方法

馮昊成 羅明強 劉 虎 武 哲

（北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191）

民用飛機駕駛艙構型快速設計方法

馮昊成 羅明強 劉 虎 武 哲

（北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191）

為在方案設計階段提高民用飛機總體方案的設計質量和形成效率，研究了民用飛機駕駛艙構型的設計措施，并在一個開放式的飛機總體設計環(huán)境中實現(xiàn)了這一功能.定義了飛機機身坐標系，研究了確定駕駛員設計眼位、駕駛艙布置和風擋參數(shù)化設計與模型構建的方法.建立了交互式民機駕駛艙構型二、三維快速設計環(huán)境.在此基礎上，實現(xiàn)了駕駛艙模型的自動化調整，為總體設計階段進行多學科設計優(yōu)化奠定了基礎.通過設計實例證明了該方法的有效性.

飛機設計;駕駛艙布置;風擋設計;參數(shù)化造型;自動化調整

總體設計是飛機研發(fā)過程中一個非常重要的階段，盡管占整個飛機研制過程的時間相對較短且費用較少，但在總體設計階段需要做出大部分對飛機設計工作具有全局性影響的重大決策，并且決定一種飛機約80%的全壽命周期成本［1－2］.駕駛艙是民用飛機飛行控制的人機交互節(jié)點［3］.與許多人機界面的設計一樣，飛機駕駛艙設計是一個復雜的設計過程［4］，在方案階段即需要考慮諸多的設計要素.駕駛艙設計不合理會直接影響飛行員的操作舒適性，引起疲勞和誤操作，對飛機駕駛的安全性和飛行員的身體健康非常不利［5］.因此有必要在設計前期對駕駛艙設計進行盡可能全面的考慮，建立相關輔助設計手段，為后續(xù)的駕駛艙詳細設計奠定基礎.

受飛機設計的數(shù)字化、信息化需求驅動，國內外針對計算機輔助飛機概念設計方法與支持手段開展了大量的研究，并產生了若干計算機輔助飛機概念設計系統(tǒng)［6－11］，但在這些手段和系統(tǒng)中尚缺乏專門針對駕駛艙的設計模塊，不能完成駕駛艙構型設計和幾何建模工作，所以急需建立相關的計算機輔助支撐手段以降低設計人員的設計難度，進一步提高飛機總體設計質量和效率.本文針對民機駕駛艙構型的參數(shù)化描述和建模、駕駛艙交互式設計環(huán)境的開發(fā)與實現(xiàn)和駕駛艙設計方案的自動化調整等問題開展了研究，并以北京航空航天大學自主研發(fā)的開放式飛機總體設計系統(tǒng)OpenCADS（Open Conceptual Aircraft Design System）［12］為基礎，提出了民機駕駛艙構型參數(shù)化設計和自動化調整方法，進行了系統(tǒng)實現(xiàn)，建立了民機駕駛艙交互式設計環(huán)境并完成了駕駛艙設計實例.

1 駕駛艙構型參數(shù)化描述及建模

在方案設計階段，民機駕駛艙構型設計工作的重點是確定駕駛員設計眼位、布置主要部件和風擋構型設計［13］.下面將從參數(shù)化描述、設計方法和幾何建模等方面針對各項設計工作進行說明.

1.1 坐標系定義

機身及駕駛艙相關部分的坐標系Oxyz定義如圖1所示，通常情況下將機頭最前點設置為坐標原點.Ox軸沿機身縱向設置，Oy軸與Ox軸垂直沿機翼展向設置，Oz軸與Ox、Oy軸垂直，沿右手坐標系方向設置.

圖1 機身坐標系定義

1.2 駕駛員設計眼位參數(shù)確定方法

駕駛員眼位是駕駛員中心線的眼睛位置.在設計時作為設計人員在駕駛艙內標定的一個特征點，駕駛員眼位是確定外部視界、座椅位置和駕駛艙內部布置的基準和出發(fā)點，是方案階段最重要的設計參數(shù).在本文所實現(xiàn)的民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中采用基于標準人的統(tǒng)計方法［3］給出設計眼位點E（xe，ye，ze）的設計參考推薦值，在系統(tǒng)的飛行員標準人體模型庫中選擇設計所需的標準人即可得到相應的眼位點推薦值，系統(tǒng)中采用的設計計算方法如下:

1）設計眼位高ze的基準“0”位為駕駛艙地板的上表面.設計眼位高的計算公式為

式中，ze表示設計眼位高;H50%表示50%標準人身高;pe表示正坐眼位高與人體高的百分比數(shù);H1g表示標準人體重統(tǒng)計值在1g飛行時的下沉量.在系統(tǒng)的標準人體庫中選擇中國人中等身材標準人得到的推薦眼位高尺寸為1230 mm.

2）設計眼位橫坐標Ye根據(jù)中國人中等身材標準人統(tǒng)計值給出的推薦尺寸為±507.5～±533.4;設計眼位縱向坐標Xe綜合考慮駕駛艙設備的可達性由設計人員在系統(tǒng)中交互式輸入確定.

1.3 駕駛艙參數(shù)化布置及幾何構建

駕駛艙布置的主要設計任務是以駕駛員設計眼位為中心進行駕駛員布置、座椅布置、儀表板等其他駕駛艙主要設備布置、駕駛艙地板布置和駕駛艙艙段隔板布置.以下針對各個項目的參數(shù)化描述與幾何構建方法分別進行說明.

1）駕駛員參數(shù)化布置.駕駛員布置設計作為座椅布置、設備布置的空間約束和人機工效驗證的中心節(jié)點對后續(xù)的駕駛艙設計評估具有重要作用.駕駛員布置的參數(shù)化描述包括:①駕駛員數(shù)量;②駕駛員的幾何模型信息和屬性信息;③駕駛員人體姿勢;④駕駛員布置空間定位點坐標.駕駛員布置設計方法是將50%人體尺寸的坐姿標準人模型以中心線的眼睛位置為參考點布置在設計眼位點上.在后續(xù)的座椅布置和設備布置中有時還需要使用5%～95%人體尺寸范圍中的標準人進行驗證布置.在本研究所實現(xiàn)的民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中，參照 GJB4856—2003［14］建立了中國運輸機飛行員標準人體三維模型庫.這樣，通過從庫中選擇所需的標準人和配置設計眼位點即可在系統(tǒng)中自動化地完成駕駛員布置.

2）座椅參數(shù)化布置.座椅布置以設計眼位和駕駛員布置為前提，目標是保證95%范圍內統(tǒng)計尺寸的人的眼位都能調節(jié)到設計眼位上，同時滿足可達性要求.座椅布置的參數(shù)化描述包括:①座椅數(shù)量;②各座椅布置定位點坐標;③座椅的幾何模型信息和屬性信息.在民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中設計者可以以設計眼位和駕駛員布置為約束，交互式完成駕駛艙座椅的參數(shù)化布置.座椅的幾何模型可以從外部導入，也可以通過系統(tǒng)的座椅數(shù)據(jù)庫選用已有成品座椅幾何模型.

3）其他駕駛艙主要設備參數(shù)化布置.其他駕駛艙主要設備包括主儀表板，駕駛員中央儀表板，飛行導引、通信、導航、顯示選擇控制板，頂板，操縱器件和其他顯示裝置等.單個駕駛艙設備布置的參數(shù)化描述包括:①設備編號和設備類型;②設備布置定位點坐標;③設備的幾何模型和屬性信息.類似座椅布置，系統(tǒng)中允許設計者交互式地布置各種駕駛艙主要設備，布置設計的目標是滿足標準人的內部視界和可達性要求.

4）駕駛艙地板參數(shù)化布置.駕駛艙地板的參數(shù)化描述包括:①駕駛艙地板起點相對站位lq和終點相對站位lz;②駕駛艙地板厚度H;③地板上表面z向坐標zs.通過定義lq和lz，系統(tǒng)可以計算得到地板的實際站位，并根據(jù)機頭曲面外形計算得出地板平面與機頭曲面的相交曲線.再通過H和zs，沿z向進行拉伸即可完成駕駛艙地板實體模型的幾何構建.

5）駕駛艙艙段隔板參數(shù)化布置.駕駛艙和客艙艙段通過駕駛艙艙段隔板進行分割，隔板的參數(shù)化描述包括:①隔板起點相對站位;②相對寬度;③隔板厚度等.在建模方面隔板以機頭曲面為約束且采用拉伸方法構建模型.當隔板沿翼展方向超出機頭曲面范圍，多余部分將自動進行布爾減運算，同樣，隔板上部將完全與機頭曲面自動貼合.為保證幾何合理性，系統(tǒng)自動將駕駛艙艙段隔板下表面和駕駛艙地板上表面進行貼合.

1.4 風擋構型參數(shù)化設計及建模

在方案階段風擋設計的任務是根據(jù)標準視界圖的視界要求設計出滿足多種飛行狀態(tài)下最小視界要求的風擋合理構型.

在確定了設計眼位點后即可根據(jù)外部視界要求開展風擋構型設計.外部視界要求來自于以多個數(shù)據(jù)點方式定義在一個以左右和上下視界角度組成的二維坐標系上的標準視界圖，典型的如FAR-25標準視界圖以及美國機動車工程師協(xié)會（SAE）所推薦的視界圖標準 AS580［13］，其中AS580為現(xiàn)代民機一般遵循的視界標準.

現(xiàn)代民機風擋一般由4塊或6塊風擋玻璃組成.確定標準視界圖后，通過在視界圖上繪制涵蓋最小視界要求的風擋玻璃外形視界曲線的方法進行風擋構型設計.這樣通過設計眼位點和風擋視界曲線即可確定機頭外形曲面上的風擋三維外形曲線，進而完成風擋玻璃的三維幾何造型.

為加快方案階段的風擋設計與評估效率，在本研究中采用以下風擋參數(shù)化描述與造型方法:①單塊風擋玻璃在視界圖上的描述為若干不在一條直線上的二維型值點所確定的直線段和曲線段組成的一封閉二維圖形，其中曲線段采用三次參數(shù)樣條進行擬合，如圖2所示，直線段P1-P2、曲線段P2-P3-P4-P5和直線段P5-P6及其他直線和曲線段首尾相連組成單塊風擋玻璃的封閉二維圖形;②風擋玻璃三維幾何外形為曲面，與機頭曲面貼合并保持連續(xù).以上處理對于方案階段是合理的，后續(xù)風擋詳細設計可以在方案模型的基礎上進行細化設計.

圖2 風擋外形在視界圖上的參數(shù)化描述方式（°）

基于以上簡化處理，風擋構型的描述參數(shù)包括:①所遵循的標準視界圖;②風擋玻璃數(shù)量;③每塊風擋玻璃的二維視界圖圖形.這樣借助于設計眼位點、機頭曲面外形和以上風擋構型參數(shù)即可完整且唯一地確定風擋外形.在本文所實現(xiàn)的民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中風擋構型的設計流程如圖3所示.

圖3 風擋構型的設計流程

風擋的三維造型方法如下:

1）確定視界圖風擋二維圖形型值點在機頭曲面上所對應的三維坐標位置.通過設計眼位點E和某塊風擋玻璃的視界圖二維圖形型值點序列P2D{P1，P2，…，Pn}可確定N條以設計眼位點E為起點的三維空間射線EP'1，EP'2，…，EP'n.其中第M個視界描述點Pm在視界圖上的角度坐標為Pm（αm，βm），設計眼位點的空間坐標為 E（xe，ye，ze），則在1.1節(jié)定義的坐標系下第M條空間射線EP'm的空間位置如圖4所示，其空間描述方程為

用這M條射線與機頭曲面求交即可得到風擋二維圖形型值點在機頭曲面上對應的三維坐標點序列 P3D{P'1，P'2，…，P'n}.

圖4 根據(jù)視界描述點確定風擋造型輔助射線

2）根據(jù)風擋型值點的三維坐標位置確定風擋二維視界圖圖形在機頭曲面上所對應的三維曲線.其中風擋二維視界圖圖形中直線段在機頭曲面上所對應的三維曲線段的造型方法如下:設二維直線段兩端點所對應的三維坐標為P'l和P'l+1，以P'l、P'l+1和設計眼位點E確定的平面與機頭曲面求交，求得的以P'l和P'l+1為端點的曲線段P'l-P'l+1即為風擋二維視界圖中直線段所對應在機頭曲面上的三維風擋輪廓曲線段，如圖5所示.

圖5 視界圖風擋二維直線段的三維造型方法

而風擋二維視界圖圖形中曲線段的三維造型采用如下處理辦法，二維曲線段型值點所對應的三維坐標為3個或3個以上不在一個平面上的三維點序列 P3Dh{P'h，P'h+1，…，P'h+n}，采用最小二乘原理構造一個通過三維點序列P3Dh中某3個點且與P3Dh中其余各三維點距離平方和最小的臨時平面 F，即平面 F 由 P'i、P'j和 P'k（h?i，j，k?h+n）確定，設P3Dh中某點P'm到F的距離為em，則有

確定臨時平面F后，將三維點序列P3Dh中的所有點投影到平面F上形成新的二維點序列P2Dh{P″h，P″h+1，…，P″h+n}，按三次參數(shù)樣條擬合此二維點序列形成一條二維平面曲線C2Dh.將C2Dh沿平面F的法線方向向機頭曲面進行投影，投影的結果即為風擋二維視界圖中曲線段所對應在機頭曲面上的三維風擋輪廓曲線段C3Dh，如圖6所示.通過以上參數(shù)化設計方法可確定一塊風擋玻璃在機頭曲面上的各段三維輪廓曲線段，將各段三維曲線按各端點首尾相連進行結合即可確定風擋二維視界圖圖形在機頭曲面上所對應的三維曲線輪廓C3Dn.

圖6 視界圖風擋二維曲線段的三維造型方法

3）根據(jù)風擋玻璃三維輪廓曲線和機頭曲面進行三維風擋造型.在參數(shù)化造型方面，生成風擋模型的相關建模邏輯如圖7所示.Forg為機頭曲面外形，CUT是yz平面內風擋三維輪廓線C3Dn的二維投影形狀沿x向拉伸所生成的幾何實體，通過二者進行求交可獲得風擋幾何曲面模型Fwin，作布爾減運算可獲得具有開口的機頭曲面模型Fcut，組合Fcut和Fwin即可完成單塊風擋模型的構建.由于風擋玻璃沿Oxz平面是左右對稱的，所以按以上參數(shù)化建模方法完成一側所有的風擋模型構建后，以Oxz平面為對稱面進行鏡像即可完成全部風擋的參數(shù)化建模.

圖7 風擋三維模型構建邏輯

基于以上造型方法，在本文所實現(xiàn)的民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中可以完成視界圖風擋設計到三維風擋造型的雙向參數(shù)化調整.一方面調整視界圖上的風擋外形二維圖形可以改變風擋的三維模型;同時改變風擋三維外形空間曲線的任何型值點，在引起風擋三維模型變化的同時，在視界圖上的風擋二維圖形也將發(fā)生相應改變.

2 駕駛艙交互式設計環(huán)境

基于以上所討論的駕駛艙構型參數(shù)化描述和幾何造型方法，在開放式飛機總體設計系統(tǒng)OpenCADS中實現(xiàn)了交互式駕駛艙快速設計環(huán)境，從而使設計人員進行快速參數(shù)化地駕駛艙設計與建模成為可能，提高了方案設計階段駕駛艙設計的質量與效率.圖8為所實現(xiàn)的交互式二維、三維駕駛艙快速設計環(huán)境.

圖8 交互式二維和三維駕駛艙快速設計環(huán)境

在交互式駕駛艙設計環(huán)境中完成一個駕駛艙方案設計的完整步驟如下:①確定設計眼位點;②進行駕駛員布置、座椅布置和駕駛艙設備布置;③進行風擋構型設計;④進行視界和可達性工效評估;⑤根據(jù)評估結果調整設計.其中視界和可達性工效評估可以通過OpenCADS的幾何模型導出接口在其他包含人機工效評估模塊的軟件，如CATIA、DELMIA中完成.圖9給出了在交互式駕駛艙設計環(huán)境中開展駕駛艙方案設計的流程與邏輯.

3 駕駛艙設計方案的自動化調整

圖9 交互式駕駛艙設計環(huán)境中的方案設計流程

本文所實現(xiàn)的民機駕駛艙交互式設計環(huán)境將駕駛艙各個部分相關參數(shù)進行了自動化關聯(lián)，使得修改了駕駛艙某個部分后，其他相關部件可以自動化地進行調整，從而提高了設計效率，減少了模型調整工作量.為了完成駕駛艙的自動化調整，本研究中采用了相對參數(shù)定義的方法.基準部件的描述參數(shù)為 Q{Q1，Q2，…，Qi}，參數(shù) Q1～ Qi為關聯(lián)部件參數(shù)描述的基礎項.關聯(lián)部件相對描述參數(shù)為 P{P1，P2，…，Pi}，其中 P1～ Pi為關聯(lián)部件相對描述參數(shù)，則關聯(lián)部件實際描述參數(shù)為QP{QP1，QP2，…，QPi}，此處 QPi表示 Qi與 Pi之前的某種參數(shù)運算關系.在部件定義時采用相對描述參數(shù)P，這樣在方案調整過程中，當參數(shù)Q或參數(shù)P發(fā)生變化時，實際模型參數(shù)QP都將會進行自動調整.圖10給出了客艙主要部件參數(shù)關聯(lián)關系及自動化調整邏輯.

圖10 駕駛艙方案參數(shù)自動化調整邏輯

同一個駕駛艙部件可能會接收多個其他部件參數(shù)的修改信息，也可能同時向多個部件發(fā)出調整信息.典型的如駕駛艙地板，機頭曲面外形的修改將會改變地板俯視輪廓，從而引起地板三維模型的更新.同時地板的參數(shù)變化也將使駕駛艙座椅、駕駛艙艙段隔板和設計眼位點等與之在邏輯上相連接的部件發(fā)生參數(shù)調整，而設計眼位點的改變又將引起風擋外形和駕駛員布置位置等一系列自動化調整.

4 設計實例

為說明本文方法的有效性，給出了基于系統(tǒng)所實現(xiàn)的某民用飛機駕駛艙設計實例.針對相同的駕駛艙設計要求以同一個機頭曲面外型為約束通過系統(tǒng)完成了某民用飛機兩種駕駛艙構型的參數(shù)化設計方案，兩種設計方案分別采用4塊和6塊風擋玻璃.基于系統(tǒng)完成了兩種設計方案的駕駛員、座椅、駕駛艙地板、駕駛艙艙段隔板和駕駛艙設備的參數(shù)化布置設計，以及基于標準視界圖的風擋構型參數(shù)化設計.圖11為在民機駕駛艙交互式設計環(huán)境中完成的示例飛機兩種設計方案的駕駛艙二維布置設計及生成的三維模型.

以設計方案為基礎，通過OpenCADS的模型導出接口導出了CATProduct格式模型，在CATIA中進行了示例飛機的視界模擬和可達性驗證等人機工效評估.評估結果證明兩種設計方案均能滿足駕駛員視界和可達性要求，方案是合理可行的.圖12、圖13分別為6塊風擋玻璃方案的駕駛員外視界模擬結果和駕駛員可達性驗證結果.

圖11 在駕駛艙交互式設計環(huán)境中完成的設計實例

圖12 6塊風擋玻璃方案駕駛員外視界模擬結果

通過以上設計實例可見，通過本文所提出的參數(shù)化民用飛機駕駛艙構型設計方法和實現(xiàn)的設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)設計方法相比較，可以在方案設計階段短時間內更快速地進行多個方案的參數(shù)化設計、模型構建與評估，有效地提高方案設計階段的駕駛艙設計效率，減輕設計人員的設計負擔.

圖13 6塊風擋玻璃方案駕駛員可達性驗證結果

5 結束語

對民用飛機駕駛艙參數(shù)化快速設計進行了研究.討論了確定駕駛艙設計眼位點的方法，闡述了駕駛艙布置和風擋構型的參數(shù)化描述、設計理論和建模方法.以開放式飛機總體設計系統(tǒng)Open-CADS為基礎建立了交互式駕駛艙快速設計環(huán)境，實現(xiàn)了基于參數(shù)的駕駛艙方案自動化調整.提高了民用飛機方案階段駕駛艙設計的質量和效率，也為后續(xù)的駕駛艙詳細設計奠定了基礎.通過設計實例驗證了方法的有效性.

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GJB4856—2003 Body size of Chinese male pilot［S］（in Chinese）

Rapid cockpit configuration design method research

Feng Haocheng Luo Mingqiang Liu Hu Wu Zhe

（School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In order to improve the efficiency of civil airplane design in conceptual design phase，the design method of civil airplane's cockpit was studied.The functionality was achieved in an open aircraft conceptual/preliminary design system.The coordinate of fuselage was defined.The method of defining eye design position of cockpit was studied.The method of cockpit layout and the parametric design and modeling method of windshield was presented.Based on these methods an interactive rapid design environment of civil airplane's cockpit was constructed.Automatic adjustment for the cockpit was implemented，which was the basis for multidisciplinary design optimization in conceptual design phase.A design instance is given to illustrate the effectiveness of the methods.

aircraft design;cockpit layout;windshield design;parametric modeling;automated adjustment

V 221

A

1001-5965（2012）03-0285-06

2011-02-14;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間:

時間:2012-03-09 10:36

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120309.1036.001.html

工業(yè)和信息化部“民用飛機總體設計支撐軟件”基金資助項目

馮昊成（1986－），男，北京人，博士生，feng_slamdunk@163.com.

（編 輯:李 晶）