基于CATIA的直升機飛行員人體數(shù)據(jù)庫研究

徐 茂，羅 亮，文麗輝

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

人體模型[1]是直升機駕駛艙人機工效虛擬設(shè)計與評估的重要工具，其準確性直接關(guān)系到駕駛艙可視性、可達性和舒適度的仿真分析及虛擬評估結(jié)果。CATIA軟件[2]是一款功能強大、接口豐富的設(shè)計軟件，廣泛應(yīng)用于飛行器、汽車、船舶等設(shè)計領(lǐng)域。然而，其人機工程模塊并沒有附帶中國人體模型，只有美國、加拿大、法國、日本和韓國的人體數(shù)據(jù)庫[3]。在直升機設(shè)計過程中，設(shè)計人員常用日本或韓國人體模型對駕駛艙人機工效進行分析與評價。但是，這種評價結(jié)果可能并不完全適用于中國的直升機飛行員群體。畢竟，在疆域與行業(yè)上，人體數(shù)據(jù)存在顯著的差異。本文對直升機駕駛艙人體數(shù)據(jù)庫進行了深入的研究，構(gòu)建了基于CATIA的中國直升機飛行員人體模型與典型姿態(tài)庫，可為直升機駕駛艙人機工效虛擬分析、設(shè)計與評估提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)研究與分析

1.1 人體數(shù)據(jù)統(tǒng)計

一般來說，人體數(shù)據(jù)庫建立在大量人體測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，通過標(biāo)準測量獲得大量的人體各變量原始數(shù)據(jù)，再進行分布擬合、參數(shù)估計、假設(shè)檢驗等數(shù)學(xué)處理，得到各變量的分布類型，最后形成人體數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)統(tǒng)計經(jīng)驗可知，人體測量變量通常服從正態(tài)分布，即概念密度函數(shù)為：

(1)

式中，μ為人體數(shù)據(jù)測量變量的均值，σ>0為人體數(shù)據(jù)測量變量的標(biāo)準差。

在正態(tài)分布的情況下，人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征可由均值和標(biāo)準差這兩個參數(shù)完全表示，即人體數(shù)據(jù)測量變量最主要的統(tǒng)計參數(shù)是均值與方差，分別對應(yīng)GJB 4856-2003人體測量數(shù)據(jù)的第一和第二列。

百分位表示具有小于并包含某一項人體尺寸的個體占統(tǒng)計樣本的百分比，表示人體的某項尺寸數(shù)據(jù)對于使用對象中百分之幾的人可適用，也即人體測量變量的累積概率，詳細如圖1所示。在不同的人機工程項目中，需要選用不同百分位數(shù)的人體進行人機工效虛擬分析與綜合評價。其中，常用的典型人體百分位有：5%、50%、95%。

圖1 人體數(shù)據(jù)測量變量百分位分布圖

1.2 人體測量變量

CATIA V5R18人機工程模塊中使用103個測量變量表示人體模型，而GJB 4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》[4]給出了305個人體測量變量及其相應(yīng)的人體測量點和測量方法。通過對比分析可知，CATIA軟件與GJB 4856-2003標(biāo)準中的人體測量變量，存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，詳細如表1所示。

表1 CATIA V5R18與GJB 4856-2003中人體測量變量的對應(yīng)關(guān)系

注：“/”表示沒有相應(yīng)人體數(shù)據(jù)，“-”表示減號，“——”表示空缺。

由表可知，在GJB 4856-2003標(biāo)準中，除us79、us126、us251等13個人體測量變量以外，其余基本上可以找到與CATIA軟件中人體測量變量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。對于那些在標(biāo)準中沒有對應(yīng)數(shù)據(jù)的項目，由于其并不會影響人體模型的總體尺寸，數(shù)據(jù)庫中以CATIA軟件中默認的參數(shù)代替。

2 模型構(gòu)建與應(yīng)用

2.1 人體模型構(gòu)建

在CATIA軟件中，人體模型是一種以.sws為擴展名的文本文件，可以通過文本編程軟件或工具編輯而成。在創(chuàng)建一個人體模型時，需要遵循一定的編寫規(guī)則。一個人體模型文件大致由三部分構(gòu)成，即段首、段中和段尾。其中，段首關(guān)鍵詞常以MEAN_STDEV M(男性)或MEAN_STDEV F(女性)開頭，段尾關(guān)鍵詞以END結(jié)尾。段中關(guān)鍵詞有三個，為〈variable〉 、〈mean〉 、〈stddev〉，分別對應(yīng)變量的引用代碼us2至us255、測量變量的均值和測量變量的方差。在人體模型文本中，“！”用以注釋，空格表示分隔符，關(guān)鍵詞區(qū)分大小寫，長度以cm為單位，重量以kg為單位，文本名稱避用中文字符等。

按照CATIA人體模型文件編碼規(guī)則要求，參考GJB 4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》，構(gòu)建中國直升機男性飛行員人體模型，參考文本如圖2。

圖2 中國直升機男性飛行員人體模型文本示意圖

在CATIA運行的環(huán)境中，依次進行以下操作，主菜單欄—>工具—>選項—>Safework—>Human Measurements Editor—>Anthropometry，再點擊Add按鈕，在文件夾選擇人體模型文件，點擊OK輸入，即完成了中國直升機男性飛行員人體數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入，如圖3(a)。在Human Builder模塊中，點擊Inserts a new manikin，選擇導(dǎo)入的人體模型文件，即可完成中國直升機飛行員人體模型的調(diào)用，如圖3(b)。通過對比發(fā)現(xiàn)，中國直升機飛行員與日本、韓國人體之間存在明顯的尺寸差異，比如身高、肩高和腰點高，詳見圖3(c)。

圖3 基于CATIA的中國直升機飛行員人體模型

2.2 人體姿態(tài)應(yīng)用

西北工業(yè)大學(xué)蘇潤娥等[5]對民機飛行員進行了大量的研究，最終得到一種最舒適的駕駛坐姿評價模型：腳與小腿夾角100°、膝屈角140°、軀干與大腿夾角100°、背角13°、后臂與軀干夾角10°、肘角100°、頭部傾角5°，詳見圖4(a)。在Human Builder模塊中，點擊Posture Editor功能鍵，然后按照文獻給出的最舒適值調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，即可得到中國直升機飛行員最舒適坐姿的人體模型，如圖4(b)所示。在CATIA環(huán)境中，將帶有H-Point的人體模型導(dǎo)入直升機駕駛艙模型中，選擇相應(yīng)的百分位模型，使其與座椅參考點重合，即可開展對駕駛艙可視性、可達性和舒適度的分析與評估，如圖4(c)。在不同的飛行階段中，直升機飛行員的坐姿不盡相同，但是可以建立一種典型的人體坐姿姿態(tài)庫，將其保存在CATIA人體姿態(tài)中，以用于綜合評價直升機駕駛艙在不同階段中的人機工效水平，參考圖4(d)。

2.3 虛擬駕駛艙評估

在某型號的方案設(shè)計階段,將人體模型典型姿態(tài)庫導(dǎo)入駕駛艙電子樣機中,參考Q16S/1433-2016《民用直升機駕駛艙設(shè)計規(guī)范》，對駕駛桿、總距桿、腳蹬、儀表板、中央操縱臺、頂部操縱臺、側(cè)部操縱臺以及風(fēng)擋玻璃等，分別進行了可視性、可達性和舒適性評估。結(jié)果表明：對某型號虛擬駕駛艙的人機工效評估，使用直升機人體模型，對比其他人體模型或參數(shù)化模型，其評估數(shù)據(jù)更加真實、可靠。

圖4 人體模型不同姿態(tài)的構(gòu)建與應(yīng)用

3 結(jié)論

本文主要采用對比討論與分析的方法，分別對CATIA人體模型數(shù)據(jù)庫與GJB 4856-2003人體測量數(shù)據(jù)庫進行了研究。形成結(jié)論如下：

1)CATIA人體模型與GJB 4856-2003人體測量變量存在一定的對應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)國軍標(biāo)人體數(shù)據(jù)庫構(gòu)建新的CATIA人體模型。

2)CATIA人體模型文本文件具有一定的編碼規(guī)則，在滿足要求的前提下，可實現(xiàn)新的CATIA人體模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。

3)基于CATIA構(gòu)建的中國直升機飛行員人體模型與典型姿態(tài)庫，可用于直升機駕駛艙的虛擬設(shè)計與仿真分析及綜合評估。