飞机驾驶舱操纵装置布局优化白 穆 庄达民(上海飞机设计研究所,北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班)摘要:针对我国即将开展的大飞机开发与研制,对飞机驾驶舱内操纵装置优化布局开展了研究探讨。

首先,确定研究对象为具备中国运输机飞行员关键尺寸特点的人体模型,并采用5中国男性飞行员人体尺寸GJ B4856-20036作为该人体模型尺寸数据依据。

从工效角度评测人体可操纵部件的布置最大可达范围及手的舒适操纵范围;依据上述操纵范围原则,采用计算机图形学软件和人机工效软件J ACK 对驾驶舱布局中操纵装置布局进行相关性配置及工效分析验证,分别从不同百分位驾驶员的手的操纵可达域和第50百分位驾驶员当操纵部件处于中立位置时的腰椎受力分析探讨了操纵装置布局的合理性;利用人体简易力学模型对驾驶员处于操纵中立位置时的腰椎受力进行了计算,得到操纵布置布局仍具备合理性的结果。

关键词:驾驶舱;操纵装置;布局;J ACK;腰椎受力0 引言飞机驾驶舱是飞机驾驶员工作的地方,同时也是整架飞机的核心。

如何在满足工作要求的前提下减轻驾驶员的疲劳度和提高工效是人机工程重点关注的内容。

在设计经验匮乏的条件下,座舱布局等的计算仿真将成为一种实用和有效的手段,以达到使操纵作业满足高效、安全和舒适等要求的目的。

应用计算机辅助设计进行作业域的设计与评价,可以在设计初期进行工效学分析,提高设计的效率,及时发现并纠正错误,缩短设计周期和降低研制费用等。

1 基于J ACK 的操纵部件布局分析/中国男性飞行员人体尺寸0[1]规定了中国男性飞行员人体尺寸数据,适用于与中国男性飞行员人体尺寸数据有关的飞机座舱、座椅、舱室布局等空间和尺寸的设计。

参照5中国男性飞行员人体尺寸GJB4856)20036中运输机飞行员第5、50、95百分位人体尺寸数据建立了我国民用客机飞行员人体模型。

创建人体模型如图1所示,并在今后的研究中以此人体尺寸模型为驾驶舱操纵装置布局工效评价研究对象。

操纵装置一般指飞机的操纵杆、油门杆和脚踏。

驾驶员通过操纵装置来控制和操纵飞机,将操纵杆、油门杆处于手可触及的范围和脚踏处于足运动范围内是先决条件,因此明确手、足的可达域对布置操纵装置显得尤为重要。

图1 Jack 中国人体模型手可达域是以肩关节为转心、手为端点的半椭球面,旋转部件为包括上臂、前臂和手的连接结构,受到人体自身条件的限制,各部件相对转动角度处于特定范围内,形成的可达域是近似、不规则的。

X 向最大距离为800mm;Y 向最大距离为1140mm;Z 向最大距离为1300mm 。

以座椅底面与靠背相交线中心点作为座椅中立位置参考点(0,0,0),绘制不同高度各水平面可达域,如图2所示。

各个不同高度的操作部件布置应满足处于该高度可达域曲线范围内,例如距离座椅参考点30c m 的可达域曲线近似轨迹公式为:x =-0.0169y 2+0.6616y +52.3401=-0.0169(y -19.57)2+58.8152(1)152民用飞机设计与研究C ivil A ircraft Design and R esearch图2 手可达域足可达域与舒适域如图3所示,舒适域包含于可达域内。

布置脚踏操纵装置时以足舒适域为优先选择范围,距座椅中立位置参考点Z 向-30~-40c m 、X向50~75c m 的区域内。

图3中外侧曲线为足可达域,布置脚踏的最大范围。

图3 足可达域与舒适域基于上述原则,对驾驶舱进行简易布局,其几何布局尺寸数据如图4所示,并标明了驾驶员模型与舱室模型的匹配尺寸。

参考5亚音速飞机设计总论6[2]初定风挡与水平视线的夹角为41.4b ;眼位点到仪表板上边缘连线与水平视线的夹角为18.8b 。

座椅中心线间距100c m;油门杆与座椅中立位置参考点相对坐标为(30,-30,25);操纵杆与座椅中立位置参考点相对坐标为(30,47,25);座椅中心线距脚蹬中心线间距67c m;前视仪表板与水平线夹角75b 。

油门杆与操纵杆的中立位置x 坐标参考了对军用飞机侧杆布局的研究[3]。

再次从可达域角度出发验证上述操纵装置的布局。

上述的油门杆和操纵杆布置范围都在手操纵可达域内;脚踏处于足舒适域与可达域之间区域,符合要求。

针对操纵装置布局,J ACK 软件还使用腰椎受力分析来检验座舱布局对驾驶员作业疲劳影响。

当第50百分位的驾驶员在操纵中立位置时,/Jack Low B ack Analysis 0功能由驾驶员身高和体重得出驾驶员腰椎L 4/L 5受力值为525N,小于N I O S H 腰椎受力的警戒值3400N,符合要求。

2 基于简易人体力学模型的受力分析[4]针对J AC K 的受力分析,通过建立驾驶员上肢力学模型,对腰椎L 4/L 5受力进行验证。

工作姿势下驾驶员上肢简化模型如图5所示。

将上肢简化为手、前臂、上臂、头和躯干五个部分,质量集中于质心上(同时假定手臂上没有操纵力)。

图5中,A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 分别代表肩点、肘点、腕点、躯干质心点、颈椎点、腰点、掌心点。

图4 驾驶员与操纵部件匹配关系153白 穆等:飞机驾驶舱操纵装置布局优化图5驾驶员上肢简化模型设手掌到腰椎L4/L5的x向距离为L1;前臂质心到腰椎L4/L5的x向距离为L2;上臂质心到腰椎L4/L5的x向距离为L3;头质心到腰椎L4/L5的x向距离为L4;躯干质心到腰椎L4/L5的x向距离为L5。

则L1=B1x1+L2+(1-B2)x2L2=B2x2+L3+(1-B3)x3L3=B3x3+L4L4=-(l4-l)@sin AL5=-((1-B5)@l5-l)@sin A(2)式(2)中,B1为手质心相对位置系数,取0.366; B2为前臂质心相对位置系数,取0.478;B3为上臂质心相对位置系数,取0.424;B5为躯干质心相对位置系数,取0.52[5];A为椅背角,取15b;x1为手长l1在x方向的投影,取手长长度;x2为前臂长在x方向的投影;x3为上臂长在x方向上的投影。

即x2=l2si n A4co s A3tan A1tan2A1+tan2A2+l2cos A4sin A2cos A1cos A2x3=l3sin A2cos A1cos A2(3)式(2)和(3)中:l为腰点到会阴点的长度,取24c m;l1为手长度,取18.6c m;l2为前臂长度,取25.3c m;l3为上臂长度,取25.5c m;l4为斜椅背长度,取48.5c m;l5为躯干长度,取61c m;A1、A2分别为上臂绕x、y轴旋转的角度,取42b (21b)、27.5b(12b);A3为上臂自转角度,取22b(5.4b); A4为前臂绕上臂转动的角度,取83b(90b)。

因绕腰椎L4/L5y轴的合力矩为0,所以:F my#X b=E iG i L i(4)式(4)中,F my为背肌力,即竖背肌所施的力; X b为竖背肌距脊柱的距离,取5c m;G1(G1)为右(左)手重量;G2(G2)为右(左)前臂重量;G3 (G3)为右(左)上臂重量;G4为头颈重量;G5为躯干重量。

驾驶员质量为71kg。

人体各环节的相对质量分布如表1所示[6]。

表1人体各环节相对质量分布表环节名称相对质量(%)环节名称相对质量(%)头颈8.62前臂1.25躯干42.60手0.64上臂2.43当驾驶员处于操作中立位置时,将各项参数代入式(4),可求出F my,进一步由力平衡E F=0,即E F x=0,E F y=0,E F z=0可得: tan A Q=F my sin A0.5644G+F my cos A(5)F ry=F mysi n Asin A Q(6)F r yc=F ry cos(A-A Q)(7)F r y s=F r y sin(A-A Q)(8)求得F ry为602N,F r y c为597N。

式(6)~(8)中,F r y为骶骨颈部腰椎间盘基底部在L4/L5处的反作用力,该力的施力者是骶骨,受力者是脊柱。

F ryc 为F r y沿背脊方向的受力;F r y s为F r y垂直背脊方向的受力。

使用简易人体力学模型算出的L4/L5处的反作用力满足小于3400N的要求,但与J A CK的受力分析值525N相比有一定差距。

这是因为在简易力学模型的受力分析中使用到人体各肢体段的质心参数,这是我国目前正在开展的一项人体测量基础研究,所得参数是对40名男子的测量数据,故有一定的局限性。

另一方面,人体质心参数与民族、性别及体形有明显的相关,J ACK力学分析结果是不透明的,所采用的力学计算参数是基于美国人的数据,这些都导致了两者存在计算误差原因。

3结论国外采用了J ACK等人机工效评价软件进行工效分析,本文亦采用J ACK进行了操纵装置布局分析。

由于J AC K具有和各种图形软件兼容特点,以154民用飞机设计与研究2009年增刊及其本身具有的多种工效分析工具确定了其具有较高的应用价值,采用J ACK进行飞机操纵装置布局分析是可行的。

基于J AC K工效分析工具的不透明性,提出了人体简易力学模型对腰椎受力进行验证。

现阶段提出的人体简易力学模型在质心确定等方面还需进一步完善。

本文开展的上述工作将为中国大飞机驾驶舱几何布局设计提供参考。

参考文献:[1]G J B4856-2003.中国男性飞行员人体尺寸[S].北京:中国人民解放军总装备部标准,2003.[2]托伦贝克,埃.亚音速飞机设计总论[M].北京:航空航天工业部民用飞机系统工程司,1990.[3]王睿,庄达民.基于动力学模型的飞行员舒适操作域研究[J].计算机仿真.2006.23(8):26-29.[4]王生,李莉,刘家驹.坐位作业工人腰部负荷的生物力学分析[J].中华卫生职业病杂志,1994,12(1):29-31.[5]肖惠,滑东红,郑秀媛.中国成年人人体质心的研究[J].人类工效学.1998.4(3):4-11.[6]GB/T17245-2004,成年人人体惯性参数[S].北京:中国人民共和国国家标准,2004.[7]许军,陶开山.人体工程学概论[M].北京:中国纺织出版社,2002.155白穆等:飞机驾驶舱操纵装置布局优化。