馮昊成 羅明強(qiáng) 劉 虎 武 哲

（北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

民用飛機(jī)駕駛艙構(gòu)型快速設(shè)計方法

馮昊成 羅明強(qiáng) 劉 虎 武 哲

（北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

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

飛機(jī)設(shè)計;駕駛艙布置;風(fēng)擋設(shè)計;參數(shù)化造型;自動化調(diào)整

總體設(shè)計是飛機(jī)研發(fā)過程中一個非常重要的階段，盡管占整個飛機(jī)研制過程的時間相對較短且費(fèi)用較少，但在總體設(shè)計階段需要做出大部分對飛機(jī)設(shè)計工作具有全局性影響的重大決策，并且決定一種飛機(jī)約80%的全壽命周期成本［1－2］.駕駛艙是民用飛機(jī)飛行控制的人機(jī)交互節(jié)點(diǎn)［3］.與許多人機(jī)界面的設(shè)計一樣，飛機(jī)駕駛艙設(shè)計是一個復(fù)雜的設(shè)計過程［4］，在方案階段即需要考慮諸多的設(shè)計要素.駕駛艙設(shè)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(jī)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(shè)計前期對駕駛艙設(shè)計進(jìn)行盡可能全面的考慮，建立相關(guān)輔助設(shè)計手段，為后續(xù)的駕駛艙詳細(xì)設(shè)計奠定基礎(chǔ).

受飛機(jī)設(shè)計的數(shù)字化、信息化需求驅(qū)動，國內(nèi)外針對計算機(jī)輔助飛機(jī)概念設(shè)計方法與支持手段開展了大量的研究，并產(chǎn)生了若干計算機(jī)輔助飛機(jī)概念設(shè)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(shè)計模塊，不能完成駕駛艙構(gòu)型設(shè)計和幾何建模工作，所以急需建立相關(guān)的計算機(jī)輔助支撐手段以降低設(shè)計人員的設(shè)計難度，進(jìn)一步提高飛機(jī)總體設(shè)計質(zhì)量和效率.本文針對民機(jī)駕駛艙構(gòu)型的參數(shù)化描述和建模、駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境的開發(fā)與實現(xiàn)和駕駛艙設(shè)計方案的自動化調(diào)整等問題開展了研究，并以北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的開放式飛機(jī)總體設(shè)計系統(tǒng)OpenCADS（Open Conceptual Aircraft Design System）［12］為基礎(chǔ)，提出了民機(jī)駕駛艙構(gòu)型參數(shù)化設(shè)計和自動化調(diào)整方法，進(jìn)行了系統(tǒng)實現(xiàn)，建立了民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境并完成了駕駛艙設(shè)計實例.

1 駕駛艙構(gòu)型參數(shù)化描述及建模

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

1.1 坐標(biāo)系定義

機(jī)身及駕駛艙相關(guān)部分的坐標(biāo)系Oxyz定義如圖1所示，通常情況下將機(jī)頭最前點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn).Ox軸沿機(jī)身縱向設(shè)置，Oy軸與Ox軸垂直沿機(jī)翼展向設(shè)置，Oz軸與Ox、Oy軸垂直，沿右手坐標(biāo)系方向設(shè)置.

圖1 機(jī)身坐標(biāo)系定義

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

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

式中，ze表示設(shè)計眼位高;H50%表示50%標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)人體重統(tǒng)計值在1g飛行時的下沉量.在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)人體庫中選擇中國人中等身材標(biāo)準(zhǔn)人得到的推薦眼位高尺寸為1230 mm.

2）設(shè)計眼位橫坐標(biāo)Ye根據(jù)中國人中等身材標(biāo)準(zhǔn)人統(tǒng)計值給出的推薦尺寸為±507.5～±533.4;設(shè)計眼位縱向坐標(biāo)Xe綜合考慮駕駛艙設(shè)備的可達(dá)性由設(shè)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(gòu)建

駕駛艙布置的主要設(shè)計任務(wù)是以駕駛員設(shè)計眼位為中心進(jìn)行駕駛員布置、座椅布置、儀表板等其他駕駛艙主要設(shè)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(gòu)建方法分別進(jìn)行說明.

1）駕駛員參數(shù)化布置.駕駛員布置設(shè)計作為座椅布置、設(shè)備布置的空間約束和人機(jī)工效驗證的中心節(jié)點(diǎn)對后續(xù)的駕駛艙設(shè)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(diǎn)坐標(biāo).駕駛員布置設(shè)計方法是將50%人體尺寸的坐姿標(biāo)準(zhǔn)人模型以中心線的眼睛位置為參考點(diǎn)布置在設(shè)計眼位點(diǎn)上.在后續(xù)的座椅布置和設(shè)備布置中有時還需要使用5%～95%人體尺寸范圍中的標(biāo)準(zhǔn)人進(jìn)行驗證布置.在本研究所實現(xiàn)的民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境中，參照 GJB4856—2003［14］建立了中國運(yùn)輸機(jī)飛行員標(biāo)準(zhǔn)人體三維模型庫.這樣，通過從庫中選擇所需的標(biāo)準(zhǔn)人和配置設(shè)計眼位點(diǎn)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(shè)計眼位和駕駛員布置為前提，目標(biāo)是保證95%范圍內(nèi)統(tǒng)計尺寸的人的眼位都能調(diào)節(jié)到設(shè)計眼位上，同時滿足可達(dá)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(diǎn)坐標(biāo);③座椅的幾何模型信息和屬性信息.在民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境中設(shè)計者可以以設(shè)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(dǎo)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(shè)備參數(shù)化布置.其他駕駛艙主要設(shè)備包括主儀表板，駕駛員中央儀表板，飛行導(dǎo)引、通信、導(dǎo)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(shè)備布置的參數(shù)化描述包括:①設(shè)備編號和設(shè)備類型;②設(shè)備布置定位點(diǎn)坐標(biāo);③設(shè)備的幾何模型和屬性信息.類似座椅布置，系統(tǒng)中允許設(shè)計者交互式地布置各種駕駛艙主要設(shè)備，布置設(shè)計的目標(biāo)是滿足標(biāo)準(zhǔn)人的內(nèi)部視界和可達(dá)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(diǎn)相對站位lq和終點(diǎn)相對站位lz;②駕駛艙地板厚度H;③地板上表面z向坐標(biāo)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(jī)頭曲面外形計算得出地板平面與機(jī)頭曲面的相交曲線.再通過H和zs，沿z向進(jìn)行拉伸即可完成駕駛艙地板實體模型的幾何構(gòu)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(jìn)行分割，隔板的參數(shù)化描述包括:①隔板起點(diǎn)相對站位;②相對寬度;③隔板厚度等.在建模方面隔板以機(jī)頭曲面為約束且采用拉伸方法構(gòu)建模型.當(dāng)隔板沿翼展方向超出機(jī)頭曲面范圍，多余部分將自動進(jìn)行布爾減運(yùn)算，同樣，隔板上部將完全與機(jī)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(jìn)行貼合.

1.4 風(fēng)擋構(gòu)型參數(shù)化設(shè)計及建模

在方案階段風(fēng)擋設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)視界圖的視界要求設(shè)計出滿足多種飛行狀態(tài)下最小視界要求的風(fēng)擋合理構(gòu)型.

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

現(xiàn)代民機(jī)風(fēng)擋一般由4塊或6塊風(fēng)擋玻璃組成.確定標(biāo)準(zhǔn)視界圖后，通過在視界圖上繪制涵蓋最小視界要求的風(fēng)擋玻璃外形視界曲線的方法進(jìn)行風(fēng)擋構(gòu)型設(shè)計.這樣通過設(shè)計眼位點(diǎn)和風(fēng)擋視界曲線即可確定機(jī)頭外形曲面上的風(fēng)擋三維外形曲線，進(jìn)而完成風(fēng)擋玻璃的三維幾何造型.

為加快方案階段的風(fēng)擋設(shè)計與評估效率，在本研究中采用以下風(fēng)擋參數(shù)化描述與造型方法:①單塊風(fēng)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(diǎn)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(jìn)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(fēng)擋玻璃的封閉二維圖形;②風(fēng)擋玻璃三維幾何外形為曲面，與機(jī)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(fēng)擋詳細(xì)設(shè)計可以在方案模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化設(shè)計.

圖2 風(fēng)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(fēng)擋構(gòu)型的描述參數(shù)包括:①所遵循的標(biāo)準(zhǔn)視界圖;②風(fēng)擋玻璃數(shù)量;③每塊風(fēng)擋玻璃的二維視界圖圖形.這樣借助于設(shè)計眼位點(diǎn)、機(jī)頭曲面外形和以上風(fēng)擋構(gòu)型參數(shù)即可完整且唯一地確定風(fēng)擋外形.在本文所實現(xiàn)的民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境中風(fēng)擋構(gòu)型的設(shè)計流程如圖3所示.

圖3 風(fēng)擋構(gòu)型的設(shè)計流程

風(fēng)擋的三維造型方法如下:

1）確定視界圖風(fēng)擋二維圖形型值點(diǎn)在機(jī)頭曲面上所對應(yīng)的三維坐標(biāo)位置.通過設(shè)計眼位點(diǎn)E和某塊風(fēng)擋玻璃的視界圖二維圖形型值點(diǎn)序列P2D{P1，P2，…，Pn}可確定N條以設(shè)計眼位點(diǎn)E為起點(diǎn)的三維空間射線EP'1，EP'2，…，EP'n.其中第M個視界描述點(diǎn)Pm在視界圖上的角度坐標(biāo)為Pm（αm，βm），設(shè)計眼位點(diǎn)的空間坐標(biāo)為 E（xe，ye，ze），則在1.1節(jié)定義的坐標(biāo)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(jī)頭曲面求交即可得到風(fēng)擋二維圖形型值點(diǎn)在機(jī)頭曲面上對應(yīng)的三維坐標(biāo)點(diǎn)序列 P3D{P'1，P'2，…，P'n}.

圖4 根據(jù)視界描述點(diǎn)確定風(fēng)擋造型輔助射線

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

圖5 視界圖風(fēng)擋二維直線段的三維造型方法

而風(fēng)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(diǎn)所對應(yīng)的三維坐標(biāo)為3個或3個以上不在一個平面上的三維點(diǎn)序列 P3Dh{P'h，P'h+1，…，P'h+n}，采用最小二乘原理構(gòu)造一個通過三維點(diǎn)序列P3Dh中某3個點(diǎn)且與P3Dh中其余各三維點(diǎn)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(shè)P3Dh中某點(diǎn)P'm到F的距離為em，則有

確定臨時平面F后，將三維點(diǎn)序列P3Dh中的所有點(diǎn)投影到平面F上形成新的二維點(diǎn)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(diǎn)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(jī)頭曲面進(jìn)行投影，投影的結(jié)果即為風(fēng)擋二維視界圖中曲線段所對應(yīng)在機(jī)頭曲面上的三維風(fēng)擋輪廓曲線段C3Dh，如圖6所示.通過以上參數(shù)化設(shè)計方法可確定一塊風(fēng)擋玻璃在機(jī)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(diǎn)首尾相連進(jìn)行結(jié)合即可確定風(fēng)擋二維視界圖圖形在機(jī)頭曲面上所對應(yīng)的三維曲線輪廓C3Dn.

圖6 視界圖風(fēng)擋二維曲線段的三維造型方法

3）根據(jù)風(fēng)擋玻璃三維輪廓曲線和機(jī)頭曲面進(jìn)行三維風(fēng)擋造型.在參數(shù)化造型方面，生成風(fēng)擋模型的相關(guān)建模邏輯如圖7所示.Forg為機(jī)頭曲面外形，CUT是yz平面內(nèi)風(fēng)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(jìn)行求交可獲得風(fēng)擋幾何曲面模型Fwin，作布爾減運(yùn)算可獲得具有開口的機(jī)頭曲面模型Fcut，組合Fcut和Fwin即可完成單塊風(fēng)擋模型的構(gòu)建.由于風(fēng)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(cè)所有的風(fēng)擋模型構(gòu)建后，以O(shè)xz平面為對稱面進(jìn)行鏡像即可完成全部風(fēng)擋的參數(shù)化建模.

圖7 風(fēng)擋三維模型構(gòu)建邏輯

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

2 駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境

基于以上所討論的駕駛艙構(gòu)型參數(shù)化描述和幾何造型方法，在開放式飛機(jī)總體設(shè)計系統(tǒng)OpenCADS中實現(xiàn)了交互式駕駛艙快速設(shè)計環(huán)境，從而使設(shè)計人員進(jìn)行快速參數(shù)化地駕駛艙設(shè)計與建模成為可能，提高了方案設(shè)計階段駕駛艙設(shè)計的質(zhì)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(shè)計環(huán)境.

圖8 交互式二維和三維駕駛艙快速設(shè)計環(huán)境

在交互式駕駛艙設(shè)計環(huán)境中完成一個駕駛艙方案設(shè)計的完整步驟如下:①確定設(shè)計眼位點(diǎn);②進(jìn)行駕駛員布置、座椅布置和駕駛艙設(shè)備布置;③進(jìn)行風(fēng)擋構(gòu)型設(shè)計;④進(jìn)行視界和可達(dá)性工效評估;⑤根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整設(shè)計.其中視界和可達(dá)性工效評估可以通過OpenCADS的幾何模型導(dǎo)出接口在其他包含人機(jī)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(shè)計環(huán)境中開展駕駛艙方案設(shè)計的流程與邏輯.

3 駕駛艙設(shè)計方案的自動化調(diào)整

圖9 交互式駕駛艙設(shè)計環(huán)境中的方案設(shè)計流程

本文所實現(xiàn)的民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境將駕駛艙各個部分相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了自動化關(guān)聯(lián)，使得修改了駕駛艙某個部分后，其他相關(guān)部件可以自動化地進(jìn)行調(diào)整，從而提高了設(shè)計效率，減少了模型調(diào)整工作量.為了完成駕駛艙的自動化調(diào)整，本研究中采用了相對參數(shù)定義的方法.基準(zhǔn)部件的描述參數(shù)為 Q{Q1，Q2，…，Qi}，參數(shù) Q1～ Qi為關(guān)聯(lián)部件參數(shù)描述的基礎(chǔ)項.關(guān)聯(lián)部件相對描述參數(shù)為 P{P1，P2，…，Pi}，其中 P1～ Pi為關(guān)聯(lián)部件相對描述參數(shù)，則關(guān)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(yùn)算關(guān)系.在部件定義時采用相對描述參數(shù)P，這樣在方案調(diào)整過程中，當(dāng)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(jìn)行自動調(diào)整.圖10給出了客艙主要部件參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系及自動化調(diào)整邏輯.

圖10 駕駛艙方案參數(shù)自動化調(diào)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(diào)整信息.典型的如駕駛艙地板，機(jī)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(shè)計眼位點(diǎn)等與之在邏輯上相連接的部件發(fā)生參數(shù)調(diào)整，而設(shè)計眼位點(diǎn)的改變又將引起風(fēng)擋外形和駕駛員布置位置等一系列自動化調(diào)整.

4 設(shè)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(jī)駕駛艙設(shè)計實例.針對相同的駕駛艙設(shè)計要求以同一個機(jī)頭曲面外型為約束通過系統(tǒng)完成了某民用飛機(jī)兩種駕駛艙構(gòu)型的參數(shù)化設(shè)計方案，兩種設(shè)計方案分別采用4塊和6塊風(fēng)擋玻璃.基于系統(tǒng)完成了兩種設(shè)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(shè)備的參數(shù)化布置設(shè)計，以及基于標(biāo)準(zhǔn)視界圖的風(fēng)擋構(gòu)型參數(shù)化設(shè)計.圖11為在民機(jī)駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境中完成的示例飛機(jī)兩種設(shè)計方案的駕駛艙二維布置設(shè)計及生成的三維模型.

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

圖11 在駕駛艙交互式設(shè)計環(huán)境中完成的設(shè)計實例

圖12 6塊風(fēng)擋玻璃方案駕駛員外視界模擬結(jié)果

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

圖13 6塊風(fēng)擋玻璃方案駕駛員可達(dá)性驗證結(jié)果

5 結(jié)束語

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

（References）

［1］顧誦芬.飛機(jī)總體設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001

Gu Songfen.Aircraft conceptual/preliminary design［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2001（in Chinese）

［2］Manning V M.Large-scale design of supersonic aircraft via collaborative optimization［D］.Department of Aeronautics and Astronautics，Stanford University，1999

［3］《飛機(jī)設(shè)計手冊》總編委會.飛機(jī)設(shè)計手冊:第5冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2005:347－367

Editorial Board of Aircraft Design Manual.Aircraft design manual:book 5［M］.Beijing:Aviation Industry Press，2005:347－367（in Chinese）

［4］李銀霞，王黎靜，袁修干.飛機(jī)駕駛艙工效評價技術(shù)研究［C］//第七屆全國環(huán)境控制學(xué)術(shù)交流會議論文集.北京:中國航空學(xué)會，2002:245－249

Li Yinxia，Wang Lijing，Yuan Xiugan.Research of cockpit ergonomics assessment techniques［C］//Conference Proceedings of 7th National Symposium on Environmental Control.Beijing:Aviation Institute of China，2002:245－249（in Chinese）

［5］蘇潤娥，薛紅軍，宋筆鋒.基于虛擬設(shè)計的民機(jī)駕駛艙工效布局評價［J］.航空計算技術(shù)，2008，38（2）:69－73

Su Rune，Xue Hongjun，Song Bifeng.Ergonomic evaluation of airplane's cockpit layout based on virtual design［J］.Aeronautical Computing Technique，2008，38（2）:69－73（in Chinese）

［6］Leifsson L T.Multidisciplinary design optimization of low-noise transport aircraft［D］.Virginia:Department of Aerospace and O-cean Engineering，Virginia Polytechnic Institute and State University，2006

［7］Wagner T，Valasek J.Comparison of computational methods for stability and control analysis［R］.AIAA Paper 2005-140，2005

［8］Fidanci M，Miller J R，Strauss D J.Integrating automated multidisciplinary optimization in preliminary design of non-traditional aircraft［R］.ADA380252，2000

［9］Roskam J，Anemaat W A.General aviation aircraft design methodology in a PC environment［R］.AIAA Paper 96-5520，1996

［10］劉虎.飛機(jī)概念設(shè)計支持理論與原型系統(tǒng)研究［D］.北京:北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，2004

Liu Hu.Research on support theory and prototype system for air-craft conceptual design［D］.Beijing:School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2004（in Chinese）

［11］Raymer D P.Aircraft design:a conceptual approach［M］.3rd ed.Reston:AIAA Inc，1999

［12］羅明強(qiáng)，劉虎，武哲.開放式飛機(jī)總體設(shè)計環(huán)境的原型研究［J］.航空學(xué)報，2008，29（4）:954－959

Luo Mingqiang，Liu Hu，Wu Zhe.Prototype system research on open conceptual aircraft design［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2008，29（4）:954－959（in Chinese）

［13］《飛機(jī)設(shè)計手冊》總編委會.飛機(jī)設(shè)計手冊:第7冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2005:32－40

Editorial Board of Aircraft Design Manual.Aircraft design manual:book 7［M］.Beijing:Aviation Industry Press，2005:32－40（in Chinese）

［14］GJB4856—2003中國男性飛行員人體尺寸［S］

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(luò)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(jī)總體設(shè)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）