基于CATIA的直升機飛行員人體數據庫研究

徐 茂，羅 亮，文麗輝

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

人體模型[1]是直升機駕駛艙人機工效虛擬設計與評估的重要工具，其準確性直接關系到駕駛艙可視性、可達性和舒適度的仿真分析及虛擬評估結果。CATIA軟件[2]是一款功能強大、接口豐富的設計軟件，廣泛應用于飛行器、汽車、船舶等設計領域。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據庫[3]。在直升機設計過程中，設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，在疆域與行業上，人體數據存在顯著的差異。本文對直升機駕駛艙人體數據庫進行了深入的研究，構建了基于CATIA的中國直升機飛行員人體模型與典型姿態庫，可為直升機駕駛艙人機工效虛擬分析、設計與評估提供技術支持。

1 數據研究與分析

1.1 人體數據統計

一般來說，人體數據庫建立在大量人體測量數據的基礎之上，通過標準測量獲得大量的人體各變量原始數據，再進行分布擬合、參數估計、假設檢驗等數學處理，得到各變量的分布類型，最后形成人體數據庫。

根據統計經驗可知，人體測量變量通常服從正態分布，即概念密度函數為：

(1)

式中，μ為人體數據測量變量的均值，σ>0為人體數據測量變量的標準差。

在正態分布的情況下，人體測量數據的統計特征可由均值和標準差這兩個參數完全表示，即人體數據測量變量最主要的統計參數是均值與方差，分別對應GJB 4856-2003人體測量數據的第一和第二列。

百分位表示具有小于并包含某一項人體尺寸的個體占統計樣本的百分比，表示人體的某項尺寸數據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 人體數據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標準中的人體測量變量，存在著一定的對應關系，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關系

注：“/”表示沒有相應人體數據，“-”表示減號，“——”表示空缺。

由表可知，在GJB 4856-2003標準中，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的數據。對于那些在標準中沒有對應數據的項目，由于其并不會影響人體模型的總體尺寸，數據庫中以CATIA軟件中默認的參數代替。

2 模型構建與應用

2.1 人體模型構建

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。在創建一個人體模型時，需要遵循一定的編寫規則。一個人體模型文件大致由三部分構成，即段首、段中和段尾。其中，段首關鍵詞常以MEAN_STDEV M(男性)或MEAN_STDEV F(女性)開頭，段尾關鍵詞以END結尾。段中關鍵詞有三個，為〈variable〉 、〈mean〉 、〈stddev〉，分別對應變量的引用代碼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，關鍵詞區分大小寫，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則要求，參考GJB 4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》，構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據庫的導入，如圖3(a)。在Human Builder模塊中，點擊Inserts a new manikin，選擇導入的人體模型文件，即可完成中國直升機飛行員人體模型的調用，如圖3(b)。通過對比發現，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 人體姿態應用

西北工業大學蘇潤娥等[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整相應參數，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環境中，將帶有H-Point的人體模型導入直升機駕駛艙模型中，選擇相應的百分位模型，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庫，將其保存在CATIA人體姿態中，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

在某型號的方案設計階段,將人體模型典型姿態庫導入駕駛艙電子樣機中,參考Q16S/1433-2016《民用直升機駕駛艙設計規范》，對駕駛桿、總距桿、腳蹬、儀表板、中央操縱臺、頂部操縱臺、側部操縱臺以及風擋玻璃等，分別進行了可視性、可達性和舒適性評估。結果表明：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化模型，其評估數據更加真實、可靠。

圖4 人體模型不同姿態的構建與應用

3 結論

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

1)CATIA人體模型與GJB 4856-2003人體測量變量存在一定的對應關系，可根據國軍標人體數據庫構建新的CATIA人體模型。

2)CATIA人體模型文本文件具有一定的編碼規則，在滿足要求的前提下，可實現新的CATIA人體模型數據庫構建。

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