机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究

机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究都承斐1，王丽珍1，柳松杨2，樊瑜波1*（1．北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京100191；2．中国人民解放军空军航空医学研究所，北京100142）摘要：目的从生物力学角度探讨操纵杆位置对于机动飞行时操控工效的影响。

方法建立完整的人－椅系统有限元模型，该模型包括多体动力学假人、弹射座椅、约束系统以及惯性锁强制机构。

对模型施加不同方向的加速度载荷，从生物力学的角度对比研究不同位置的操纵杆以及不同大小的椅背角对飞行员操控工效的影响。

结果相比于中央操纵杆加17ʎ椅背角，侧位操纵杆加30ʎ椅背角能使得飞行员在加速度场中产生较小的躯干位移以及较小的手部惯性力。

结论在机动飞行过程中，侧位操纵杆和较小的椅背角均有利于飞行员获得较好的操控工效，从而减小安全隐患。

关键词：飞行员；机动飞行；操纵杆位置；操控工效；有限元；生物力学中图分类号：Ｒ857．13文献标识码：A文章编号：1002-0837（2014）04-0286-05A Biomechanical Study on Impact of Position of Flight Control Stick on Operation Efficiency in Flight Maneuvering Acceleration.Du Chengfei，Wang Lizhen，Liu Songyang，Fan Yubo．Space Medicine＆Medical Engineering，2014，27（4）：286 290Abstract：Objective To explore the biomechanical effect of the position of stick controller on the performance of pilot during flight maneuver．Methods A finite element（FE）model including multi-body dummy，ejection seat，restraint harness and inertia reel was developed．The effect of position of control stick and seat back an-gle on operation efficiency under accelerative loading were compared and evaluated．Ｒesults Compared with the center-stick and seat with back angle of17ʎ，the side-stick and seat back angel of30ʎinduced less dis-placement of trunk and less inertia force of hand in the environment of acceleration．Conclusion During flight maneuver，the side-stick position and less seat back angle is helpful to obtain better operation efficiency，which benefit the safety of pilots．Key words：pilots；flight maneuver；control stick position；operation efficiency；finite element；biomechanics Address correspondence and reprint requests to：Fan Yubo．Key laboratory for biomechanics and mechano-biology of Ministry of Education，School of Biological Science and Medical Engineering，Beihang University，Beijing100191，China随着飞行器操纵杆中的电传和光传操纵系统的出现和发展，侧位操纵杆得到了人们越来越多的关注。

相比于传统的中央位置，操纵杆设计在侧位精简了飞机控制系统结构并降低了维护成本；减小了座舱占用空间并改善了显示器的可视性；减小了操纵力从而使得操控更加轻松。

尽管有减弱飞行员接收控制反馈、容易触发轴向控制耦合及无法换左手控制等缺点［1-2］，但侧杆设计结构还是出现在了越来越多的机型当中，如F16、F22、F35等。

伴随侧杆同时出现的大后倾角座椅设计，在节省座舱空间的同时可以提高飞行员在大过载机动飞行中对于过载的耐受能力，尽可能减少“红视”以及“黑视”的出现。

修回日期：2014-07-18*通讯作者：樊瑜波yubofan@buaa．edu．cn基金项目：国家自然科学基金（11120101001，11202017）机动飞行时加速度载荷所产生的体外生物力学效应显而易见。

首先，尽管有伞带约束系统的限制作用，但加速度在飞行员身体上产生的巨大惯性力还是会部分经由四肢传递至操纵杆、油门阀以及脚踏，并有可能对其产生影响，尤其是现代侧杆对于操纵力的高敏感度设计下，此种惯性力对于控制器的影响可能更甚。

另外，惯性力所导致的身体振动或者相对座椅滑动也有可能会对飞行员正常操控造成不利影响。

以往对于中央杆和侧杆的对比研究主要集中在操纵品质、意识反馈、控制交叉耦合以及飞行训练等方面［2-5］，而对于飞行员生物力学响应的影响尚未见报道。

本研究的主要目的是通过对飞行员操控不同位置的操纵杆结合座椅的不同后倾角，在不同加速度场中进行模拟仿真研究，以期望能从生物力学的角度对于机动飞行时操纵杆位置如何影响飞行员操控工效第27卷第4期航天医学与医学工程Vol．27No．4 2014年8月Space Medicine＆Medical Engineering Aug．2014进行科学评估。

1方法1．1人－椅模型的建立选取健康志愿者（身高175cm，体重75kg）一名进行全身激光扫描，将扫描得到的点云数据导入到逆向工程软件Geomagic studio10．0中进行编辑和优化，转成以stl格式的三角面片数据后对模型进行分割和调整，最终导入有限元前处理软件Hypermesh11．0中进行网格划分。

建好的飞行员多刚体动力学模型分为头、颈、胸、腰、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共16个节段，每节段的几何尺寸以及质量、质心位置、转动惯量等参数均符合Hybrid III假人标准。

节段之间通过铰链进行连接，并添加旋转锁止角、转动刚度、摩擦、阻尼等参数以符合人体关节特性［6-7］。

航空座椅模型在CAD软件Solidworks2007中建立，座椅几何参数如座面宽度、深度、高度、椅背高、头靠宽、开放角、座面角、背靠角等均按照ACE II型座椅特征进行设定。

将建立好的座椅模型导入Hypermesh进行网格划分，考虑到计算仿真时只需要考虑座椅表面与人体及约束系统的相互作用，因此只对座椅表面进行网格划分。

在Hypermesh中对飞行员人体模型和座椅模型进行装配时，分别按照中央操纵杆及侧杆两种类型的座椅对飞行员座姿进行调整，在调整时首先通过旋转肩关节改变前臂和上臂的方位，同时保持肘部在肘托附近，然后旋转肘关节使得右手最终处于中央杆的位置，在两种条件下飞行员除右手臂姿态不同外其它身体部位基本一致。

约束系统模型直接在Hypermesh中进行建立，安全带采取PCU-15/P结构分为肩带和腰带两部分，其材料弹性模量分别为1080MPa和1260MPa，宽度为44mm，厚度为2．2mm。

为防止计算穿透，保持安全带与人体及座椅表面距离在2mm左右。

肩带惯性强制锁紧机构采取Ls-dyna里专门用于乘员安全研究中的卷收器进行模拟，其拉紧和回收织带的参数特性按照肩带惯性强制拉制机构通用规范（GJB4185-2001）进行设定，速度锁止参数设为300mm/s，加速度锁止参数为2G。

最终建立两种位置的操纵杆以及两种椅背角的模型分别如图1和图2所示。

图1中央操纵杆（左）和侧杆（右）人－椅有限元模型Fig．1FE model of human-seat with center-stick（left）and side-stick（right ）图217ʎ椅背角（左）和30ʎ椅背角（右）人－椅有限元模型Fig．2FE model of human-seat with seat back angle of 17ʎ（left）and30ʎ（right）座椅和假人模型均以刚性壳单元进行模拟，安全带则以膜单元进行模拟。

在动态计算仿真开始之前，需要对模型进行重力预加载和安全带预收紧，以消除人和安全带以及人和座椅之间的间隙。

重力加载为沿竖直方向向下大小为1G，预收紧力为在带扣两端织带上相向施加大小为40N的载荷。

为了模拟脚踏以及操纵杆对飞行员四肢的作用，在计算过程中分别对人体模型的手和足相对于座椅进行六个自由度上的约束。

为了详细考察机动飞行时人体在不同加速度场中的动力学响应，在两种不同位置的操纵杆条件下对模型在－x （背胸向）、－y、－z（盆头向）三个方向上分别施加峰值为3G的梯形波加速度，加速度增长率为3G/s，持续时间为1s，总体加速度作用时间为3s。

考虑到加速度作用在手部的惯性力可能直接影响到飞行员对方向舵操作杆以及油门阀的控782第4期都承斐，等.机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究制，另外在惯性力作用下飞行员躯干的移动有可能会影响到正常坐姿、四肢末端位移信息的反馈，并产生生物力学顺应性耦合等问题，因此整个加速度场作用过程中记录下人体左右手上的约束反力以及胸部和臀部的位移数据加以对比。

1．2模型有效性的验证在进行有限元计算时，模型有效性验证是至关重要的一步，其结果直接影响到对实际问题进行分析的可靠性。

按照Leupp ［8］和Bernard ［9］进行过的假人和志愿者实验，分别对假人施加－z方向上1 5G 大小的阶梯式及－x 方向上9．48G 大小的加速度载荷，将计算得到的结果和实验测量进行对比。

3结果3．1模型验证结果本模型在－z 方向加速度作用下计算得到假人臀部位移和Leupp ［8］实验结果对比如图3所示，在背胸向加速度载荷下肩带、腰带所承受张力以及膝关节位移和Bernard ［9］实验结果对比如表1所示。

由图3、表1可以看出，本模型在－z 方向加速度作用下预测的计算结果在载荷较小时较吻合，在加速度载荷较大时与假人实验数据略有差图3－z 向加速度载荷时实验和仿真中臀部位移对比Fig .3Comparison of displacements in buttocks betweensubject ，dummy and model during impact in －z direction 表1－x 向加速度载荷时假人位移及安全带张力对比Table 1Comparison of displacement of knee and beltload in －Gx impact between experiment and simulationShoulder strap load （N ）Lap belt load（N ）Knee displacement （cm ）Bernard 2930ʃ4408580ʃ123024．8ʃ3．5Present study2972800227．8距，但总体趋势一致。