CN109614646A - 一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于弹射救生领域，涉及一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法。本发明在一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，提高弹射座椅的舒适性组件中设计，本方法发明座椅赋形设计的实质是如何处理人体与座椅接触的部分的几何形状的问题，核心环节是人体的三维尺寸和结构件的设计对应两大部分。解决弹射座椅的舒适性问题，可以有效地提高座椅在舒适性的赋形设计水平。
Description
技术领域
本发明属于弹射救生领域，涉及一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法。
背景技术
随着飞机续航能力的提高及空中加油技术的应用，飞机留空时间大大加长，飞行员对提高火箭弹射座椅舒适性的要求愈加迫切。影响火箭弹射座椅乘坐舒适性的主要部件包括：座垫、靠背、靠背垫、肩靠、肩靠垫等。这些部件的主要作用除了为飞行员提供舒适的乘坐环境，还可以在飞机侧向机动时为飞行员提供侧向稳定性，从而实现飞行员对飞机舒适、方便的操控，提高飞行员作战水平。国内火箭弹射座椅在研制过程中，在人员乘坐舒适性方面缺乏足够的重视，同时也缺乏三维曲面造型数据和方法，导致了现役火箭弹射座椅人椅界面曲面仿形效果较差，直接影响到人员的乘坐舒适性。
发明内容
本发明的目的是：为解决弹射座椅的舒适性问题，本发明提供一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，可以有效地提高座椅在舒适性的赋形设计水平。
本发明的技术方案是：一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，依据软件设计得到高仿真人体外形的假人数字模型，根据GJB4856进行修正，修正后符合飞行员的人体外形测量数据；将人体外形测量数据进行转化为点云数据，提取人体模型的点云数据；再在CATIA软件里的数字曲面编辑器(DSE)模块，导入得到的点云数据；根据实际需要，利用点云处理功能对点云数据进行修改和过滤，删除多余的点云；对点云拟合的曲线进行光顺化处理，进入快速曲面重构模块(QSR)模块，进行曲面拟合，生成曲面设计(GSD)模块进行不同曲面的构建；设计舒适性组件的曲面进行赋形设计。
所述曲线光顺化处理是对点云数据提取样条曲线，绘制样条曲线需要先创建扫描线，以得到人体表面的轮廓线。
所述快速曲面重构模块(QSR)模块，是对光顺化后的曲面进行曲面拟合，配合创成式曲面设计(GSD)模块进行不同曲面的构建。
所述GSD模块支持从线到面的创建过程，可以通过定义引导线、脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。通过两个模块的配合，进行曲面的重建，对飞行员人体背部的曲线创建多截面曲面，从而可以获得飞行员人体靠背的赋形。
本发明的有益效果：本方法较好的解决赋形设计中有形可赋的问题，解决了高仿真外形的赋形问题。通过一系列的数据转换，将人体外形转化到与之对应的座椅舒适性组件的外形设计上，提高座椅的舒适性设计水平。
具体实施方式：
下面对本发明做进一步详细说明。
本发明在一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，提高弹射座椅的舒适性组件中设计，本方法发明座椅赋形设计的实质是如何处理人体与座椅接触的部分的几何形状的问题，核心环节是人体的三维尺寸和结构件的设计对应两大部分。
以弹射座椅靠背为例，说明具体实施方法。
国内火箭弹射座椅在研制过程中，在人员乘坐舒适性方面缺乏足够的重视，同时也缺乏三维曲面造型数据和方法，导致了现役火箭弹射座椅人椅界面曲面仿形效果较差，直接影响到人员的乘坐舒适性。
POSER软件，是Metacreations公司推出的一款三维动物、人体造型和三维人体动画制作的极品软件，是全球第一个也是迄今为止使用最广泛的专门用于人体建模的软件。件软中提供了多种带有骨骼、肌肉等动力学模型的标准人体模型，虽然没有中国人的体型，但也为本研究中人体模型对象的选择提供了参考依据。
解决办法是根据中国男性飞行员的三维人体模型，Poser中提供的模型在人体各部分比例上，有所区别，考虑到东西方人的差别，不能按比例直接修改，可以借助其他3D软件如3DS Max等，测量出人体各主要部位的尺寸，再进行修改、调整。因此，基于该软件提供的人体模型库，按照GJB4856中国男性飞行员的人体尺寸(取歼击机飞行员数据)，选取软件中的标准人体模型作为操作对象，借助CAD软件对其进行测量、转换，从而得到人体模型主要部位的尺寸，然后对比国军标中国男性飞行员人体数据进行各部位的尺寸调节，从而得到与我国飞行员人体尺寸一致的人体模型。通过Poser软件的模型，进行调整之后建立的人体模型符合我国飞行员尺寸，且人体模型细致、高仿，为下一步的仿形建模奠定基础。
从Poser软件里导出为OBJ格式文件，然后导入3D Max里进行转换，提取飞行员人体模型点云数据，以STL格式输出，从而得到所需点云文件。在此过程中，需要注意的是3Dmax里的转换，单位是否变化，模型大小是否改变，如有所改变，则需进行调整，以确保飞行员人体模型尺寸没变，即与中国男性飞行员人体尺寸数据一致。
进入CATIA软件里的数字曲面编辑器(DSE)模块，导入得到的点云文件，根据实际需要，利用点云处理功能对点云文件进行修改和过滤，删除多余的点云，减少不必要的运算。CATIA在加载点云时，可以根据需要决定采样率，即加载点占原来点数据的百分比，从而提高处理速度。由于受系统误差、随机误差等影响，需要对点云数据进行过滤处理。点云过滤可以降低点云密度、滤除噪声点，常用的过滤方法有曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homogeneous)。若选择球过滤法，点云数据将根据输入球半径的大小被均匀过滤，这种方式可能会滤去点云轮廓变化处的一些关键点，只适合曲率变化不大形状简单的点数据。考虑到背靠仿形体的曲率变化复杂性。此时，点云数据中平坦部分将比曲率变化大的部分被滤去更多的点，从而保留了曲面重建要用到的关键点。
根据国外研究资料，人体自然直立时脊椎生理曲线呈“S”形，此时脊椎负重很小，保持这种姿势乘坐则不易疲劳，这是人体背部曲面拟合的依据。
曲线的创建是逆向造型中曲面重构过程最为关键的一步，对点云拟合程度高的曲线才能得到高品质的光顺曲面。绘制样条曲线需要先创建扫描线，以得到人体表面的轮廓线，在逆向设计中，扫描或拟合得到的曲线一般难以保证其光顺，因此需要先对曲线网格进行光顺处理。为保证曲面的精度而对原始值点进行光顺修改时，其修改后的值点同原始值点的坐标偏差要尽可能的小。由于靠背与人体后背紧密接触，因此扫描线在腰背曲率变化大的部分较为密集，对称分布，头椅盆方向在脊柱附近的扫描线稍微密集，以便更好的拟合人体曲面。根据所创建的扫描线进行曲线的绘制，每个平面均按照扫描线轮廓取点绘制，在脊柱两侧取点较多，主要注意尽可能的拟合人体背部数据点，同时考虑曲率的变化是否均匀连续，使曲线尽量光顺，飞行员服装厚度取10mm，背部曲线以人体表面数据点参考扫描线绘制，即可得到仿形靠背的3D曲线轮廓。
根据拟合人体点云所创建的曲线，进入快速曲面重构模块(QSR)模块，进行曲面拟合，配合创成式曲面设计(GSD)模块进行不同曲面的构建。其中曲面拟合的功能最为强大，它支持多种曲面创建形式。而GSD模块支持从线到面的创建过程，可以通过定义引导线、脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。通过两个模块的配合，进行曲面的重建，对飞行员人体背部的曲线创建多截面曲面，从而可以获得飞行员人体靠背的赋形。
由于曲面的填充不是一次性完成的，过程中产生的缝隙，需要接合才能成为完整的曲面模型，同时考虑曲面的连接过渡时曲率的连续，形成完整的光顺曲面，得到飞行员人体靠背赋形。
Claims (4)
1.一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，其特征在于，依据软件设计得到高仿真人体外形的假人数字模型，根据GJB4856进行修正，修正后符合飞行员的人体外形测量数据；将人体外形测量数据进行转化为点云数据，提取人体模型的点云数据；再在CATIA软件里的数字曲面编辑器DSE模块，导入得到的点云数据；根据实际需要，利用点云处理功能对点云数据进行修改和过滤，删除多余的点云；对点云拟合的曲线进行光顺化处理，进入快速曲面重构模块QSR模块，进行曲面拟合，生成曲面设计GSD模块进行不同曲面的构建；设计舒适性组件的曲面进行赋形设计。
2.如权利要求1所述的一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，其特征在于，所述曲线光顺化处理是对点云数据提取样条曲线，绘制样条曲线需要先创建扫描线，以得到人体表面的轮廓线。
3.如权利要求1或2所述的一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，其特征在于，所述快速曲面重构模块QSR模块，是对光顺化后的曲面进行曲面拟合，配合创成式曲面设计GSD模块进行不同曲面的构建。
4.如权利要求3所述的一种基于高仿真人体外形的弹射座椅赋形设计方法，其特征在于，所述GSD模块支持从线到面的创建过程，可以通过定义引导线、脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。通过两个模块的配合，进行曲面的重建，对飞行员人体背部的曲线创建多截面曲面，从而可以获得飞行员人体靠背的赋形。
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