司光耀，齊煥章，黃華政，王廣偉，宋雨雨，龍怡行

四川航天系統(tǒng)工程研究所，四川 成都 610100

典型的航天器單機(jī)設(shè)計(jì)過程為：需求分析、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)。該過程對(duì)產(chǎn)品研制進(jìn)行了系統(tǒng)性的規(guī)劃，但在具體實(shí)施上仍有一定的缺陷[1]。首先在需求分析上，單機(jī)產(chǎn)品的性能指標(biāo)確定方法多為根據(jù)航天器已知的確定參數(shù)，由工作人員在地面進(jìn)行粗略估算。由于太空環(huán)境的復(fù)雜性，地面無法進(jìn)行有效模擬并論證，這就導(dǎo)致了后期產(chǎn)品研制過程中，會(huì)出現(xiàn)輸入?yún)?shù)多次更改或?qū)嵨餆o法滿足使用需求的情況[2]。其次在概念設(shè)計(jì)上，沒有形成有效的設(shè)計(jì)思路，多為設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和想象完成，導(dǎo)致工作量過大。最后在初步設(shè)計(jì)上，產(chǎn)品的性能指標(biāo)滿足情況多依賴于實(shí)物的試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問題后再進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，整個(gè)過程可能需要多次的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的迭代驗(yàn)證[3]。根據(jù)這些問題導(dǎo)致的單機(jī)產(chǎn)品研制周期長、成本高和工作量大等情況，本文提出一種宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

1 單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

本文的單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化方法體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 需求仿真分析

傳統(tǒng)宇航單機(jī)產(chǎn)品的需求分析過程多為總體人員根據(jù)需求，在地面模擬出近似工況，根據(jù)操作情況確定產(chǎn)品功能及相關(guān)參數(shù)，這種方法的片面性和不確定性較高。例如：一種輔助航天員進(jìn)行儀器操作的座椅，傳統(tǒng)的尺寸參數(shù)確定方法為總體人員根據(jù)已知的儀器板尺寸參數(shù)，讓身體外形與航天員近似的志愿者坐在椅子上模擬所需操作，并根據(jù)模擬結(jié)果確定座椅需具備的功能及運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。此種模擬方式無法覆蓋太空的無重力環(huán)境，得出的參數(shù)與最佳參數(shù)具有一定出入。針對(duì)這一點(diǎn)，需求分析階段還應(yīng)增加需求分析仿真過程[4]：根據(jù)實(shí)際環(huán)境及航天員人體參數(shù)進(jìn)行建模，設(shè)置任務(wù)分析要求，對(duì)航天員的操作動(dòng)作（搬運(yùn)、拉壓等）進(jìn)行模擬，獲取機(jī)構(gòu)的力學(xué)承載指標(biāo)，并對(duì)機(jī)構(gòu)的操作性進(jìn)行約束，提出舒適度指標(biāo)作為判讀標(biāo)準(zhǔn)。以需求分析仿真的評(píng)價(jià)結(jié)果、地面模擬結(jié)果為參考，獲取更接近最優(yōu)解的輸入?yún)?shù)指標(biāo)（包絡(luò)需求、強(qiáng)度需求、功能需求、精度需求、壽命需求、工作時(shí)間要求和速度要求等）。

1.2 基于功能分解的概念設(shè)計(jì)

由于宇航產(chǎn)品的特殊性，特定的機(jī)構(gòu)產(chǎn)品用于完成特定的功能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中可借鑒的樣本過少。概念設(shè)計(jì)多依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和想象完成，不但工作量大，設(shè)計(jì)周期及產(chǎn)品成熟度也無法保證。

因此，本文引入系統(tǒng)化概念設(shè)計(jì)理念[5]，建立“需求-功能-動(dòng)作-機(jī)構(gòu)”的設(shè)計(jì)模型。該模型通過對(duì)任務(wù)需求進(jìn)行解讀，獲取詳細(xì)的功能，而功能是通過執(zhí)行一種或幾種特定動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。將所有動(dòng)作進(jìn)行分組，在保證簡單、有效、可靠的前提下，構(gòu)建一種或數(shù)種機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作的執(zhí)行，機(jī)構(gòu)拆分、組合成不同的組件，最后這些組件組合成一個(gè)單機(jī)，并對(duì)需求滿足情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷此單機(jī)可否進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。如不滿足則對(duì)執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行重新分解或組合，直至方案滿足需求為止。系統(tǒng)化概念設(shè)計(jì)的框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)化概念設(shè)計(jì)框架

1.3 初步設(shè)計(jì)中的工效學(xué)仿真

概念方案的確定使單機(jī)具有了一個(gè)雛形，僅能表明產(chǎn)品具有完成任務(wù)需求的能力，但是否滿足需求分析仿真中的指標(biāo)，需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。產(chǎn)品的力學(xué)性能如上行強(qiáng)度、承載強(qiáng)度等，目前已有較成熟的力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，但產(chǎn)品的可靠操作性、功能符合性一般需要多輪的實(shí)物驗(yàn)證，且地面模擬太空失重環(huán)境的成本過大，非核心單機(jī)驗(yàn)證時(shí)一般無法摒除重力影響，使得試驗(yàn)結(jié)果有效性存疑。

本文提出通過初步設(shè)計(jì)中的工效學(xué)仿真來降低成本、周期等缺陷。通過工效學(xué)仿真軟件對(duì)產(chǎn)品的操作情況進(jìn)行模擬。首先，根據(jù)“功能-動(dòng)作”的劃分，確定人體模型的不同姿勢以及各種姿勢的到達(dá)包絡(luò)，以此對(duì)單機(jī)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)進(jìn)行修正；其次，進(jìn)行操作力分析，包括提舉或放下分析、搬運(yùn)分析、推拉分析等，以此對(duì)產(chǎn)品的各種機(jī)構(gòu)的力學(xué)元器件（如彈簧、齒輪）的參數(shù)進(jìn)行修正；再次，可對(duì)部分有“操作視界”要求的單機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品的外形參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化；最后，進(jìn)行宇航員各種姿勢下的舒適度分析，對(duì)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸參數(shù)優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化又稱為結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，它是一種根據(jù)約束、載荷及優(yōu)化目標(biāo)尋求結(jié)構(gòu)材料最佳分配的優(yōu)化方法。拓?fù)鋬?yōu)化通過去除材料的手段確定結(jié)構(gòu)的整體幾何外形，是一種確定設(shè)計(jì)區(qū)域材料最優(yōu)分布的有效手段。

拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型一般可描述為

式中：x為設(shè)計(jì)變量；xe為單元設(shè)計(jì)變量；C(x)為結(jié)構(gòu)的柔順度(即剛度的倒數(shù))；F為載荷矩陣；U為位移矩陣；K為整體剛度矩陣；ue為單元位移矩陣；k0為單元?jiǎng)偠染仃?；V(x)為在設(shè)計(jì)變量狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)有效體積；V0為在設(shè)計(jì)變量取1 狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)有效體積；f為材料用量體積系數(shù)；Xmax為單元設(shè)計(jì)變量上限(在此取1)，引入Xmin的目的是防止單元?jiǎng)偠染仃嚦霈F(xiàn)奇異；Xmin為單元設(shè)計(jì)變量下限；p為懲罰因子(取3 即可)。

拓?fù)鋬?yōu)化過程為：1)定義需要拓?fù)鋬?yōu)化的區(qū)域；2)定義優(yōu)化參數(shù)；3)執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化。

針對(duì)航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，采用拓?fù)鋬?yōu)化的對(duì)象是產(chǎn)品機(jī)構(gòu)中大尺寸零件。根據(jù)需求分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算各區(qū)域的安全裕度，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料重新分配和尺寸參數(shù)修改，迭代優(yōu)化獲得產(chǎn)品的材料最優(yōu)分布形式[6]。

2 實(shí)物驗(yàn)證

文中以核心艙單機(jī) —身體限位裝置為例驗(yàn)證本方法的有效性。本產(chǎn)品的作用為對(duì)航天員進(jìn)行身體限位，輔助其完成在軌精密操作。

2.1 需求仿真分析

根據(jù)機(jī)構(gòu)的使用需求，對(duì)其使用工況進(jìn)行仿真建模。

2.1.1 仿真建模

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，獲取航天員身高范圍、坐高及體重范圍。人體建模參數(shù)按照《中國成年人人體尺寸》GB 10 000—88 的5%～95%體位執(zhí)行。產(chǎn)品用于航天員在軌操作精密儀器時(shí)的身體限位，使用狀態(tài)下，身體下半身固定，手臂操作鍵盤，目視屏幕，對(duì)該工況進(jìn)行仿真建模，如圖2所示。

圖2 使用工況建模

2.1.2 仿真分析

1）失重狀態(tài)下中性體位。失重狀態(tài)下，人體在沒有受到環(huán)境重力等外力和刺激的影響下，處于完全放松狀態(tài)，其身體所呈現(xiàn)的自然姿態(tài)如圖3所示。圖3 中，1g（g為重力加速度）視線為地面1g重力環(huán)境下的主視線，身體各關(guān)節(jié)的角度范圍為人體舒適體位的可調(diào)整角度。

圖3 失重狀態(tài)下的中性體位

2）人體活動(dòng)范圍。在設(shè)計(jì)航天員的工作空間時(shí)，必須考慮失重環(huán)境下航天員可能的運(yùn)動(dòng)范圍和中性體位，男性航天員在失重環(huán)境下身體中性體位和運(yùn)動(dòng)所需要的近似空間如圖4 所示。

圖4 失重環(huán)境下航天員運(yùn)動(dòng)范圍的近似空間

3）容腳空間。需航天員立姿操作的設(shè)備和工作面板等的底部應(yīng)提供容腳空間，容腳空間的大小為：高度H≮100 mm，寬度W≮400 mm，D≮150 mm，如圖5 所示。

圖5 容腳空間示意

4）容膝空間。需航天員坐姿操作的設(shè)備和工作面板等的下部應(yīng)提供容膝空間，容膝空間的大小為：高度H≮640 mm，寬度W≮510 mm，深度D≮360 mm，如圖6 所示。

圖6 容膝空間示意

根據(jù)需求仿真分析，初步確定以下參數(shù)：

1）身體限位裝置折疊狀態(tài)（非工作狀態(tài)）外包絡(luò)尺寸不大于600 mm×450 mm×350 mm;

2）身體限位裝置展開狀態(tài)（工作狀態(tài)）外包絡(luò)尺寸不大于1 100 mm×700 mm×550 mm;

3）前后方向調(diào)節(jié)范圍不小于10～220 mm；

4）高度方向調(diào)節(jié)范圍不小于210～470 mm；

5）角度調(diào)節(jié)范圍不小于3°～65°；

6）身體限位裝置的腿部限位及腳部限位部件應(yīng)能承受各向350 N 的作用力。

根據(jù)上述參數(shù)對(duì)身體限位裝置的主體框架進(jìn)行初始建模，建模結(jié)果如圖7 所示。

圖7 初始建模結(jié)果

2.2 概念設(shè)計(jì)

2.2.1 功能分解

根據(jù)使用環(huán)境及工況對(duì)限位機(jī)構(gòu)所需的主要功能進(jìn)行分解，劃分為以下幾點(diǎn)：

1）身體限位裝置能夠?yàn)楹教靻T雙手進(jìn)行長時(shí)間、精細(xì)操作工況，提供身體下半身的約束及限位輔助支持；

2）身體限位裝置通過腳部限位的角度調(diào)整、腿部限位的長度調(diào)整，以適應(yīng)不同高度人群尺寸需求；

3）身體限位裝置的外包絡(luò)尺寸可調(diào)節(jié)，使其在非使用狀態(tài)下占用空間?。?/p>

4）身體限位裝置調(diào)整組件單手即可實(shí)現(xiàn)操作，操作力適宜；

5）身體限位裝置整體需要能夠承受使用工況下產(chǎn)生的作用力，而不產(chǎn)生永久性破壞；

6）身體限位裝置與航天員腳部、腿部接觸部位應(yīng)有舒適的緩壓解決措施。

根據(jù)上述內(nèi)容，構(gòu)建功能分析結(jié)構(gòu)樹如圖8所示。

圖8 功能分析結(jié)構(gòu)樹

2.2.2 設(shè)計(jì)過程

以需求分析后構(gòu)建的身體限位裝置主體框架為基礎(chǔ)，根據(jù)功能分解，將身體限位裝置的動(dòng)作劃分為前后調(diào)節(jié)、角度調(diào)節(jié)、高度調(diào)節(jié)及關(guān)節(jié)折疊。為實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作，對(duì)現(xiàn)有的地面成熟產(chǎn)品及有過飛行經(jīng)驗(yàn)的航天產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容如圖9 所示[7]。

圖9 各機(jī)構(gòu)調(diào)研情況

產(chǎn)品經(jīng)過多周期迭代（迭代過程如圖10 所示），最終得到一個(gè)比較成熟的概念設(shè)計(jì)模型，如圖11 所示。該模型由腿部限位組件、滑動(dòng)套組件、腳部限位組件、齒輪箱組件以及主支撐組件構(gòu)成[8]。

圖10 身體限位裝置迭代過程

圖11 身體限位裝置結(jié)構(gòu)組成

對(duì)需求的滿足情況：身體限位裝置的設(shè)計(jì)滿足微重力環(huán)境下、人體處于自然姿勢時(shí)，對(duì)航天員腳部和腿部的限位。腳部和腿部的限位能滿足大多數(shù)、長時(shí)間需要雙手操作的工作，同時(shí)保持身體處于自然姿態(tài)，降低身體的疲勞度。針對(duì)航天員對(duì)不同功能區(qū)域長時(shí)間工作的特點(diǎn)及不同航天員的體態(tài)，身體限位輔助裝置具有一定的調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)不同體態(tài)航天員的使用。當(dāng)身體限位輔助裝置不工作時(shí)，可以折疊收縮，節(jié)省艙內(nèi)過道空間、方便身體限位輔助裝置的存貯和搬運(yùn)。為適應(yīng)航天員在軌使用需求，身體限位裝置主要設(shè)置有前后滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置有滿足上行和閑置時(shí)折疊機(jī)構(gòu)，如圖12 所示[9]。

圖12 身體限位裝置各動(dòng)作實(shí)現(xiàn)示意

2.3 初步設(shè)計(jì)

對(duì)概念設(shè)計(jì)的單機(jī)方案進(jìn)行工效學(xué)仿真，根據(jù)身體限位裝置的在軌工作需求判斷，分析內(nèi)容包括操作可達(dá)性、視野和舒適度，分析模塊如圖13所示。其中視野分析由于身體限位裝置對(duì)人體頭部無約束，可直接判斷視野滿足使用要求[10]。

圖13 工效學(xué)分析模塊

2.3.1 操作可達(dá)性仿真

航天員將身體限位裝置調(diào)整至最高狀態(tài)，此時(shí)的操作可達(dá)區(qū)域如圖14 所示。

圖14 操作可達(dá)性仿真

2.3.2 操作舒適度仿真

航天員將腿部限位組件調(diào)整后，在身體限位裝置上操作機(jī)械臂操作臺(tái)，整體使用情況良好，航天員身體各關(guān)節(jié)舒適度良好。但長時(shí)間操作右上側(cè)鍵盤時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致航天員右側(cè)肩頸疲勞[11]，如圖15 所示。

圖15 操作舒適度仿真

2.3.3 仿真結(jié)論

身體限位裝置的安裝位置和調(diào)節(jié)能夠滿足航天員操作機(jī)械臂操作臺(tái)；視野覆蓋情況良好；航天員在身體限位裝置的約束和支撐下，身體各關(guān)節(jié)舒適度良好，可達(dá)區(qū)域能夠覆蓋操作要求。

2.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)初步設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸參數(shù)優(yōu)化，構(gòu)建出身體限位裝置的有限元模型，如圖16 所示。產(chǎn)品采用實(shí)體單元建模，主要單元類型為C3D8I。簡化掉的配重用質(zhì)量點(diǎn)模擬，分析時(shí)采用固定邊界條件[12]。

圖16 優(yōu)化前的有限元模型

根據(jù)需求分析的力學(xué)要求，身體限位裝置使用時(shí)，其腿部折疊結(jié)構(gòu)和腳部折疊機(jī)構(gòu)能分別承受X、Y、Z方向350 N 的作用力，不會(huì)破壞。根據(jù)靜力仿真分析，腿部折疊結(jié)構(gòu)和腳部折疊機(jī)構(gòu)在承受Y向作用力時(shí)，力學(xué)性能最惡劣，應(yīng)力云圖[13]如圖17 所示。

圖17 Y 向載荷應(yīng)力云圖

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)安全裕度充裕的區(qū)域進(jìn)行材料去除，優(yōu)化結(jié)果如圖18 所示。

圖18 優(yōu)化后的身體限位裝置

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元建模[14]，靜力仿真后的模型如圖19 所示。通過前后對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的身體限位裝置的力學(xué)性能并未出現(xiàn)明顯減弱，其安全裕度依然滿足使用要求。

圖19 優(yōu)化后的模型

2.5 研制總結(jié)

身體限位裝置的研制流程嚴(yán)格按照本文提出的方法進(jìn)行，相較于同類產(chǎn)品，本產(chǎn)品的研制周期有明顯縮短，后續(xù)的實(shí)物驗(yàn)證（力學(xué)試驗(yàn)、工效學(xué)試驗(yàn)等）環(huán)節(jié)皆順利通過，故可判斷本方法有效。

目前身體限位裝置應(yīng)用于中國空間站上[15]，如圖20 所示。

圖20 身體限位裝置在軌應(yīng)用

3 結(jié)論

文中提出了一種宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。該方法除了對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化外，另一特點(diǎn)是更多的引入計(jì)算機(jī)分析，減少了人為主觀分析和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在增加設(shè)計(jì)有效性的同時(shí)，降低了設(shè)計(jì)的難度。

后續(xù)希望可以在該方法中更多地融入智能制造中智能設(shè)計(jì)的理念，進(jìn)一步減少人為主觀意識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。