相比于常规布局客机,BWB客机最显著的特点是机身和机翼高度融为一体,其不同的客舱布置方案决定了不同的BWB外形,进而决定了飞机的气动特性、重量特性和操稳特性。在BWB客机概念设计的初期,为了筛选出一种合理的总体布局方案,需要对比多种客舱布置方案及其相应的气动布局方案。传统的客舱布置设计方式是:设计人员根据经验和规范,通过手工方式,绘制客舱布置方案。当需要设计多种客舱布置方案时,这种手工方式的工作量很大,会严重地拖延BWB客机概念设计的进度。因此,迫切需要一种适用于BWB客机概念设计的客舱布置快速设计工具。
针对BWB客机客舱布置问题,Liebeck[1]以450座级的BWB客机为背景,对其客舱的座椅、出口、通道以及舱内设施进行了详细的布置。Bradley[3]提出了一种BWB客机客舱座椅排布方法,可以用来确定不同座级客舱的大小。Eelman和Schmitt[4]采用场景技术的方法对3个不同场景进行分析,推导出BWB客机客舱设计的新标准,并绘制了3种场景下的客舱布置草图。van der Voet等[5]以300座级BWB客机为例,分别对三舱布置(头等舱、商务舱和经济舱)、两舱布置(商务舱和经济舱)和全经济舱布置方式进行了研究。廖慧君和张曙光[6]提出了250座级BWB客机的客舱布置方案,分析了其适航可行性和舒适性。潘立军等[7]基于适航符合性,结合结构空间限制,研究了380座级BWB客机的客舱布置方案,并进行应急撤离仿真。仿真结果表明其方案满足“90 s应急撤离”要求。虽然这些研究为BWB客机客舱方案设计提供了有价值的参考,但只针对某种具体的客舱布置方案进行研究,还无法实现BWB客机客舱快速设计。
基于知识工程(Knowledge Based Engineering,KBE)的设计方法有可能为客舱快速设计提供一种有效方法。KBE方法将工程设计相关的知识和规范融入在几何模型创建过程中, 可根据设计要求实现自动创建几何模型[8]。KBE方法已在不同工程设计领域,例如飞机外形设计[9]、车辆设计[10]、机身重量估算[11], 获得了初步应用。
本文在参考现有BWB客机客舱布置方案基础上,应用KBE方法,将BWB客机客舱布置设计参数、知识和规范融入在客舱布置几何模型创建过程中,开发一个BWB客机客舱布置快速生成的原型系统。
1 客舱布置的耦合效应分析 由于BWB客机的机身和机翼高度融为一体,其客舱布置与气动外形、结构布置、动力系统及后缘操纵舵面布置等紧密耦合[12],设计难度高于传统的桶状机身+机翼布局,通常需要借助多学科综合设计方法进行研究,BWB客机客舱布置在多学科综合设计的地位如图 1所示。
图 1 BWB客机客舱布置在多学科综合设计的地位 Fig. 1 Role of cabin layout in multidisciplinary integrated design for BWB aircraft |
图选项 |
从图 1可以看出,客舱布置方案作为BWB客机多学科综合设计的起点,对几何外形、气动、结构、操稳、重量和重心都有着重要的影响。例如,在座级确定情况下,若减少每排座位数,则机身宽度减小,机身长度增加,引起的耦合效应是:①尾翼力臂增长,有利于提高BWB客机纵向配平能力;②对机身结构重量和全机重心有明显影响;③机身与机翼融合设计的难度增加,对气动设计和结构设计都造成了不利影响。因此,合理的客舱布置显得尤为重要。
本文的研究对象为200~400座级BWB客机,旨在开发一种适用于BWB客机概念设计的客舱布置快速生成原型系统,能够快速生成客舱布置方案,得到客舱的总体参数(如整个客舱长度、宽度、高度以及每个舱室的宽度),为接下来的外形设计、机身结构布置(机身结构墙的布置、后压力舱盖的位置等)和确定重心位置等提供参考。
2 原型系统的架构 BWB客机的客舱布置快速生成原型系统以知识工程理论为核心,以知识库为支撑,为设计人员提供一个能够不断使用和更新已有知识、模型、经验和数据等资源的设计工具。此系统将客舱布置的规范、经验、原理和方法等封装在几何建模程序中,以实现客舱布置的快速生成。该原型系统的框架如图 2所示。为了能快速地开发出原型系统,本文采用MATLAB作为开发平台,其简洁的表达方式和灵活的绘图功能可缩短该原型系统开发的时间。
图 2 BWB客机客舱布置快速生成原型系统框架 Fig. 2 Framework of prototype for rapid generation of BWB aircraft cabin layout |
图选项 |
2.1 知识库 BWB客机客舱知识库是合理组织的客舱布置的陈述性知识和过程性知识的集合,其是客舱快速生成系统的重要组成部分。在构建知识库时,将客舱布置相关知识进行收集,归纳成可用于解决客舱布置问题的策略,并应用计算机语言(MATLAB脚本语言)进行描述。BWB客机客舱布置快速生成原型系统的知识库结构如图 3所示。
图 3 客舱布置知识库的结构 Fig. 3 Architecture of knowledge base for cabin layout |
图选项 |
1) 模型库:BWB客机客舱内部部件数量较多,但相似结构也多,为减少设计时的重复建模,可对客舱部件创建模型库。在各模型中设置参数,通过修改这些参数可以实现模型的快速绘制。模型库主要包括座椅库、厨房库、厕所库、行李架库和货舱集装箱库等。
下面以座椅库为例,简要介绍建模型库的方法。座椅库主要用来绘制客舱俯视图以及截面图中的座椅,座椅库实际上也就是建立一种以参数化的方式实现座椅绘制的方法。以经济舱座椅为例,利用MATLAB的绘图功能,调用数据库中的座椅相关数据,根据图 4(a)[13]中的11个关键点绘图,即可以生成一个座椅;然后通过简单的坐标平移即可得到客舱截面图中的座椅,如图 4(b)所示[13]。
图 4 座椅图生成过程(截面视图) Fig. 4 Process of seats drawing (section view) |
图选项 |
客舱平面图座椅的绘制与截面图座椅绘制过程类似,通过9个关键点连线即可,见图 5(a)。再通过坐标平移,即可画出单排座椅的俯视图,见图 5(b)。
图 5 座椅生成过程(俯视图) Fig. 5 Process of seats drawing (top view) |
图选项 |
2) 规则库:规则库包括相关客舱的设计规范和设计经验[14-15]、客舱平面和截面关键点计算方法、各个模型的选型规范[16-18],以及客舱的布置方法以及相关舒适性要求等。例如,BWB客机机身剖面形状多为矩形,且受结构设计约束大都为多舱室结构,每个舱室通常采用单通道设计。在设计客舱座椅、厨房和厕所时,同类机型的座椅、厨房和厕所的尺寸数据可作为设计经验放于规则库中;座椅的排距直接影响到客舱舒适性,将行业标准和相关文献的数据作为知识存入到规则库中,作为座椅排距的参考。在考虑应急撤离方面的要求时,将目前公布的典型应急疏散策略[1, 3-7]归纳成知识,加入到规则库中。
3) 标准库:标准库包括相关适航条例以及飞机设计手册中关于客舱布置的相关标准。例如,CCAR-25-R4[19]对标准集装箱尺寸和类型、不同座级客机应急出口的类型、尺寸以及各种应急通道尺寸和布置规则都作了明确的规定;客舱内过道宽度在任何一处不得小于CCAR-25-R4第25.815条的相关规定的值;根据CCAR-25-R4第25.817条规定,在只有一条旅客过道的飞机上,过道每侧任何一排的并排座椅数不得大于3。下面以CCAR-25-R4第25.817条规定为例,简要介绍其作为标准库中的知识在程序中的表达。首先读取输入参数每排座位数,根据规则库中BWB客机多采用单通道设计以及标准库中单通道每侧并排座椅数不得大于3,即当输入参数为超过6时,弹出提示窗口提醒用户修改输入参数;当输入参数小于6时,按照规则库中设计经验给出通道两侧的并排座椅数。
4) 数据库:为了方便对各模型的数据管理,按实际的逻辑层次关系构建了一个mat文件作为客舱内部各模型的数据库。数据库的数据层次分为3个层级,1级参数变量类型为结构体,2级、3级参数变量依次为结构体下的数据,如经济舱座椅长表示为EC.Seat.Ls,EC表示座舱等级,Seat表示座椅,Ls表示座椅长。利用MATLAB对其中的数据进行访问,实现快速存储、检索和编辑。
2.2 人机交互界面 人机交互界面是程序和用户交流的接口,也是整合程序各个模块的框架。应用MATLAB的GUIDE模块,设计了一个BWB客机客舱布置快速生成原型系统的人机交互界面。整个界面分为5个区域,如图 6所示。
图 6 客舱布置快速生成原型系统的用户界面 Fig. 6 User interface of prototype for rapid generation of cabin layout |
图选项 |
A区:项目名称及上级输入参数。用于显示项目名称和输入上级输入参数。
B区:图形显示区。用于显示客舱平面俯视图和客舱截面图。利用MATLAB的plot绘图功能,根据已知关键点的坐标,连点成线,即可绘制出客舱布置图。
C区:输入参数设置区。用于输入客舱、货舱的各种参数以及必要的BWB客机外形参数。
D区:控制按键区。主要包括导入、绘图、保存视图、保存数据和退出等按钮,可以实现导入输入文件、绘制客舱截面图和俯视图、保存各个视图、保存数据库文件以及退出程序等功能。
E区:输出参数区。用于输出客舱布置完成后的各舱座位数以及总的乘客数。
3 设计流程 BWB客机客舱布置的设计流程如图 7所示,主要包含客舱截面设计和客舱平面设计两大模块,用来分别绘制客舱布置的截面图和平面图。
图 7 BWB客机客舱布置的设计流程图 Fig. 7 Design flowchart of cabin layout for BWB aircraft |
图选项 |
3.1 客舱布置方法 本文的研究对象为中型座级(200~400座级)BWB客机,目前的研究表明中型座级的BWB客机大都采用单层客舱布局。这是因为:受客舱高度不小于2 m的强制性适航要求限制[12],当采用双层客舱布置方式时,机身相对厚度将增大较多,使得跨声速下气动性能下降,因此本文研究的客舱布置方法局限于单层客舱。
目前主流的BWB客机客舱布置型式主要有2种,即客舱沿航向布置[6]和客舱沿展向布置[1]。所谓的客舱沿航向布置指的是头等舱和商务舱位于前部客舱区,经济舱位于后部,这种布置方式考虑到了发动机和横向扰动的影响,充分体现出乘客的实际市场价值。而客舱沿展向布置是指头等舱和商务舱位于中间客舱区,经济舱位于两侧客舱区,具体的客舱布置如图 8所示。
图 8 典型的BWB客机客舱布置方案 Fig. 8 Typical cabin layout schemes for BWB aircraft |
图选项 |
3.2 设置输入参数 输入参数包括图 6中A区和C区白色文本框中的参数以及座椅、厨房和厕所等的尺寸参数,图中灰色文本框中的参数可通过调用规则库和标准库求得,并存放于数据库中。
输入的参数值需要在规则库和标准库的规定或建议下给出,可以通过点击帮助按钮“?”,将给出该数据的规定或建议以及数据范围。以下对输入参数进行详细说明。
1) 座椅尺寸参数:座椅尺寸参数较多,为了更好地描述座椅大小,对座椅作了适当的简化,各尺寸参数如图 9所示。座椅尺寸参数可按照规则库的建议给出,也可参考同类机型的相关数据。
图 9 座椅尺寸定义 Fig. 9 Definition of seat dimensions |
图选项 |
2) 厨房和厕所尺寸参数:主要包括厕所和厨房的长和宽,并且其长宽都需要满足规则库中尺寸的要求。
3) 过道尺寸参数:为座椅之间的旅客过道宽度,需要满足标准库中规定的过道宽度要求。
4) 座椅布置参数:包括每排的座椅数和座椅排距。当设置完每排座椅数时,座椅单元形式和数目将从规则库得到,如头等舱每排座椅数设置为3,座椅单元形式和数目为1+2。座椅排距直接影响到客舱舒适性,规则库中给出了座椅排距参考值,可参考相关数据,自行设置座椅排距。
5) 集装箱尺寸参数:为标准集装箱的典型尺寸,主要用来设计货舱,如货舱的高度,当从模型库中选择出了合适的标准集装箱模型之后,货舱高度即可通过集装箱高度以及集装箱与货舱内壁之间的间隙求得。
6) 应急出口和通道参数:主要包括应急出口的类型、尺寸以及应急通道的宽度。当选定了应急出口的类型,其尺寸则会从标准库得到。
3.3 客舱截面设计 BWB客机的机身由传统的圆筒形机身变成为扁平的矩形机身,很多传统的客舱设计的经验和方法将不再适用,为此需要寻找出一套新的方法来设计BWB客机的客舱截面形状。
在初始阶段确定了客舱截面为矩形截面之后,再考虑到过道、座椅和货舱的布置,确定7个关键点(见图 10)。关键点描述如下:
图 10 客舱截面示意图及关键点位置 Fig. 10 Schematic diagram of cabin cross-section and location of key points |
图选项 |
1) 过道的最高点。
2) 靠窗座椅扶手顶端。
3) 靠窗座椅扶手的底端。
4) 靠窗乘客头上行李架的位置。
5) 集装箱顶部角点。
6) 集装箱拐点。
7) 集装箱底部角点。
图 10中,Haisle为过道高度;Waisle为过道宽度;
Tf为地板厚度;Wdt为集装箱顶部宽度;Wdb为集装箱底部宽度;Hd为集装箱高度。
3.3.1 确定截面关键点位置 根据上述的尺寸定义,即可以计算出图 10中7个关键点的坐标,如式(1)~式(9)所示。
(1) |
式中:xL、xR分别为头顶行李架左、右边缘的横坐标。
(2) |
式中:Ab为每排座椅数;Naisle为过道数。
(3) |
(4) |
式中:Hhr为客舱净空高度,参考文献[17]通常大于1.65 m。
(5) |
对于A类集装箱,关键点6和关键点7可由式(6)和(7)求得。
(6) |
式中:α为集装箱的拐角。
(7) |
对于B类和矩形集装箱,关键点6和关键点7可由式(8)和式(9)求得。
(8) |
(9) |
此外,行李架可以根据6个关键点(图 10中蓝色的点)来绘图,在确定了关键点之后,用均匀B样条来插值,最后用MATLAB描点绘图即可[13]。
3.3.2 绘制客舱截面图 首先从数据库中获取相关座椅和标准集装箱的相关数据,然后调用模型库中对应的模型,根据3.3.1节中关键点的位置,即可绘制出单个舱室的客舱截面图,进而可以通过类似的方法绘制出其他舱室的截面图,最后生成整个BWB客机客舱截面图。
3.4 客舱平面设计 根据标准库中相关适航规定和飞机设计手册上相关标准,考虑到BWB构型的局限性,机翼和机身的融合占据了机身侧面大部分的空间,因此出口只能布置在机头附近和客舱尾部。典型的布置方式是在客舱三角区前缘两侧布置与隔舱数一样多的登机门,在每个隔舱的舱尾布置一个出口(MD-82、B717等有相近的尾椎型出口)[7]。所有出口展向对称分布,客舱内部布置多条纵向通道和横向通道,且每个出口与通道相对应。所有的出口均采用红色三角代替,三角的底边长表示出口的宽,三角的大小反应了出口的大小。应急出口的尺寸和应急通道的宽度默认取标准库中适航条例的最小值,用户也可根据需要进行修改。
另外,根据标准库中服务设施的相关适航规定,考虑以后客舱更改的灵活性和地面维护的方便性,厕所和厨房应尽可能布置在客舱前后部。同时考虑空间的充分利用,结合客舱横向通道和厨房推车活动空间的要求,将厨房布置在横向通道左右。厨房和厕所分别用红色和蓝色矩形表示,并标以字母,“G”表示“Galley”,为厨房,“L”表示“Lavatory”,为厕所。矩形的大小相应等于厨房和厕所的占地面积大小。在绘图结束时,该系统会判断的厨房面积和厕所个数是否满足要求,若不满足要求会有相应的提示信息,方便设计人员进行改进。
4 示例 本文以300座和400座的BWB客机为例,验证BWB客机客舱布置快速生成原型系统的有效性。按照本文原型系统的人机交互界面(见图 6),设置相关的客舱布置输入参数(见表 1),即可自动生成2种座级的BWB客机客舱布置初步方案,如图 11和图 12所示。
表 1 客舱布置输入参数 Table 1 Input parameters of cabin layout
输入参数 | 300座级 | 400座级 |
乘客数 | 300 | 400 |
航程/km | 10 000 | 11 000 |
机头长径比 | 0.8 | 0.8 |
前缘后掠角/(°) | 65 | 60 |
座舱等级 | 商务+经济 | 头等+商务+经济 |
每排座位数 | 商务4/经济6 | 头等3/商务4/经济5 |
乘客比例/% | 商务15 | 头等6/商务15 |
过道宽/m | 经济0.5 | 经济0.5 |
过道高/m | 经济2.2 | 经济2.2 |
座椅排距/m | 商务1.2/经济0.8 | 头等1.5/商务1.2/ 经济0.8 |
集装箱类型 | LD-8型 | LD-4型 |
地板厚/m | 0.15 | 0.15 |
出口类型 | A型(前)/A型(后) | A型(前)/A型(后) |
应急通道宽度/m | 0.8(前)/0.6(后) | 1(前)/0.6(后) |
表选项
图 11 300座级BWB客机客舱布置 Fig. 11 Cabin layout of BWB aircraft with 300 seats |
图选项 |
图 12 400座级BWB客机客舱布置 Fig. 12 Cabin layout of BWB aircraft with 400 seats |
图选项 |
图 11和图 12所示的客舱布置方案表明:①客舱空间得到充分利用,特别是在客舱前部三角区的两侧都布置了厕所和厨房,充分利用了三角区内的空间;②客舱布置符合相关规范,登机门、应急出口主要部分在客舱前后两端且展向对称分布,应急出口分布均匀;③所有出口与通道相对应,且在出口附近布置了更大的空间,保证过道通畅;④厕所布置在客舱两端,有利于地面维护,同时也有利于按客户要求对客舱布置方案进行更改;⑤各等级的客舱的厕所个数和面积满足规范要求,厨房的总面积满足文献[15]给出的合理范围。从2个示例可以看出,利用本文原型系统可以快速得到客舱布置方案,且客舱布置方案较为合理。
5 结论 1) 本文开发的BWB客机客舱布置快速生成原型系统可以实现智能化设计。设计人员只需给定客舱布置参数(输入参数),该系统可根据客舱布置的相关知识(经验、标准、规范等),驱动客舱布置参数的确定,绘制出客舱布置方案,实现了BWB客机客舱布置快速生成。
2) 本文系统具有扩展功能。本文的模型和规则主要来自于目前BWB客机典型客舱方案以及同座级的传统客机客舱方案。这些BWB客机客舱布置方案并未固化,随着对客舱设计的深入研究,可增加和修改知识库中相关知识,使客舱布置方案更加合理、更加柔性,从而更好地支撑总体方案。
3) 2个示例表明,利用本文原型系统可快速生成BWB客机客舱布置的初始方案,且客舱布置符合规范要求。
需要说明的是,目前的研究仅是BWB耦合布局设计中的一个环节,且研究中对模型、规则的引入比较刚性。在以后的研究中,将进一步考虑模型和规则的柔性,并利用该原型系统的架构和方法,结合AutoCAD或CATIA的二次开发技术,开发出更加实用的BWB客机客舱布置快速生成原型系统。
致谢 感谢中国商飞北京民用飞机技术研究中心民用飞机设计数字仿真技术北京市重点实验室的支持。
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