大型超塑成型設備結構化設計及其模型輕量化技術研究

武大偉 劉迎春 蘇長青

摘要：大型超塑成型設備在航空航天領域有廣泛的應用前景，而其三維模型的結構化設計以及輕量化技術研究仍然處于初級階段。本文從大型超塑成型設備的技術方案入手，對其主機系統(tǒng)結構進行了分析。通過結構化設計思路以及減少圖形渲染次數(shù)等三維模型設計手段對模型輕量化的技術進行了研究。

關鍵詞：輕量化；三維模型；結構化；超塑成型設備

1大型超塑成型設備結構特點

1.1整體設備技術方案概述

大型超塑成型設備能夠用于航空航天零件的加工，其加工特點是將一些具有超塑性的金屬加熱到一定的溫度之后使其塑性顯著提升而進行塑性變形，超塑成型設備主要的加工對象是鈦合金材料，鈦合金在常溫下塑性很低，難以進行精確的成型，因此采用超塑成型的工藝對其進行成型加工。首先大型超塑成型設備升溫至950攝氏度使鈦合金發(fā)生軟化，此時鈦合金的塑性顯著提高，而后超塑成型設備中的爐門關閉，在950攝氏度的溫度條件下進行保溫，在950攝氏度的溫度條件下模具開始運動，擠壓已經(jīng)軟化的鈦合金而完成成型過程。

超塑成型設備通常包含壓力提供系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)、溫度保持系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)自以及真空系統(tǒng)組成，還包含超塑成型設備的控制系統(tǒng)。壓力由液壓機以及液壓站提供，液壓主機產(chǎn)生的壓力將傳導至鈦合金材料上以使鈦合金材料產(chǎn)生塑性變形。超塑成型設備的加熱系統(tǒng)由金屬加熱平臺、采用陶瓷制作的加熱管以及進行溫度控制和溫度測量的熱電偶系統(tǒng)組成。保溫系統(tǒng)主要由前后左右等四個封閉門以及封閉門上的密封結構組成。氣路采用氬氣路，氬氣是一種惰性氣體，對超塑性變性過程起到保護作用，在超塑成型設備的過程中保持其內(nèi)部的真空環(huán)境能夠使超塑成型過程不受到環(huán)境的濕度以及雜質因素的影響，真空系統(tǒng)中真空泵分為兩級結構組成，一級是機械泵，用以將超塑成型設備中的密封結構抽至低真空，另一級是分子泵，用于將超塑成型設備中的密封結構抽至高真空?？刂葡到y(tǒng)包含上下位機的移動控制系統(tǒng)以及由熱電偶和陶瓷加熱管組成的溫度控制系統(tǒng)。

1.2主機系統(tǒng)結構

超塑成型的主機結構采用經(jīng)典的框架式結構，由封閉的框架通過超壓預緊的方法制作而成。橫梁和支柱在螺母和拉桿的作用下被鎖緊，這樣可以使超塑成型設備在工作過程中保持最大程度的穩(wěn)定性，使其變形量減小。

超塑成型設備的導向裝置被設計在超塑成型設備的上端，導向機構由導向柱和導向套組合而成，組合方式為楔鐵式組合方式，在導柱進行橫向移動時只需要調節(jié)楔鐵的墊片高度即可，采用調節(jié)楔鐵墊片高度的方法來移動導柱可以實現(xiàn)滑塊導向的功能，又可以避免進入滑塊工作的高溫區(qū)域。

2超塑成型設備結構化設計以及輕量化模型實現(xiàn)

超塑成型設備是一種大型的機械設備，其結構非常復雜，零部件眾多，因此超塑成型設備的三維裝配圖所占用的空間非常大，裝配文件的復雜性也導致文件的打開速度很慢。為了降低超塑性成型設備三維模型所占用空間的大小以及提高模型瀏覽和修改的速度，需要對超塑成型設備的三維結構進行結構化設計，并且進行三維模型的輕量化研究。如今，移動存儲設備以及移動終端的普及使得人們的辦公方式逐漸出現(xiàn)了變化，以往的辦公方式已經(jīng)變?yōu)椴幌迺r間、不限地點的辦公。例如乘坐地鐵上班時利用乘車時間進行辦公，這是只能利用手機或者平板電腦進行工作，但這類移動設備的硬件處理性能相比于臺式電腦來講還是相距甚遠，如果采用這類設備對三維模型進行瀏覽甚至進行編輯則會耗費大量的時間，卡頓現(xiàn)象也在所難免。因此在超塑成型設備的三維模型裝配設計過程中，融入結構化設計和輕量化表達設計思想非常重要，這會極大的壓縮三維裝配文件的打開時間，增加模型的處理效率。

若想要對超塑成型設備三維模型輕量化操作，首先要實現(xiàn)的就是一次性傳入數(shù)據(jù)的最大化。當利用OpenGL ES進行三維模型的繪制函數(shù)調用時，圖形驅動就要收集各種數(shù)據(jù)以完成上述過程，其收集數(shù)據(jù)包含設備的各種狀態(tài)、設備結構紋理以及設備頂點的屬性等等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行三維圖形的繪制需要消耗大量的時間，產(chǎn)生巨大的工作量，無數(shù)次渲染極大的降低了三維模型的繪制效率。解決的思路是盡量減少渲染的次數(shù)，一次性渲染多個三角形來實現(xiàn)一次性傳入數(shù)據(jù)的最大化操作。除了一次性傳入數(shù)據(jù)最大化之外還有減少繪制單元數(shù)量設計，這種設計思路依托于模型簡化和剪裁技術，最大程度的實現(xiàn)所需要繪制的三維模型圖元，這樣同樣可以通過減少單次圖形的渲染工作量來實現(xiàn)整體圖形渲染工作量的降低。

其次，當繪制狀態(tài)發(fā)生變化時，圖形渲染所占用的內(nèi)存以及渲染開銷都會顯著增加，繪制狀態(tài)變化較為頻繁時驅動器的運作負荷將會大幅度提升，因此在對不同的超塑成型設備零部件進行繪制時可以按照聚類的原則對其進行劃分，繪制狀態(tài)相同的零部件分為一個繪制組別，繪制狀態(tài)通常分為顏色、材質、光照和紋理等，相同或者相似的圖形進行繪制分組時能夠顯著降低繪制狀態(tài)變化頻次，減少驅動器運作負荷。

另外，使用頂點緩沖對象（vertex buffer objects）、對紋理進行壓縮、降低著色器復

雜度、減少資源鎖定、根據(jù)深度對幾何體進行排序等方法都可以達到優(yōu)化渲染過程的目的。OpenGL ES的圖形渲染管線優(yōu)化方法還有很多，這里無法對其一一列舉。在實際中，需要根據(jù)具體的繪制需求以及真實的性能瓶頸，靈活運用各種優(yōu)化方法，充分發(fā)揮硬件性能，以達到良好的渲染效果，并且實現(xiàn)超塑成型設備三維模型設計的輕量化。對于需要的渲染的幾何體而言，以壓縮格式存儲頂點數(shù)據(jù)，如降低頂點、法向、顏色數(shù)據(jù)的精度也可以減少對帶寬的要求，同時也能減少應用程序的內(nèi)存消耗。

參考文獻：

[1]杜寶瑞，肖龍，屈力剛.基于三維輕量化模型的可視化檢測系統(tǒng)研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2018，53（02）：105-110.

[2]余芳強，宋天任，陳菁.面向網(wǎng)絡化應用的古建筑BIM模型輕量化處理技術[J].建筑施工，2018，40（03）：321-323.

[3]朱廣濤. 基于三維模型的PMI信息提取及應用技術研究[D].北華航天工業(yè)學院，2018.

作者簡介：武大偉（1979.09--）；性別：男，籍貫：遼寧朝陽人，學歷：碩士研究生，畢業(yè)于沈陽航空航天大學；現(xiàn)有職稱：高級工程師；研究方向：航空制造工藝及其數(shù)字化；

*基金項目：本論文受科技部重大專項項目資金資助，項目編號2013ZX04001041-09