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，加熱系統、溫度保持系統、冷卻系統、供氣系統自以及真空系統組成，還包含超塑成型設備的控制系統。壓力由液壓機以及液壓站提供，液壓主機產生的壓力將傳導至鈦合金材料上以使鈦合金材料產生塑性變形。超塑成型設備的加熱系統由金屬加熱平臺、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組成。保溫系統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部的真空環境能夠使超塑成型過程不受到環境的濕度以及雜質因素的影響，真空系統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。控制系統包含上下位機的移動控制系統以及由熱電偶和陶瓷加熱管組成的溫度控制系統。

1.2主機系統結構

超塑成型的主機結構采用經典的框架式結構，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楔鐵的墊片高度即可，采用調節楔鐵墊片高度的方法來移動導柱可以實現滑塊導向的功能，又可以避免進入滑塊工作的高溫區域。

2超塑成型設備結構化設計以及輕量化模型實現

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了變化，以往的辦公方式已經變為不限時間、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，首先要實現的就是一次性傳入數據的最大化。當利用OpenGL ES進行三維模型的繪制函數調用時，圖形驅動就要收集各種數據以完成上述過程，其收集數據包含設備的各種狀態、設備結構紋理以及設備頂點的屬性等等，根據這些數據進行三維圖形的繪制需要消耗大量的時間，產生巨大的工作量，無數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，一次性渲染多個三角形來實現一次性傳入數據的最大化操作。除了一次性傳入數據最大化之外還有減少繪制單元數量設計，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整體圖形渲染工作量的降低。

其次，當繪制狀態發生變化時，圖形渲染所占用的內存以及渲染開銷都會顯著增加，繪制狀態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，繪制狀態相同的零部件分為一個繪制組別，繪制狀態通常分為顏色、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、根據深度對幾何體進行排序等方法都可以達到優化渲染過程的目的。OpenGL ES的圖形渲染管線優化方法還有很多，這里無法對其一一列舉。在實際中，需要根據具體的繪制需求以及真實的性能瓶頸，靈活運用各種優化方法，充分發揮硬件性能，以達到良好的渲染效果，并且實現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據，如降低頂點、法向、顏色數據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，畢業于沈陽航空航天大學；現有職稱：高級工程師；研究方向：航空制造工藝及其數字化；

*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