為北京冬奧會火炬外飄帶提供關鍵制造技術 東華大學“黑科技”打造“活”火炬

 







    由東華大學獨家研制、世界首創的大尺寸異性結構件三維高精度球面立體編織機正在“編織”火炬外殼。

    冰火相約，激情飛揚，2022北京冬奧會正在進行中。旋轉上升，猶如絲帶舞動飄逸，化作頂端的熊熊火焰……作為奧運會中備受關注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚”一經亮相就讓世人驚嘆，而火炬重要部分外飄帶的關鍵制造技術則由東華大學孫以澤團隊提供。

    小小的火炬背后到底有哪些“黑科技”呢？東華大學紡織科技創新中心主任、機械學院教授孫以澤用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”這三個“高”字來概括，他說，這是一次藝術設計與科技創新的完美碰撞。2020年的8、9月份，火炬總體的承擔方上海石化找到在自動編織裝備領域深耕細作近二十余年的孫以澤，并拋出了一道難題——如何用碳纖維復合材料將天馬行空的火炬外飄帶藝術造型高精度呈現出來。

    火炬“飛揚”的外飄帶造型非常特殊，是一個高維曲面體，對于工程化制造來說是一種極其復雜的異性結構件。孫以澤說，最初看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”，那是來源于藝術家的靈感、手工塑造的精品，要完成數字化制造、工業化生產，并且用高科技碳纖維復合材料編織成型，首先要突破的第一道難關就是數學建模，只有數學建模才能高精度地還原和復現美輪美奐的藝術設計作品，使自動化數字制造成為可能。

    為了打好“地基”，孫以澤率領團隊數次北上，與中央美院的火炬外形設計師團隊、冬奧會組委相關工作人員等反復探討、修改、打磨。去年春節期間，課題組成員們還在緊鑼密鼓地做測試、改方案，從白天忙到黑夜，孫以澤告訴記者說：“團隊的博士們好幾次夜里做夢，還夢到在做火炬外飄帶的數學建模。”簡簡單單的一句話，字里行間卻透露著科研工作者的執著與擔當。功夫不負有心人，團隊成員在孫以澤的帶領下攻堅克難，最終用多維曲面擬合智能算法完成了數學建模。

    在合作團隊淮安的生產車間里，一臺足有8米直徑的環形“大家伙”正在高速運轉著，成百上千根黑色絲束在交織穿梭，乍一看就像是在“織毛衣”，只需數分鐘，便能“織”出一件精確到克的火炬外衣。孫以澤說道，火炬外飄帶靈動且優美，但由于它是變徑、變曲率的，上下不一般粗，曲面厚薄也不一致，傳統制造工藝無法實現。而眼前的這個“大家伙”，就是“織”火炬外衣的“秘密武器”，由東華大學獨家研制、世界首創的大尺寸異性結構件三維高精度球面立體編織機。該系列編織機可編織大飛機、高鐵等大尺寸結構承力件，也可編織螺旋槳、無人機、火炬外飄帶等精密異形結構件。它總共有576個編織錠子，可編織最大截面500*500毫米，是目前世界上功能最強、編制尺寸最大的三維球面立體編織機。設備工作時，在環形球面軌道內，576個高速運動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。

    “這編織過程可以說是‘險象環生’，每個運動錠子每個時刻都有14種碰撞的可能。”孫以澤形象地說道，“這就好比在四車道高速公路上，有幾百甚至上千輛車快速交叉穿梭通行，不僅是高速跑，還要不斷交叉、里外穿透變道跑，我們通過智能運算、精準變軌控制，才能避免出現‘交通事故’”。

    為了讓這些碳纖維復合材料在編織過程中“乖乖聽話”，同時在工業生產中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺，孫以澤帶領團隊從理論推導到實驗驗證再到生產實踐，反復調試。發明了所謂“偏心”編織的方法，解決了大曲率、變密度編織難題；原創了雙機器人協同夾持芯�？刂扑惴�，保證大尺寸異形結構件編織在復雜受力狀態下的動力學性能最優；研發了單紗張力全流程數字化調控技術，實現了恒張力精確編織；研發了高維曲面自動打磨的技能作業機器人系統。

    最終，孫以澤團隊讓火炬“活”了起來，真正呈現出了最好的“飛揚”狀態。“小火炬承載大能量，我們中國有能力、有技術編織成型高精度的碳纖維復合材料。”看著電視上火炬成功傳遞的畫面，孫以澤激動地說。