巧奪天工“編織”科技外衣！東華這支科研團隊讓冬奧會火炬真正“飛揚”

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 朱一超 記者 任朝霞）旋轉(zhuǎn)上升，猶如絲帶舞動飄逸，化作頂端的熊熊火焰……北京冬奧會火炬“飛揚”一經(jīng)亮相就吸睛無數(shù)。記者日前從東華大學(xué)獲悉，該校孫以澤教授團隊是火炬重要部分外飄帶（外殼）的關(guān)鍵制造技術(shù)提供方。

小小的火炬背后到底有哪些“黑科技”呢？孫以澤教授用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”來概括，他表示，這是一次藝術(shù)設(shè)計與科技創(chuàng)新的完美碰撞。

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(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)件。2020年暑期，火炬總體承擔(dān)方上海石化找到在自動編織裝備領(lǐng)域深耕細作近二十余年的孫以澤教授，并拋出了一道難題——如何用碳纖維復(fù)合材料將天馬行空的火炬外飄帶藝術(shù)造型高精度呈現(xiàn)出來。

孫以澤介紹說，最初看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”，那是來源于藝術(shù)家的靈感、手工塑造的精品，要完成數(shù)字化制造、工業(yè)化生產(chǎn)，并且用高科技碳纖維復(fù)合材料編織成型，首先要突破的第一道難關(guān)就是數(shù)學(xué)建模，只有數(shù)學(xué)建模才能高精度還原和復(fù)現(xiàn)美輪美奐的藝術(shù)設(shè)計作品，使自動化數(shù)字制造成為可能。為了打好“地基”，孫以澤教授率領(lǐng)團隊數(shù)次北上，與中央美院的火炬外形設(shè)計師團隊、冬奧會組委相關(guān)工作人員反復(fù)探討、修改、打磨。

在合作團隊位于淮安的生產(chǎn)車間里，一臺足有8米直徑的環(huán)形“大家伙”正在高速運轉(zhuǎn)著，成千上百根黑色絲束在交織穿梭，乍一看就像是在“織毛衣”，只需數(shù)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(yōu)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(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)，而這個“大家伙”就是“織”火炬外衣的“秘密武器”，由東華大學(xué)獨家研制、世界首創(chuàng)的大尺寸異形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承力件，也可編織螺旋槳、無人機、火炬外飄帶等精密異形結(jié)構(gòu)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、編織尺寸最大的三維球面立體編織機。設(shè)備工作時，在環(huán)形球面軌道內(nèi)，576個高速運動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。

“編織過程可以說是‘險象環(huán)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(xiàn)‘交通事故’。”

為了讓這些碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺，孫以澤帶領(lǐng)團隊研究控制算法、奇妙機構(gòu)、變軌技術(shù)等，反復(fù)調(diào)試。發(fā)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(chuàng)了雙機器人協(xié)同夾持芯模控制算法，保證大尺寸異形結(jié)構(gòu)件編織在復(fù)雜受力狀態(tài)下的動力學(xué)性能最優(yōu)；研發(fā)了單紗張力全流程數(shù)字化調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了恒張力精確編織……實現(xiàn)了火炬外飄帶的三維自動化立體編織和自動化打磨。最終，團隊讓火炬“活”了起來，真正呈現(xiàn)出了最好的“飛揚”狀態(tài)。

“小火炬承載大能量，我們中國有能力、有技術(shù)編織成型高精度的碳纖維復(fù)合材料！”看著電視上火炬成功傳遞的畫面，孫以澤教授激動地說。

團隊成員在現(xiàn)場指導(dǎo)立體三維編織（采訪對象供圖）

火炬“飛揚”生產(chǎn)場景（采訪對象供圖）