巧奪天工“編織”科技外衣！東華這支科研團(tuán)隊(duì)讓冬奧會(huì)火炬真正“飛揚(yáng)”

中國教育報(bào)-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(dòng)飄逸，化作頂端的熊熊火焰……北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”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(tuán)隊(duì)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(jì)與科技創(chuàng)新的完美碰撞。

火炬“飛揚(yáng)”的外飄帶造型非常特殊，是一個(gè)高維曲面體，對(duì)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(dòng)編織裝備領(lǐng)域深耕細(xì)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(gè)泥塑火炬作品“飛揚(yáng)”，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(jì)作品，使自動(dòng)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(tuán)隊(duì)數(shù)次北上，與中央美院的火炬外形設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)、冬奧會(huì)組委相關(guān)工作人員反復(fù)探討、修改、打磨。

在合作團(tuán)隊(duì)位于淮安的生產(chǎn)車間里，一臺(tái)足有8米直徑的環(huán)形“大家伙”正在高速運(yùn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)，而這個(gè)“大家伙”就是“織”火炬外衣的“秘密武器”，由東華大學(xué)獨(dú)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(jī)，該系列編織機(jī)可編織大飛機(jī)、高鐵等大尺寸結(jié)構(gòu)承力件，也可編織螺旋槳、無人機(jī)、火炬外飄帶等精密異形結(jié)構(gòu)件。它總共有576個(gè)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(qiáng)、編織尺寸最大的三維球面立體編織機(jī)。設(shè)備工作時(shí)，在環(huán)形球面軌道內(nèi)，576個(gè)高速運(yùn)動(dòng)錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。

“編織過程可以說是‘險(xiǎn)象環(huán)生’，每個(gè)運(yùn)動(dòng)錠子每個(gè)時(shí)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(yùn)算、精準(zhǔn)變軌控制，才能避免出現(xiàn)‘交通事故’?！?/p>

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(tuán)隊(duì)研究控制算法、奇妙機(jī)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(jī)器人協(xié)同夾持芯?？刂扑惴?，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(dòng)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(shí)現(xiàn)了恒張力精確編織……實(shí)現(xiàn)了火炬外飄帶的三維自動(dòng)化立體編織和自動(dòng)化打磨。最終，團(tuán)隊(duì)讓火炬“活”了起來，真正呈現(xiàn)出了最好的“飛揚(yáng)”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(dòng)地說。

團(tuán)隊(duì)成員在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)立體三維編織（采訪對(duì)象供圖）

火炬“飛揚(yáng)”生產(chǎn)場(chǎng)景（采訪對(duì)象供圖）