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        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”

        發布時間:2022-02-08 作者:朱一超 任朝霞 來源:中國教育新聞網

        中國教育報-中國教育新聞網訊(通訊員 朱一超 記者 任朝霞)旋轉上升,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”一經亮相就吸睛無數。記者日前從東華大學獲悉,該校孫以澤教授團隊是火炬重要部分外飄帶(外殼)的關鍵制造技術提供方。

        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,這是一次藝術設計與科技創新的完美碰撞。

        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雜的異形結構件。2020年暑期,火炬總體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教授,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。

        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”,孫以澤教授率領團隊數次北上,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反復探討、修改、打磨。

        在合作團隊位于淮安的生產車間里,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形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、編織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。

        “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’?!?/p>

        為了讓這些碳纖維復合材料在工業生產中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺,孫以澤帶領團隊研究控制算法、奇妙機構、變軌技術等,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……實現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,孫以澤教授激動地說。

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        團隊成員在現場指導立體三維編織(采訪對象供圖)

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        火炬“飛揚”生產場景(采訪對象供圖)

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