為北京冬奧會火炬外飄帶提供關(guān)鍵制造技術(shù) 東華大學(xué)“黑科技”打造“活”火炬

 







    由東華大學(xué)獨(dú)家研制、世界首創(chuàng)的大尺寸異性結(jié)構(gòu)件三維高精度球面立體編織機(jī)正在“編織”火炬外殼。

    冰火相約，激情飛揚(yáng)，2022北京冬奧會正在進(jìn)行中。旋轉(zhuǎn)上升，猶如絲帶舞動飄逸，化作頂端的熊熊火焰……作為奧運(yùn)會中備受關(guān)注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚(yáng)”一經(jīng)亮相就讓世人驚嘆，而火炬重要部分外飄帶的關(guān)鍵制造技術(shù)則由東華大學(xué)孫以澤團(tuán)隊(duì)提供。

    小小的火炬背后到底有哪些“黑科技”呢？東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心主任、機(jī)械學(xué)院教授孫以澤用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”這三個(gè)“高”字來概括，他說，這是一次藝術(shù)設(shè)計(jì)與科技創(chuàng)新的完美碰撞。2020年的8、9月份，火炬總體的承擔(dān)方上海石化找到在自動編織裝備領(lǐng)域深耕細(xì)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(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。

    火炬“飛揚(yáng)”的外飄帶造型非常特殊，是一個(gè)高維曲面體，對于工程化制造來說是一種極其復(fù)雜的異性結(jié)構(gòu)件。孫以澤說，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)建模才能高精度地還原和復(fù)現(xiàn)美輪美奐的藝術(shù)設(shè)計(jì)作品，使自動化數(shù)字制造成為可能。

    為了打好“地基”，孫以澤率領(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)、冬奧會組委相關(guān)工作人員等反復(fù)探討、修改、打磨。去年春節(jié)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(tuán)隊(duì)的博士們好幾次夜里做夢，還夢到在做火炬外飄帶的數(shù)學(xué)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(zhí)著與擔(dān)當(dāng)。功夫不負(fù)有心人，團(tuán)隊(duì)成員在孫以澤的帶領(lǐng)下攻堅(jiān)克難，最終用多維曲面擬合智能算法完成了數(shù)學(xué)建模。

    在合作團(tuán)隊(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)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(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(shí)現(xiàn)。而眼前的這個(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)的大尺寸異性結(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)、編制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)動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。

    “這編織過程可以說是‘險(xiǎn)象環(huán)生’，每個(gè)運(yùn)動錠子每個(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’”。

    為了讓這些碳纖維復(fù)合材料在編織過程中“乖乖聽話”，同時(shí)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)從理論推導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證再到生產(chǎn)實(shí)踐，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(shí)現(xiàn)了恒張力精確編織；研發(fā)了高維曲面自動打磨的技能作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。

    最終，孫以澤團(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，孫以澤激動地說。