巧夺天工“编织”科技外衣 东华大学科研团队让冬奥会火炬真正“飞扬”

旋转上升,犹如丝带舞动飘逸,化作顶端的熊熊火焰……北京冬奥会火炬“飞扬”一经亮相就吸睛无数。从东华大学获悉,该校孙以泽教授团队是火炬重要部分外飘带(外壳)的关键制造技术提供方。

小小的火炬背后到底有哪些“黑科技”呢?孙以泽教授用“高新材料”“高新装备”“高端制造”来概括,他表示,这是一次艺术设计与科技创新的完美碰撞。

火炬“飞扬”的外飘带造型非常特殊,是一个高维曲面体,对于工程化制造来说是一种极其复杂的异形结构件。2020年暑期,火炬总体承担方上海石化找到在自动编织装备领域深耕细作近二十余年的孙以泽教授,并抛出了一道难题——如何用碳纤维复合材料将天马行空的火炬外飘带艺术造型高精度呈现出来。

孙以泽介绍说,最初看到的是一个泥塑火炬作品“飞扬”,那是来源于艺术家的灵感、手工塑造的精品,要完成数字化制造、工业化生产,并且用高科技碳纤维复合材料编织成型,首先要突破的第一道难关就是数学建模,只有数学建模才能高精度还原和复现美轮美奂的艺术设计作品,使自动化数字制造成为可能。为了打好“地基”,孙以泽教授率领团队数次北上,与中央美院的火炬外形设计师团队、冬奥会组委相关工作人员反复探讨、修改、打磨。

在合作团队位于淮安的生产车间里,一台足有8米直径的环形“大家伙”正在高速运转着,成千上百根黑色丝束在交织穿梭,乍一看就像是在“织毛衣”,只需数分钟,便能“织”出一件精确到克的火炬“外衣”。孙以泽说道,火炬外飘带灵动且优美,但由于它是变径、变曲率的,上下不一般粗,曲面厚薄也不一致,传统制造工艺无法实现,而这个“大家伙”就是“织”火炬外衣的“秘密武器”,由东华大学独家研制、世界首创的大尺寸异形结构件三维高精度球面立体编织机,该系列编织机可编织大飞机、高铁等大尺寸结构承力件,也可编织螺旋桨、无人机、火炬外飘带等精密异形结构件。它总共有576个编织锭子,可编织最大截面500*500毫米,是目前世界上功能最强、编织尺寸最大的三维球面立体编织机。设备工作时,在环形球面轨道内,576个高速运动锭子不断变轨飞速交叉、穿梭。

“编织过程可以说是‘险象环生’,每个运动锭子每个时刻都有14种碰撞的可能,”孙以泽形象地说道,“这就好比在四车道高速公路上,有几百甚至上千辆车快速交叉穿梭通行,不仅是高速跑,还要不断交叉、里外穿透变道跑,我们通过智能运算、精准变轨控制,才能避免出现‘交通事故’。”

为了让这些碳纤维复合材料在工业生产中立体还原外飘带柔美飘逸的感觉,孙以泽带领团队研究控制算法、奇妙机构、变轨技术等,反复调试。发明了所谓“偏心”编织的方法,解决了大曲率、变密度编织难题;原创了双机器人协同夹持芯模控制算法,保证大尺寸异形结构件编织在复杂受力状态下的动力学性能最优;研发了单纱张力全流程数字化调控技术,实现了恒张力精确编织……实现了火炬外飘带的三维自动化立体编织和自动化打磨。最终,团队让火炬“活”了起来,真正呈现出了最好的“飞扬”状态。

“小火炬承载大能量,我们中国有能力、有技术编织成型高精度的碳纤维复合材料!”看着电视上火炬成功传递的画面,孙以泽教授激动地说。

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