孫以澤教授為團隊開學術交流會。 孫以澤教授團隊供圖

孫以澤教授為團隊開學術交流會。 孫以澤教授團隊供圖

中新網上海2月2日電 (朱一超 許婧)2022北京冬奧會開幕在即，火炬接力儀式正在進行中。作為曆屆奧運會中備受關注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚”一經亮相就吸睛無數。東華大學孫以澤團隊作為火炬重要部分外飄帶(外殼)的關鍵制造技術提供方，揭開“小”火炬背後蘊藏的“大”學問。

近日，記者走進東華大學機械學院教授、紡織科技創新中心主任孫以澤的辦公室，裡面還是一番熱火朝天的景象，他正在跟課題組成員們進行學術讨論。

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複雜的異性結構件。小小的火炬背後到底有哪些黑科技呢？“這是一次藝術設計與科技創新的完美碰撞。”孫以澤用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”這三個“高”字來概括。

2020年的八、九月份，火炬總體的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餘年的孫以澤，并抛出了一道難題——如何用碳纖維複合材料将天馬行空的火炬外飄帶藝術造型高精度呈現出來。

孫以澤解釋道，最初看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”，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、工業化生産，并且用高科技碳纖維複合材料編織成型，首先要突破的第一道難關就是數學建模，隻有數學建模才能高精度地還原和複現美輪美奂的藝術設計作品，使自動化數字制造成為可能。

研制的目前世界上最大的三維球面立體編織機。 孫以澤教授團隊供圖

為了打好“地基”，孫以澤率領團隊數次北上，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等反複探讨、修改、打磨。去年春節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。“團隊的博士們好幾次夜裡做夢，還夢到在做火炬外飄帶的數學建模。”

在合作團隊淮安的生産車間裡，一台足有8米直徑的環形“大家夥”正在高速運轉着，成千上百根黑色絲束在交織穿梭，乍一看就像是在“織毛衣”，隻需數分鐘，便能“織”出一件精确到克的火炬外衣。

孫以澤介紹說，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，曲面厚薄也不一緻，傳統制造工藝無法實現，而眼前的這個“大家夥”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性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。

這個“大家夥”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、編制尺寸最大的三維球面立體編織機。設備工作時，在環形球面軌道内，576個高速運動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。

團隊成員在現場指導立體三維編織。 孫以澤教授團隊供圖

“這編織過程可以說是‘險象環生’，每個運動錠子每個時刻都有14種碰撞的可能，”孫以澤打了個比方：“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、裡外穿透變道跑，我們通過智能運算、精準變軌控制，才能避免出現‘交通事故’”。

為了讓這些碳纖維複合材料在編織過程中“乖乖聽話”，同時在工業生産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，從理論推導到實驗驗證再到生産實踐，反複調試。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模控制算法，保證大尺寸異形結構件編織在複雜受力狀态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，實現了恒張力精确編織；研發了高維曲面自動打磨的技能作業機器人系統。實現了火炬外飄帶的三維自動化立體編織和自動化打磨，項目技術不僅填補了國内空白，在國際上也處于領先地位。

最終，孫以澤教授團隊讓火炬“活”了起來，真正呈現出了最好的“飛揚”狀态。

“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複合材料！”看着電視上火炬成功傳遞的畫面，孫以澤激動地說。(完)

來源：中國新聞網

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