作者:张双虎 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/3 8:12:09
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巧夺天工“编织”科技外衣
让冬奥会火炬“飞扬”起来

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三维球面立体编织机        受访者供图

北京2022年冬奥会开幕在即,激动人心的火炬接力仪式正在进行。旋转上升,犹如丝带舞动飘逸,化作顶端的熊熊火焰……

作为历届奥运会中备受关注的元素之一,此次冬奥火炬“飞扬”一亮相就吸睛无数。东华大学机械学院教授、纺织科技创新中心主任孙以泽团队作为火炬重要部分外飘带(外壳)的关键制造技术提供方,将为我们揭开“小”火炬背后蕴藏的“大”学问。

为火炬“织外衣”

“这是一次艺术设计与科技创新的完美碰撞。”孙以泽对《中国科学报》说,“小小的火炬背后的‘黑科技’可以用‘高新材料’‘高新装备’‘高端制造’来概括。”

2020年8月,冬奥火炬总体承担方上海石化找到孙以泽,并抛出一道难题——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。

火炬“飞扬”的外飘带造型非常特殊,是一个高维曲面体,对工程化制造来说是种极复杂的异性结构件。孙以泽最初看到的“飞扬”是个泥塑作品,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,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。

为打好“地基”,孙以泽团队数次北上,与中央美院火炬外形设计师团队、冬奥会组委相关工作人员等反复探讨、修改、打磨。去年春节期间,课题组成员还在紧锣密鼓地做测试、改方案,从白天忙到黑夜。功夫不负有心人,在孙以泽的带领下,团队攻坚克难,最终用多维曲面拟合智能算法完成数学建模。

 

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火炬“飞扬”生产基地        受访者供图

让火炬“活”起来

在合作团队位于淮安的生产车间里,一台直径8米的环形“大家伙”正在高速运转,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,火炬外飘带灵动且优美,但由于它是变径、变曲率的,上下不一样粗,曲面厚薄也不一致,传统制造工艺无法实现,而眼前的这个“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性结构件三维高精度球面立体编织机。

这台编织机总有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、编制尺寸最大的三维球面立体编织机。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。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。

“这个编织过程可以说是‘险象环生’,每个运动锭子时刻都会面临14种碰撞的可能。”孙以泽形象地说,“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编织过程中“乖乖听话”,同时在工业生产中立体还原外飘带柔美飘逸的感觉,该团队研究控制算法、奇妙机构、变轨技术等,从理论推导到实验验证再到生产实践,反复调试。发明“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;研发了高维曲面自动打磨的技能作业机器人系统。实现了火炬外飘带的三维自动化立体编织和自动化打磨,项目技术不仅填补了国内空白,在国际上也处于领先地位。

最终,孙以泽教授团队让火炬“活”了起来,真正呈现出最好的“飞扬”状态。

最美的科学誓言是爱国

“小火炬承载大能量,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,孙以泽激动地说,“我们会用科技创新撑起大国重器的脊梁!”

心怀“国之大者”,敢啃“硬骨头”,敢为科研创新“领头雁”,这已经成为了孙以泽团队的科研文化。

细数孙以泽团队科研道路上的每一项成果,无不用科技创新诠释着最炙热的爱国情怀。2018年,团队突破了特种编织物自动化编织技术,编织的特种救生、通信绳缆助力“蛟龙号”完成5000米级和7000米级深潜试验,助力综合科考船“科学号”成功完成热带西太平洋综合考察,破解深海观测数据实时传输的世界难题……该项成果曾获当年国家科技进步奖二等奖。

如今三维立体编织技术的突破,成功实现了碳纤维复合材料的大尺寸、高精度编织。该技术未来在无人机的结构件编织、多联装战术导弹的筒体快速成型等国防民生重要领域大有可为。

最美的科学誓言是爱国,孙以泽身体力行,带领团队以科技创新和解决国家急需为己任,围绕高端织造装备中的“卡脖子”和短板问题,开展基础理论研究,突破关键核心技术,推动产业化应用。在高端机织、针织和编织装备领域一次次取得突破,成为国内高端纺织装备研发最有影响力的“王牌军”。

 

 
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