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北京冬奧會 | 科研團隊創新“編織”技藝助冬奧火炬真正“飛揚”

發布日期： 2022-02-03 22:46:21 來源：新華社

新華社上海2月3日電（記者吳振東、許東遠）旋轉上升，猶如飄帶舞動，在頂端化作熊熊火焰……正在傳遞中的北京冬奧會火炬“飛揚”自亮相起就廣受關注。記者從東華大學了解到，該校機械學院孫以澤教授團隊，是此次火炬外飄帶（外殼）的關鍵制造技術提供方。對于火炬背后的“黑科技”，科研人員用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”這三個“高”來概括。

走進孫以澤的辦公室，寒假里還是熱火朝天的景象。他所領銜的上海市“教育先鋒號”團隊，曾研制特種救生、通訊繩纜，助力“蛟龍號”完成5000米級和7000米級深潛試驗，此番又攻關火炬外殼編織技術，成功為火炬穿上了碳纖維“外衣”。

東華大學科研人員現場指導立體三維編織。圖片來自東華大學

2020年，火炬總體承擔方上海石化找到深耕自動編織裝備領域多年的孫以澤，向他拋出難題——用碳纖維復合材料將“飛揚”火炬外飄帶藝術造型高精度呈現出來。孫以澤表示，火炬的外飄帶造型是一個高維曲面體，對工程化制造來說是一種極其復雜的異性結構件。經過與設計人員的反復探討和打磨，團隊最終用多維曲面擬合智能算法完成了火炬制造的數學建模工作。

“飛揚”火炬生產場景。圖片來自東華大學

而建模只是第一步。火炬外殼上下不一樣粗、曲面不一樣厚，傳統制造工藝無法實現。此時，由東華大學獨家研制的大尺寸異形結構件三維高精度球面立體編織機，成為“編織”這一異形結構件的“秘密武器”。據介紹，其內部共有576個編織錠子，可編織最大截面500×500毫米，是目前世界上編織尺寸最大的三維球面立體編織機。設備工作時，環形球面軌道內，576個高速運動錠子不斷變軌，高速交叉穿梭。“就像在四車道高速公路上，幾百甚至上千輛車高速交叉穿梭通行。我們通過智能運算、精準變軌控制，避免發生‘交通事故’。”孫以澤介紹。

東華大學科研人員研制的三維球面立體編織機。圖片來自東華大學

生產車間里，直徑8米的三維球面立體編織機高速運轉，成百上千根黑色絲束在其中交叉穿梭，每一束都包含12000根碳纖維絲。只需數分鐘，便能“編織”出一件精確到“克”的火炬外殼，再經過鐳雕、上色、噴高溫漆等工序，就完成了“飛揚”火炬外殼的全部制造工作。

“飛揚”火炬生產場景。圖片來自東華大學

據了解，為了讓碳纖維復合材料在“編織”過程中“乖乖聽話”，同時在工業生產中立體還原飄帶造型柔美飄逸的感覺，科研團隊發明了所謂“偏心”編織法，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”在復雜受力狀態下的動力學性能最優等，最終實現火炬外殼三維自動化立體“編織”和自動化打磨，不僅填補了國內空白，在國際上也處于領先地位。

孫以澤表示，團隊將繼續以科技創新和解決國家急需為己任，圍繞高端織造裝備中的“卡脖子”和短板問題，開展基礎理論研究，突破關鍵核心技術，推動產業化應用。