作者：張雙虎 黃辛 來源：中國科學報

三維球面立體編織機（受訪者供圖）

　　北京2022年冬奧會開幕在即，激動人心的火炬接力儀式正在進行。旋轉(zhuǎn)上升，猶如絲帶舞動飄逸，化作頂端的熊熊火焰……

　　作為歷屆奧運會中備受關(guān)注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚”一亮相就吸睛無數(shù)。東華大學機械學院教授、紡織科技創(chuàng)新中心主任孫以澤團隊作為火炬重要部分外飄帶（外殼）的關(guān)鍵制造技術(shù)提供方，將為我們揭開“小”火炬背后蘊藏的“大”學問。

　　為火炬“織外衣”

　　“這是一次藝術(shù)設(shè)計與科技創(chuàng)新的完美碰撞?！睂O以澤對《中國科學報》說，“小小的火炬背后的‘黑科技’可以用‘高新材料’‘高新裝備’‘高端制造’來概括?！?/p>

　　2020年8月，冬奧火炬總體承擔方上海石化找到孫以澤，并拋出一道難題——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”的外飄帶造型非常特殊，是一個高維曲面體，對工程化制造來說是種極復(fù)雜的異性結(jié)構(gòu)件。孫以澤最初看到的“飛揚”是個泥塑作品，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，要突破的第一道難關(guān)就是數(shù)學建模，只有數(shù)學建模才能高精度還原和復(fù)現(xiàn)美輪美奐的藝術(shù)設(shè)計作品，使自動化數(shù)字制造成為可能。

　　為打好“地基”，孫以澤團隊數(shù)次北上，與中央美院火炬外形設(shè)計師團隊、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，課題組成員還在緊鑼密鼓地做測試、改方案，從白天忙到黑夜。功夫不負有心人，在孫以澤的帶領(lǐng)下，團隊攻堅克難，最終用多維曲面擬合智能算法完成數(shù)學建模。

火炬“飛揚”生產(chǎn)基地（受訪者供圖）

　　讓火炬“活”起來

　　在合作團隊位于淮安的生產(chǎn)車間里，一臺直徑8米的環(huán)形“大家伙”正在高速運轉(zhuǎn)，成千上百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，火炬外飄帶靈動且優(yōu)美，但由于它是變徑、變曲率的，上下不一樣粗，曲面厚薄也不一致，傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)，而眼前的這個“大家伙”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(chuàng)的大尺寸異性結(jié)構(gòu)件三維高精度球面立體編織機。

　　這臺編織機總有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。備工作時，在環(huán)形球面軌道內(nèi)，576個高速運動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。該系列編織機可編織大飛機、高鐵等大尺寸結(jié)構(gòu)承力件，也可編織螺旋槳、無人機、火炬外飄帶等精密異形結(jié)構(gòu)件。

　　“這個編織過程可以說是‘險象環(huán)生’，每個運動錠子時刻都會面臨14種碰撞的可能。”孫以澤形象地說，“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，我們通過智能運算、精準變軌控制，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”，同時在工業(yè)生產(chǎn)中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺，該團隊研究控制算法、奇妙機構(gòu)、變軌技術(shù)等，從理論推導(dǎo)到實驗驗證再到生產(chǎn)實踐，反復(fù)調(diào)試。發(fā)明“偏心”編織的方法，解決了大曲率、變密度編織難題；原創(chuàng)了雙機器人協(xié)同夾持芯?？刂扑惴?，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)機器人系統(tǒng)。實現(xiàn)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(shù)不僅填補了國內(nèi)空白，在國際上也處于領(lǐng)先地位。

　　最終，孫以澤教授團隊讓火炬“活”了起來，真正呈現(xiàn)出最好的“飛揚”狀態(tài)。

　　最美的科學誓言是愛國

　　“小火炬承載大能量，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，“我們會用科技創(chuàng)新?lián)纹鸫髧仄鞯募沽?！?/p>

　　心懷“國之大者”，敢啃“硬骨頭”，敢為科研創(chuàng)新“領(lǐng)頭雁”，這已經(jīng)成為了孫以澤團隊的科研文化。

　　細數(shù)孫以澤團隊科研道路上的每一項成果，無不用科技創(chuàng)新詮釋著最炙熱的愛國情懷。2018年，團隊突破了特種編織物自動化編織技術(shù)，編織的特種救生、通信繩纜助力“蛟龍?zhí)枴蓖瓿?000米級和7000米級深潛試驗，助力綜合科考船“科學號”成功完成熱帶西太平洋綜合考察，破解深海觀測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)氖澜珉y題……該項成果曾獲當年國家科技進步獎二等獎。

　　如今三維立體編織技術(shù)的突破，成功實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的大尺寸、高精度編織。該技術(shù)未來在無人機的結(jié)構(gòu)件編織、多聯(lián)裝戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的筒體快速成型等國防民生重要領(lǐng)域大有可為。

　　最美的科學誓言是愛國，孫以澤身體力行，帶領(lǐng)團隊以科技創(chuàng)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(chǔ)理論研究，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在高端機織、針織和編織裝備領(lǐng)域一次次取得突破，成為國內(nèi)高端紡織裝備研發(fā)最有影響力的“王牌軍”。

　　來源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/2/473519.shtm