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巧奪天工“編織”科技外衣,讓冬奧會火炬“飛揚”起來
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。

  作者:張雙虎 黃辛 來源:中國科學報

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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現(xiàn)美輪美奐的藝術(shù)設計作品,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計師團隊、冬奧會組委相關(guān)工作人員等反復探討、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。

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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,從理論推導到實驗驗證再到生產(chǎn)實踐,反復調(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)同夾持芯模控制算法,保證大尺寸異形結(jié)構(gòu)件編織在復雜受力狀態(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)導彈的筒體快速成型等國防民生重要領域大有可為。

  最美的科學誓言是愛國,孫以澤身體力行,帶領團隊以科技創(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,開展基礎理論研究,突破關(guān)鍵核心技術(shù),推動產(chǎn)業(yè)化應用。在高端機織、針織和編織裝備領域一次次取得突破,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

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