旋轉上升,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,為我們揭開“小”火炬背后蘊藏的“大”學問。
小小的火炬背后到底有哪些黑科技呢?孫以澤用“高新材料”、“高新裝備”、“高端制造”這三個“高”字來概括。
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復雜的異性結構件。孫以澤說最初看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”,那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、工業化生產,并且用高科技碳纖維復合材料編織成型,首先要突破的第一道難關就是數學建模。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、冬奧組委相關工作人員等反復探討、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,孫以澤告訴記者說:“團隊的博士們好幾次夜里做夢,還夢到在做火炬外飄帶的數學建模?!焙喓唵螁蔚囊痪湓?,字里行間卻透露著科研工作者的執著與擔當。
在合作團隊位于淮安的生產車間里,一臺足有8 米直徑的環形“大家伙”正在高速運轉著,成百上千根黑色絲束在交織穿梭,乍一看就像是在“織毛衣”,只需數分鐘,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,曲面厚薄也不一致,傳統制造工藝無法實現,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、世界首創的大尺寸異性結構件三維高精度球面立體編織機。
為了讓這些碳纖維復合材料在編織過程中乖乖聽話,同時在工業生產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產實踐,反復調試。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??刂扑惴?,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;研發了單紗張力全流程數字化調控技術,實現了恒張力精確編織;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內空白,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”狀態。(朱一超)