旋转上升，犹如飘带舞动，在顶端化作熊熊火焰……正在传递中的北京冬奥会火炬“飞扬”自亮相起就广受关注。记者从东华大学了解到，该校机械学院孙以泽教授团队，是此次火炬外飘带（外壳）的关键制造技术提供方。对于火炬背后的“黑科技”，科研人员用“高新材料”“高新装备”“高端制造”这三个“高”来概括。


走进孙以泽的办公室，寒假里还是热火朝天的景象。他所领衔的上海市“教育先锋号”团队，曾研制特种救生、通讯绳缆，助力“蛟龙号”完成5000米级和7000米级深潜试验，此番又攻关火炬外壳编织技术，成功为火炬穿上了碳纤维“外衣”。



东华大学科研人员现场指导立体三维编织。图片来自东华大学


2020年，火炬总体承担方上海石化找到深耕自动编织装备领域多年的孙以泽，向他抛出难题——用碳纤维复合材料将“飞扬”火炬外飘带艺术造型高精度呈现出来。孙以泽表示，火炬的外飘带造型是一个高维曲面体，对工程化制造来说是一种极其复杂的异性结构件。经过与设计人员的反复探讨和打磨，团队最终用多维曲面拟合智能算法完成了火炬制造的数学建模工作。



“飞扬”火炬生产场景。图片来自东华大学


而建模只是第一步。火炬外壳上下不一样粗、曲面不一样厚，传统制造工艺无法实现。此时，由东华大学独家研制的大尺寸异形结构件三维高精度球面立体编织机，成为“编织”这一异形结构件的“秘密武器”。据介绍，其内部共有576个编织锭子，可编织最大截面500×500毫米，是目前世界上编织尺寸最大的三维球面立体编织机。设备工作时，环形球面轨道内，576个高速运动锭子不断变轨，高速交叉穿梭。“就像在四车道高速公路上，几百甚至上千辆车高速交叉穿梭通行。我们通过智能运算、精准变轨控制，避免发生‘交通事故’。”孙以泽介绍。



东华大学科研人员研制的三维球面立体编织机。图片来自东华大学


生产车间里，直径8米的三维球面立体编织机高速运转，成百上千根黑色丝束在其中交叉穿梭，每一束都包含12000根碳纤维丝。只需数分钟，便能“编织”出一件精确到“克”的火炬外壳，再经过镭雕、上色、喷高温漆等工序，就完成了“飞扬”火炬外壳的全部制造工作。



“飞扬”火炬生产场景。图片来自东华大学


据了解，为了让碳纤维复合材料在“编织”过程中“乖乖听话”，同时在工业生产中立体还原飘带造型柔美飘逸的感觉，科研团队发明了所谓“偏心”编织法，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等，最终实现火炬外壳三维自动化立体“编织”和自动化打磨，不仅填补了国内空白，在国际上也处于领先地位。


孙以泽表示，团队将继续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。


编辑：丁文娴、吴博文、郑道锦、李昱熹（实习）