為冬奧火炬“編織外衣”

文/李麒陽(東華大學(xué))

2022年北京冬奧會火炬接力儀式上，一支“飛揚”火炬正旋轉(zhuǎn)上升，它猶如絲帶舞動飄逸，頂端化作熊熊火焰……一經(jīng)亮相就吸睛無數(shù)。作為火炬重要部分——外飄帶（外殼），其關(guān)鍵制造技術(shù)是由東華大學(xué)孫以澤團(tuán)隊完成的。十分榮幸，作為團(tuán)隊中的一員，我深度參與了研究的全過程。

2020年，作為東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院的研究生，我有幸參與了學(xué)校孫以澤教授的研究團(tuán)隊，我們運用東華智造為北京冬奧會火炬“編織外衣”，完成了火炬重要部分外飄帶（外殼）的關(guān)鍵制造技術(shù)。

給“飛揚”進(jìn)行數(shù)學(xué)建模

“不能遇到一點‘硬骨頭’就打退堂鼓，國家急什么我們就做什么！”我的導(dǎo)師，東華大學(xué)機(jī)電智能裝備技術(shù)與系統(tǒng)學(xué)科組孫以澤教授經(jīng)常這么對我們說。

2020年，我國確定了在北京冬奧會上使用碳纖維復(fù)合材料作為本屆火炬的主要材質(zhì)，那么如何用碳纖維復(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)出來就是亟需解決的難題。

這是歷史上首次使用三維編織技術(shù)進(jìn)行火炬的制造，三維編織技術(shù)是二維編織技術(shù)的擴(kuò)展。三維編織物由三個或者三個以上的紗線組(紗線層)交織成的編織物，在三維編織時紗線通過位置轉(zhuǎn)換實現(xiàn)相互旋轉(zhuǎn)或正交交織形成具有整體結(jié)構(gòu)的織物。不僅如此，火炬外飄帶還是一種筒形彎曲不等壁厚片狀體，因此對工程化制造來說，是一種極其復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)件。

最初，我看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”，它來源于藝術(shù)家的靈感、手工塑造的精品。要對其完成數(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，首先要突破的第一道難關(guān)就是數(shù)學(xué)建模。只有數(shù)學(xué)建模才能高精度地還原和復(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。為了打好“地基”，我們團(tuán)隊數(shù)次北上，與中央美院的火炬外形設(shè)計師團(tuán)隊、冬奧會組委相關(guān)工作人員等反復(fù)探討、修改、打磨。2021年春節(jié)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。最終，我們采用多維曲面擬合智能算法完成了“飛揚”的數(shù)學(xué)建模。

“飛揚”外殼

“偏心”編織法

在合作團(tuán)隊淮安的生產(chǎn)車間里，一臺足有8米直徑的環(huán)形“大家伙”正在高速運轉(zhuǎn)著，成千上萬根黑色絲束在交織穿梭，乍一看就像在“織毛衣”。只需數(shù)分鐘，一件精確到克的火炬外衣就“織”成了。

“飛揚”外飄帶靈動且優(yōu)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(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)，眼前的這個大家伙就是“織”火炬外衣的秘密武器。它是東華大學(xué)獨家研制、世界首創(chuàng)的大尺寸異形結(jié)構(gòu)件三維高精度球面立體編織機(jī)。該系列編織機(jī)不僅可編織大飛機(jī)、高鐵等大尺寸結(jié)構(gòu)承力件，也可編織螺旋槳、無人機(jī)、火炬外飄帶等精密異形結(jié)構(gòu)件。

東華大學(xué)獨家研制的目前世界上最大的三維球面立體編織機(jī)

三維編制過程

但“飛揚”形狀不規(guī)則，同時還要精確控制144根碳纖維束完全按照期望的角度覆蓋在芯模上，難度是極高的。如何保證這些碳纖維“乖乖聽話”地均勻貼附到芯模上，成了我們亟待解決的第二個難題。起初我們希望通過查閱文獻(xiàn)尋找解決辦法，但發(fā)現(xiàn)該技術(shù)處于被國外的封鎖狀態(tài)。

于是，在孫教授的帶領(lǐng)下，我們從零開始摸索實踐，一邊觀察碳纖維束的實際變化規(guī)律，一邊用理論建立數(shù)學(xué)模型。我們不斷往返于學(xué)校與淮安的工廠之間，每天在課題組和圖書館查閱文獻(xiàn)，從理論上推導(dǎo)編織過程中各重要參量的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立各種類型的編織工藝預(yù)測模型，通過不同的控制參量改變織物結(jié)構(gòu)。白天，我們撲在生產(chǎn)一線調(diào)試設(shè)備，那些沒解決的問題，則留到晚上回住處后，繼續(xù)思考。

經(jīng)過多次推導(dǎo)驗證，團(tuán)隊提出了“偏心”編織法——即以數(shù)值預(yù)測與逆運動學(xué)等方法，解決了火炬大曲率、變密度的編織難題，同時提出一種新型的復(fù)雜變截面芯模編織過程的牽引速度求解方法，提高預(yù)成型體精度。功夫不負(fù)有心人，從理論推導(dǎo)到實驗驗證再到生產(chǎn)實踐，終于實現(xiàn)火炬外飄帶編織過程的全自動生產(chǎn)。

“飛揚”起來！

顧不得休息，我們又投入到火炬外飄帶后續(xù)生產(chǎn)過程的自動化生產(chǎn)線的搭建中，編織固化后的重要步驟就是機(jī)器人自動打磨工序。由于火炬外飄帶是由曲率變化的凹凸曲面組成的復(fù)雜零件，在打磨過程中，打磨量過多會損傷碳纖維零件的強(qiáng)度和壽命；打磨過少會對后期的噴涂工藝造成不良影響。為此，團(tuán)隊又對打磨線自動化問題進(jìn)行新一輪的攻堅，提出采用柔性千葉砂輪，以適應(yīng)復(fù)雜的輪廓變化以及采用浮動力控技術(shù)對打磨過程進(jìn)行實時檢測和恒力控制，確保打磨量的恒定，同時，全程使用離線編程技術(shù)，快速生成了機(jī)器人軌跡，達(dá)到精確打磨的目的。

歷經(jīng)近一年的時間，在大家的共同努力下，團(tuán)隊最終完成了冬奧火炬外飄帶的三維編織、固化成型、機(jī)器人精準(zhǔn)打磨、1268個雪花祥云圖案鐳雕工藝以及耐高溫底漆和漸變涂層的智能噴涂工藝的自動化生產(chǎn)線，真正能夠在工業(yè)生產(chǎn)中立體還原冬奧火炬外殼柔美、飄逸的感覺，使火炬真正“飛揚”起來！

“我們中國也有能力、有技術(shù)編織成型高精度的碳纖維復(fù)合材料了！”看著電視上火炬成功傳遞的畫面，孫以澤教授激動地說。是的，心懷“國之大者”，敢啃“硬骨頭”，敢為科研創(chuàng)新“領(lǐng)頭雁”，已經(jīng)成為我們團(tuán)隊的科研文化。

細(xì)數(shù)團(tuán)隊每一項成果，無不詮釋著最炙熱的愛國情懷。2018年，我們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(xué)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。該項成果曾斬獲當(dāng)年國家科技進(jìn)步二等獎。而這次三維立體編織技術(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，可謂是該項技術(shù)的2.0升級版，未來在無人機(jī)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。

1997年出生的我，在大學(xué)里就能參與關(guān)鍵制造技術(shù)的研發(fā)，我收獲的不僅是科研上的進(jìn)步，更是肩上沉甸甸的責(zé)任。