為冬奧火炬“編織外衣”

文/李麒陽(東華大學)

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

2020年，作為東華大學機械學院的研究生，我有幸參與了學校孫以澤教授的研究團隊，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）的關鍵制造技術。

給“飛揚”進行數學建模

“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！”我的導師，東華大學機電智能裝備技術與系統學科組孫以澤教授經常這么對我們說。

2020年，我國確定了在北京冬奧會上使用碳纖維復合材料作為本屆火炬的主要材質，那么如何用碳纖維復合材料將天馬行空的火炬外飄帶藝術造型高精度呈現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進行火炬的制造，三維編織技術是二維編織技術的擴展。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換實現相互旋轉或正交交織形成具有整體結構的織物。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，是一種極其復雜的異形結構件。

最初，我看到的是一個泥塑火炬作品“飛揚”，它來源于藝術家的靈感、手工塑造的精品。要對其完成數字化制造、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。只有數學建模才能高精度地還原和復現美輪美奐的藝術設計作品，使自動化數字制造成為可能。為了打好“地基”，我們團隊數次北上，與中央美院的火炬外形設計師團隊、冬奧會組委相關工作人員等反復探討、修改、打磨。2021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。最終，我們采用多維曲面擬合智能算法完成了“飛揚”的數學建模。

“飛揚”外殼

“偏心”編織法

在合作團隊淮安的生產車間里，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，眼前的這個大家伙就是“織”火炬外衣的秘密武器。它是東華大學獨家研制、世界首創的大尺寸異形結構件三維高精度球面立體編織機。該系列編織機不僅可編織大飛機、高鐵等大尺寸結構承力件，也可編織螺旋槳、無人機、火炬外飄帶等精密異形結構件。

東華大學獨家研制的目前世界上最大的三維球面立體編織機

三維編制過程

但“飛揚”形狀不規則，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尋找解決辦法，但發現該技術處于被國外的封鎖狀態。

于是，在孫教授的帶領下，我們從零開始摸索實踐，一邊觀察碳纖維束的實際變化規律，一邊用理論建立數學模型。我們不斷往返于學校與淮安的工廠之間，每天在課題組和圖書館查閱文獻，從理論上推導編織過程中各重要參量的數學關系，建立各種類型的編織工藝預測模型，通過不同的控制參量改變織物結構。白天，我們撲在生產一線調試設備，那些沒解決的問題，則留到晚上回住處后，繼續思考。

經過多次推導驗證，團隊提出了“偏心”編織法——即以數值預測與逆運動學等方法，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雜變截面芯模編織過程的牽引速度求解方法，提高預成型體精度。功夫不負有心人，從理論推導到實驗驗證再到生產實踐，終于實現火炬外飄帶編織過程的全自動生產。

“飛揚”起來！

顧不得休息，我們又投入到火炬外飄帶后續生產過程的自動化生產線的搭建中，編織固化后的重要步驟就是機器人自動打磨工序。由于火炬外飄帶是由曲率變化的凹凸曲面組成的復雜零件，在打磨過程中，打磨量過多會損傷碳纖維零件的強度和壽命；打磨過少會對后期的噴涂工藝造成不良影響。為此，團隊又對打磨線自動化問題進行新一輪的攻堅，提出采用柔性千葉砂輪，以適應復雜的輪廓變化以及采用浮動力控技術對打磨過程進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，快速生成了機器人軌跡，達到精確打磨的目的。

歷經近一年的時間，在大家的共同努力下，團隊最終完成了冬奧火炬外飄帶的三維編織、固化成型、機器人精準打磨、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線，真正能夠在工業生產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、有技術編織成型高精度的碳纖維復合材料了！”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”，敢為科研創新“領頭雁”，已經成為我們團隊的科研文化。

細數團隊每一項成果，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，編織的特種救生、通信繩纜助力“蛟龍號”完成5000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，破解深海觀測數據實時傳輸的世界難題。該項成果曾斬獲當年國家科技進步二等獎。而這次三維立體編織技術的突破，成功實現了碳纖維復合材料的大尺寸、高精度編織，可謂是該項技術的2.0升級版，未來在無人機的結構件編織、多聯裝戰術導彈的筒體快速成型等國防民生重要領域大有可為。

1997年出生的我，在大學里就能參與關鍵制造技術的研發，我收獲的不僅是科研上的進步，更是肩上沉甸甸的責任。