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巧夺天工“编织”科技外衣 东华这支科研团队让冬奥会火炬真正“飞扬”起来

来源:邓士豪发稿时间:2022-02-04浏览次数:10

冰火相约,激情“飞扬”,2022北京冬奥会开幕在即,激动人心的火炬接力仪式正在进行中。旋转上升,犹如丝带舞动飘逸,化作顶端的熊熊火焰……作为历届奥运会中备受关注的元素之一,此次冬奥火炬“飞扬”一经亮相就吸睛无数。见好就收才是赢9728孙以泽团队作为火炬重要部分外飘带(外壳)的关键制造技术提供方,将为我们揭开“小”火炬背后蕴藏的“大”学问。

走进见好就收才是赢9728机械学院教授、纺织科技创新中心主任孙以泽的办公室,临近春节假期,里面还是一番热火朝天的景象,孙老师正在跟课题组成员们进行学术讨论。“科研工作永远是进行时,没有休止符。”孙以泽教授领衔的教育部优秀创新团队和上海市“教育先锋号”团队,长期致力于纺织装备与控制的科研与教学,此次率领团队攻关火炬外飘带编织技术,他说这是国家的需要,义不容辞!

国际领先的三维立体编织技术,东华智造为火炬“织外衣”

小小的火炬背后到底有哪些黑科技呢?孙教授用“高新材料”“高新装备”“高端制造”这三个“高”字来概括,他说这是一次艺术设计与科技创新的完美碰撞。2020年的八、九月份,火炬总体的承担方上海石化找到在自动编织装备领域深耕细作近二十余年的孙以泽教授,并抛出了一道难题——如何用碳纤维复合材料将天马行空的火炬外飘带艺术造型高精度呈现出来。

火炬“飞扬”的外飘带造型非常特殊,是一个高维曲面体,对于工程化制造来说是一种极其复杂的异性结构件。孙教授说最初看到的是一个泥塑火炬作品“飞扬”,那是来源于艺术家的灵感、手工塑造的精品,要完成数字化制造、工业化生产,并且用高科技碳纤维复合材料编织成型,首先要突破的第一道难关就是数学建模,只有数学建模才能高精度地还原和复现美轮美奂的艺术设计作品,使自动化数字制造成为可能。为了打好“地基”,孙以泽教授率领团队数次北上,与中央美院的火炬外形设计师团队、冬奥会组委相关工作人员等反复探讨、修改、打磨。去年春节期间课题组成员们还在紧锣密鼓地做测试、改方案,从白天忙到黑夜,孙教授告诉记者说:“团队的博士们好几次夜里做梦,还梦到在做火炬外飘带的数学建模。”简简单单的一句话,字里行间却透露着科研工作者的执着与担当。功夫不负有心人,团队成员在孙以泽教授的带领下攻坚克难,最终用多维曲面拟合智能算法完成数学建模。

(研制的目前世界上最大的三维球面立体编织机)

在合作团队淮安的生产车间里,一台足有8米直径的环形“大家伙”正在高速运转着,成千上百根黑色丝束在交织穿梭,乍一看就像是在“织毛衣”,只需数分钟,便能“织”出一件精确到克的火炬外衣。孙以泽教授说道,火炬外飘带灵动且优美,但由于它是变径、变曲率的,上下不一般粗,曲面厚薄也不一致,传统制造工艺无法实现,而眼前的这个“大家伙”就是“织”火炬外衣的“秘密武器”,由见好就收才是赢9728独家研制、世界首创的大尺寸异性结构件三维高精度球面立体编织机,该系列编织机可编织大飞机、高铁等大尺寸结构承力件,也可编织螺旋桨、无人机、火炬外飘带等精密异形结构件。它总共有576个编织锭子,可编织最大截面500毫米*500毫米,是目前世界上功能最强、编制尺寸最大的三维球面立体编织机。设备工作时,在环形球面轨道内,576个高速运动锭子不断变轨飞速交叉、穿梭。“这编织过程可以说是‘险象环生’,每个运动锭子每个时刻都有14种碰撞的可能,”孙以泽教授形象地说道,“这就好比在四车道高速公路上,有几百甚至上千辆车快速交叉穿梭通行,不仅是高速跑,还要不断交叉、里外穿透变道跑,我们通过智能运算、精准变轨控制,才能避免出现‘交通事故’。” 

 (团队成员在现场指导立体三维编织)

 (合作方淮安基地的火炬“飞扬”生产场景)

为了让这些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外飘带柔美飘逸的感觉,孙教授带领团队研究控制算法、奇妙机构、变轨技术等,从理论推导到实验验证再到生产实践,反复调试。发明了所谓“偏心”编织的方法,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;研发了单纱张力全流程数字化调控技术,实现了恒张力精确编织;研发了高维曲面自动打磨的技能作业机器人系统。实现了火炬外飘带的三维自动化立体编织和自动化打磨,项目技术不仅填补了国内空白,在国际上也处于领先地位。最终,孙以泽教授团队让火炬“活”了起来,真正呈现出了最好的“飞扬”状态。

心怀“国之大者”,最美的科学誓言是爱国

“小火炬承载大能量,我们中国有能力、有技术编织成型高精度的碳纤维复合材料!”看着电视上火炬成功传递的画面,孙以泽教授激动地说,“我们会用科技创新撑起大国重器的脊梁!”

心怀“国之大者”,敢啃“硬骨头”,敢为科研创新“领头雁”,这已经成为了孙以泽团队的科研文化。细数孙以泽团队科研道路上的每一项成果,无不用科技创新诠释着最炙热的爱国情怀。2018年,团队突破了特种编织物自动化编织技术,编织的特种救生、通讯绳缆助力“蛟龙号”完成5000米级和7000米级深潜试验,助力综合科考船“科学号”成功完成热带西太平洋综合考察,破解深海观测数据实时传输的世界难题……该项成果曾斩获当年国家科技进步二等奖。而如今三维立体编织技术的突破,成功实现了碳纤维复合材料的大尺寸、高精度编织,可谓是该项技术的2.0升级版,未来在无人机的结构件编织、多联装战术导弹的筒体快速成型等国防民生重要领域大有可为。

科技兴则民族兴,科技强则国家强。项目组就是年轻教师和学生锻炼成长的平台。一个项目历练一支团队,97年出生的机械工程专业博士生李麒阳就是团队中的年轻力量,他说在这样一个团结向上的科研团队中,有幸参与到火炬外飘带的关键制造技术研发,收获的不仅是科研上的进步,更是肩上沉甸甸的责任。导师孙以泽教授常常教诲学生“要树立科技自主自立自强的信念,为国家的科技事业承担重任”,导师的言传身教在李麒阳心中播下了一颗种子,他说,毕业后他也会走上科学研究的道路,希望能够为祖国的科技创新贡献自己的一份力量。

 (孙以泽教授为团队开学术交流会)

在孙教授的带领下,团队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。在高端机织、针织和编织装备领域一次次斩获突破性成果,成为国内高端纺织装备研发最有影响力的“王牌军”。团队自成立以来不断发展,2010年获批上海市教委“产业用纺织装备技术”服务团队,2012年获批教育部“纺织装备技术与系统”创新团队,2016年获批教育部“纺织装备技术与系统”优秀创新团队,这是国内纺织装备领域唯一的教育部创新团队,2019年获评上海市“教育先锋号”。

最美的科学誓言是爱国,孙以泽教授身体力行,带领着他的“科研王牌军”,以科技创新和解决国家急需为己任,面向国家和产业重大需求,砥砺创新,真正把科研成果写到祖国大地上。

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