为冬奥火炬“编织外衣”

文/李麒阳(东华大学)

2022年北京冬奥会火炬接力仪式上，一支“飞扬”火炬正旋转上升，它犹如丝带舞动飘逸，顶端化作熊熊火焰……一经亮相就吸睛无数。作为火炬重要部分——外飘带（外壳），其关键制造技术是由东华大学孙以泽团队完成的。十分荣幸，作为团队中的一员，我深度参与了研究的全过程。

2020年，作为东华大学机械学院的研究生，我有幸参与了学校孙以泽教授的研究团队，我们运用东华智造为北京冬奥会火炬“编织外衣”，完成了火炬重要部分外飘带（外壳）的关键制造技术。

给“飞扬”进行数学建模

“不能遇到一点‘硬骨头’就打退堂鼓，国家急什么我们就做什么！”我的导师，东华大学机电智能装备技术与系统学科组孙以泽教授经常这么对我们说。

2020年，我国确定了在北京冬奥会上使用碳纤维复合材料作为本届火炬的主要材质，那么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就是亟需解决的难题。

这是历史上首次使用三维编织技术进行火炬的制造，三维编织技术是二维编织技术的扩展。三维编织物由三个或者三个以上的纱线组(纱线层)交织成的编织物，在三维编织时纱线通过位置转换实现相互旋转或正交交织形成具有整体结构的织物。不仅如此，火炬外飘带还是一种筒形弯曲不等壁厚片状体，因此对工程化制造来说，是一种极其复杂的异形结构件。

最初，我看到的是一个泥塑火炬作品“飞扬”，它来源于艺术家的灵感、手工塑造的精品。要对其完成数字化制造、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”，我们团队数次北上，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。2021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。最终，我们采用多维曲面拟合智能算法完成了“飞扬”的数学建模。

“飞扬”外壳

“偏心”编织法

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，成千上万根黑色丝束在交织穿梭，乍一看就像在“织毛衣”。只需数分钟，一件精确到克的火炬外衣就“织”成了。

“飞扬”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，眼前的这个大家伙就是“织”火炬外衣的秘密武器。它是东华大学独家研制、世界首创的大尺寸异形结构件三维高精度球面立体编织机。该系列编织机不仅可编织大飞机、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。

东华大学独家研制的目前世界上最大的三维球面立体编织机

三维编制过程

但“飞扬”形状不规则，同时还要精确控制144根碳纤维束完全按照期望的角度覆盖在芯模上，难度是极高的。如何保证这些碳纤维“乖乖听话”地均匀贴附到芯模上，成了我们亟待解决的第二个难题。起初我们希望通过查阅文献寻找解决办法，但发现该技术处于被国外的封锁状态。

于是，在孙教授的带领下，我们从零开始摸索实践，一边观察碳纤维束的实际变化规律，一边用理论建立数学模型。我们不断往返于学校与淮安的工厂之间，每天在课题组和图书馆查阅文献，从理论上推导编织过程中各重要参量的数学关系，建立各种类型的编织工艺预测模型，通过不同的控制参量改变织物结构。白天，我们扑在生产一线调试设备，那些没解决的问题，则留到晚上回住处后，继续思考。

经过多次推导验证，团队提出了“偏心”编织法——即以数值预测与逆运动学等方法，解决了火炬大曲率、变密度的编织难题，同时提出一种新型的复杂变截面芯模编织过程的牵引速度求解方法，提高预成型体精度。功夫不负有心人，从理论推导到实验验证再到生产实践，终于实现火炬外飘带编织过程的全自动生产。

“飞扬”起来！

顾不得休息，我们又投入到火炬外飘带后续生产过程的自动化生产线的搭建中，编织固化后的重要步骤就是机器人自动打磨工序。由于火炬外飘带是由曲率变化的凹凸曲面组成的复杂零件，在打磨过程中，打磨量过多会损伤碳纤维零件的强度和寿命；打磨过少会对后期的喷涂工艺造成不良影响。为此，团队又对打磨线自动化问题进行新一轮的攻坚，提出采用柔性千叶砂轮，以适应复杂的轮廓变化以及采用浮动力控技术对打磨过程进行实时检测和恒力控制，确保打磨量的恒定，同时，全程使用离线编程技术，快速生成了机器人轨迹，达到精确打磨的目的。

历经近一年的时间，在大家的共同努力下，团队最终完成了冬奥火炬外飘带的三维编织、固化成型、机器人精准打磨、1268个雪花祥云图案镭雕工艺以及耐高温底漆和渐变涂层的智能喷涂工艺的自动化生产线，真正能够在工业生产中立体还原冬奥火炬外壳柔美、飘逸的感觉，使火炬真正“飞扬”起来！

“我们中国也有能力、有技术编织成型高精度的碳纤维复合材料了！”看着电视上火炬成功传递的画面，孙以泽教授激动地说。是的，心怀“国之大者”，敢啃“硬骨头”，敢为科研创新“领头雁”，已经成为我们团队的科研文化。

细数团队每一项成果，无不诠释着最炙热的爱国情怀。2018年，我们突破了特种编织物自动化编织技术，编织的特种救生、通信绳缆助力“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。而这次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。

1997年出生的我，在大学里就能参与关键制造技术的研发，我收获的不仅是科研上的进步，更是肩上沉甸甸的责任。