2月4日晚，第24届冬奥会在北京国家体育场盛大开幕，开幕式上举世瞩目的主火炬以创新的方式呈现。在主火炬点燃后，设置于鸟巢和水立方之间颁奖广场上的火炬台以及位于张家口和延庆的火炬台被依次点燃，圣火将持续燃烧至本届冬奥会和冬残奥会结束。该火炬台在开幕式的主火炬基础上充分融合艺术以及工程技术的要求，体现了“简约、安全、精彩”的冬奥理念；以纯粹的冰雪元素演绎了纯洁、和平、团结和友谊。晶莹的雪花和灵动的丝带相向旋转，如冰上长袖飘飘的舞者轻盈优雅简洁、现代的造型中透出东方的审美韵味，成为此次冬奥会的亮点之一。摩擦学国家重点实验室在火炬台的研制中贡献了科技力量。

从2020年11月起，接到冬奥会开闭幕式团队的设计邀请，田煜教授组织摩擦学国家重点实验室多位教师和学生成立攻关团队（田煜教授、王子羲副研究员、高志副教授、博士生李新新和李远哲），全力配合美术学院马赛教授主设计团队，并与土木工程系石永久教授团队通力合作，充分发挥清华大学学科全面与艺工交叉融合的优势，将艺术与科技完美融合，圆满完成了此次北京2022年冬奥会和冬残奥会外场火炬台设计，贯彻了习近平总书记2021年提出的“美术、艺术、科学、技术相辅相成、相得益彰”的指示精神。

图 1 火炬台实景图

2020年11月，田煜教授应邀与美术学院设计团队一起前往张艺谋导演工作室，张艺谋导演向大家介绍了奥运会主火炬的设计趋势，提出本界冬奥会火炬台的设计要求，一是尺寸不宜过大，从而保证贴近群众，方便群众打卡互动；二是火炬台要突出简约、纯粹、环保、科技理念，同时要满足开幕式表演及赛期内观众近距离合影留念需要；三是由于火炬台要在北京城内、延庆以及张家口三地同时设立，因此要满足抵御严寒、强风等不利的气候条件，并将在赛后永久保留。出于保密原因，张艺谋导演只简单介绍了国际奥委会通过的主火炬的核心图形是直径10米的圆形薄片，希望清华大学设计团队能够从设计的角度赋予核心图形更多的艺术美感，同时在满足功能、安全的前提下，实现核心图形更多精妙、复杂的运动。

接到任务后，清华美术学院马赛教授设计团队提出了多种方案，组织工业设计系、雕塑系的师生进行了多次分析、讨论，并在此基础上从艺术造型、结构、燃气功能、运动等多方面展开论证与设计，在短时间内提交了多套设计方案。最后拿一些简易的材料制作了许多初始模型，不断推敲论证，最终排除其他方案，提出了“同心双向旋转”的设计方案，并通过动画演绎了灯光效果和旋转效果。实验室团队对圆形薄片的不同结构和材质下的风载及重量等载荷进行了初步分析，并提出了若干种关于结构的自转和公转的基本机械运动设计方案；并针对美术学院的“同心双向旋转”的设计方案进行了结构风阻、轴系支撑方案、材料属性和结构应力、结构自重等进行了初步力学分析和计算，论证了其结构强度和运动设计上的可行性。

图 2 清华大学设计团队与开幕式导演团队共同考察现场

2021年3月份，清华大学美术学院设计团队主导提出的设计方案最终在激烈的竞争中胜出，得到了中央领导、奥组委和总导演的一致认可。此后实验室田煜教授团队与土木系石永久教授团队一起配合美术学院马赛教授主设计团队开始了为期近1年的研发工作。

图 3 清华大学多学科设计团队方案讨论现场

火炬台的设计面临三个比较重要的考验，一是火炬台作为运动部件，其尺寸和重量大，其核心图案直径达10 m，重量高达数吨；二是面对的工况复杂，延庆和张家口地区的冬季风力高达10级，环境温度可达零下20℃-30℃；三是艺术美学要求高，火炬台的厚度非常轻，结构上有较多异形曲面，整个装置仅仅通过上下两个细小的枝条来承重。这三种考验对雕塑的结构强度、刚度以及机械运动设计均提出了严苛要求。

在研发过程中，美术学院设计团队提出“银丝带”造型设计，在彰显冬奥会精神语义的同时，也为大雪花提供上下支撑点。实验室团队针对中心图案刚度较低，整个装置上下支点跨度大的情况，提出上下运动支点均采用调心轴承支撑，以适应加工、安装等带来的上下端不同轴问题。采用一端固定、一端预紧的轴承定位方式，以提高薄板的刚度，减小变形，降低失稳风险。这就像一张弓，用弦在两端拉紧之后，其刚度会大大提高。电机固定在地面，采用齿形联轴器或双万向节等柔性联轴器连接齿轮箱和薄板转轴，以适应转轴末端较大的偏转，氢气通过旋转连接器、内部中空管道进入到火炬。对轴承，电机等零部件进行了初步选型、校核。该方案在航天科技集团进行了论证后，交由航天科技集团负责具体实施。

图 4 提出的两种总体轴系方案图

开幕式上的大雪花在场外以火炬台的形式展示，需要面对的低温，冰雪、强风等恶劣工况，并满足永久保留要求，需重新考虑其在结构强度以及工程实现上的问题。土木学院石永久教授根据相关国家标准以及雕塑所在地历史天气情况等确定了整个装置设计校核时应采用的载荷工况，石永久教授采用有限元分析等手段对飘带的强度进行校核，与美术学院一起对飘带的形状进行优化，并对焊接工艺提出要求，最终得到一个符合结构和美学要求的形态。在大雪花的强度、刚度校核与优化中，实验室团队针对雪花强度和刚度不足的问题，在尽量不破坏美学的理念下，摒弃了施加立柱的暴力方案。将上下橄榄枝条中的叶子与枝条搭接，构成双支撑结构，有效提高了橄榄枝支撑点的强度。中心圆环与上下支条采用10 mm不锈钢板，行程主要承力结构，其余枝条与叶子采用4 mm不锈钢板，以降低整体重量。在上下枝条与中心圆环连接处的焊接要采用内部支撑的方式，并增加肋条，以提高局部应力集中部位的强度，杜绝隐患。整个过程与美术学院一道进行了多轮的迭代修改，最终得到一个融合美学艺术与科技的优化设计方案。

图 5 优化前后中心图案的受力分析

奥运动态雕塑最终在各方的努力下在短短一年多的时间内完成，实验室团队也在该项目参与中努力践行了面向国家重大需求开展科研的指导思想。未来，实验室会行而不辍，履践致远，为社会主义现代化强国的建设贡献更多机械科技的力量。

来源       | 摩擦学国家重点实验室

资料提供 | 田煜教授团队，清华美术学院马赛教授团队

图文       | 李新新 李远哲