CN107117281A - 智能化细胞式充气刚体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能化细胞式充气刚体结构,具体的说是一种将若干小型气囊排列组合后组成一个轻质耐压刚体结构的方法。空间充气展开结构具有体积小、重量轻、可靠性高、造价低等突出优点，近年来随着以充气管作为承力框架的大型空间天线、太阳帆等航空设备出现，充气展开结构受到越来越多的重视。本发明通过仿生方式模仿细胞组织结构设计出一种新型充气展开结构，利用有限元设计使传统充气展开结构获得更优秀的力学性质。

Description

智能化细胞式充气刚体结构

技术领域

本发明属于航空航天领域、新材料领域、建筑工程领域的一项交叉学科应用技术，涉及一种多气囊充气展开结构。具体的说是一种将若干小型气囊排列组合后组成一个轻质耐压刚体结构的方法。

背景技术

充气管也称轻质加压管、薄膜管、太空管、气肋、充气梁、充气膜结构、充气展开结构等。如今充气材料广泛应用于建筑结构和航天器结构领域。

空间充气展开结构具有体积小、重量轻、可靠性高、造价低等突出优点，近年来随着以充气管作为承力框架的大型空间天线、太阳帆等航空设备出现，充气展开结构受到越来越多的重视。

空间充气展开结构不仅应用于航空航天，还应用于建筑（如充气房屋、帐篷、桥梁、水坝等），广告（如展示巨型条幅的充气结构），艺术，军事（如果充气装甲车、充气雷达穹顶遮罩）等。但当今主流的充气管大多采用单体化结构，既整根充气管由单一腔体结构组成。单一腔体结构虽然制造简单，但存在着可靠性差、应力结构单一、力学特征不易调整等缺陷。因此，当今地面制造大型充气建筑物时大多采用钢梁作为支撑装置，将充气结构固定在钢梁上，从而获得刚性支撑。

在2016年10月，我基于上述情况设计并申请了智能化细胞式充气刚体结构(专利公开号CN106394854A)的发明专利。在对智能化细胞式充气刚体结构的研究中我发现，充气结构的可应用领域远比传统薄膜充气管要大得多。传统充气结构往往采用柔性薄膜为蒙皮，内部充入空气用以支撑充气结构。但我在研究中发现，采用其他材料制成的充气结构同样可以在少量增加自重的同时，能够获得极大的力学性能上的提升。例如一根金属管，其纵向抗压强度为P。当这一金属管纵向所受压力大于P时金属管就会发生弯曲、产生扭矩，最后导致破坏变形。但如果将这一金属管密封，并在金属管内充入轻质高压工质（例如空气、氦气等气体）。金属管的自重并不会大幅增加，但其抗压强度却会大幅提升。在航空航天领域，飞行器中的每一克重量都要锱铢必较，如果采用此项技术能够在不大幅提升飞行器内刚体结构重量的前提下大幅提高飞行器本身的抗压强度。

参考文献

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名词解释：

充气：在本发明中充气是指充入高压工质，放气（排气）是指排出高压工质。众所周知，某些气体在高压情况下会产生液化现象，在本发明中此类情况会非常常见。在某些特定情况下，气囊内的在加压前充入的是气体，而加压后内部储存的是液体。为了防止描述混乱，在本发明中充入高压工质时无论充入的是气体或是液体、固体（例如某种油脂）均用充气表示，排出高压工质均用排气表示。输送高压工质的设备均用气泵（8）表示。

气囊：在本发明中所述气囊是指由可以阻隔高压工质自由流通的材料组成的密闭结构。

发明内容

本发明公开了一种智能化细胞式充气刚体结构，具体的说是一种利用多气囊堆叠成类似细胞组织结构，通过调整每个气囊内部压强来调整充气刚体结构应力特性的技术。

当今充气展开结构的发展如火如荼，本发明以仿生方式参考生物细胞结构设计出一种智能化可控充气展开结构。众所周知，生物体内部组织由若干细胞组成。细胞外部由细胞壁包裹，内部则是由细胞液和细胞核组成。其中起到应力作用的主要有细胞壁和细胞液两部分。若是细胞液部分缺失，则组织整体结构表现出柔软特征。若细胞内压增强，则组织结构整体韧性以及抗压强度大幅增加。

根据上述原理我设计出一种智能化细胞式充气刚体结构。本发明由以下各部分组成，包括智能化控制系统（1）、气囊（2）、杆件（3）、压力补强结构（4）、拉绳（5）、可控排气阀（6）、传感器（7）、气泵（8）、导气管（9）。智能化控制系统（1）通过有线或无线装置控制可控排气阀（6）的开闭，气泵（8）通过导管（9）对气囊（2）进行加压或放气。每个气囊（2）通过动态有限元计算出其在不同压强下的内力参数，在智能化控制系统（1）的控制下为整个气囊集合体提供结构强度所需应力。其中气囊（2）的结构可以是球形、柱形、拱形、环形、三角形或其他不规则形态，根据不同环境下的需求可以设计出不同形态结构，这些特殊结构在充气后能够提供不同应力效果（图1）。

其工作流程如下：

首先，智能化控制系统（1）控制需要加压的气囊（2）打开其所对应的可控排气阀（6），气泵（8）对导气管（9）进行加压，【此时不需要加压的气囊（2）不打开其所对应的可控排气阀（6）】。传感器（7）实时探测气囊（2）内的压力，当压力参数满足要求时可控排气阀（6）闭合。之后其他需要加压的气囊（2）对应的可控排气阀（6）依次打开，继续进行加压。利用这种分时加压方式能够满足多个气囊（2）的不同压力需求。其中加压顺序应该为先低压后高压，但在特殊情况下可以改变加压顺序。

当气囊（2）需要排气时，气泵（8）反向工作，导气管（9）内呈负压。可控排气阀（6）打开即可完成气囊（2）的排气工作。

如图2、图3、图4所示，由多气囊结构组成的气囊式立柱刚体结构拥有更稳定的刚体特征。与传统单腔气囊结构相比，其拥有一定的容错性。每个气囊相对独立可以保证气囊（2）内部的应力相对分散，同时因为气囊与气囊之间相互隔绝造成整个气囊集合体不会因为受压而导致气囊内气体集中到某一点造成压力集中进而破坏气囊结构的情况发生。

如图5所示，由多气囊组成的气囊式立柱刚体结构外侧气囊的压力会与内侧气囊相互作用，侧边压力导致中央气囊柱获得更大的纵向应力。例如图5外侧气囊加压1500帕，内侧气囊加压1000帕，外侧气囊内气压高于内侧气囊导致内侧气囊气压产生的应力集中到纵向轴。这种情况下气囊作为支撑桁架能够承受更大的纵向压力。

如果采用更加复杂的气囊组合方式，其能够产生更加理想的耐压刚体应力结构。采用此种设计时，如果某个气囊的气囊壁破损，只会让相邻的两个气囊融合为一个气囊。此时气囊壁依然能够起到相应的力学作用，气囊与气囊之间会在外界气压下达成一个平衡，而不会像单一气囊那样因为气囊内气体泄漏导致整体气囊结构失效坍塌。同时，如果内侧气囊内的轻质气体散逸，则散逸出的气体只会进入外侧气囊。就像生物组织，局部少数细胞老化破损不会使整个生物组织全面崩溃。

权利要求3所述智能化控制系统（1）是智能化细胞式刚体结构的大脑，利用智能化控制系统（1）统合各类环境参数后可以自动控制各气囊之间的压力平衡。利用不同气囊之间的压力差能够让整个充气刚体结构获得更理想的力学性能。同时，利用调节不同气囊的压力能够在一定范围内调整刚体结构的外形，在搭建充气建筑时能够微调充气建筑的外观结构。

智能化控制系统（1）的工作方式如下：首先，在设计之初采集不同气囊结构所对应的在不同温度环境下的气压以及其所产生的应力参数。利用有限元模拟对气囊应力的合力进行模拟计算，并设计出不同情况下的应对程序。传感器（7）将采集到的数据实时传输给智能化控制系统（1）后，智能化控制系统（1）根据程序设定发出控制指令，控制相应的设备进行工作。

权利要求4所述气囊（2）是智能化细胞式刚体结构的基本单元，每个气囊（2）都可以是不同形状不同大小不同结构。例如由若干个三角形组成的气囊拥有更稳固的力学性能，若干个六边形结构的气囊组成的刚体结构使用材料最省，若干个拱形结构组成的球形气囊耐压强度更高，若干个柱形结构组成的气囊能够抵抗更多纵向压力。只要通过有限元设计计算出气囊（2）充气后力学特性，就可以根据需要对气囊（2）进行充气或放气，使由气囊（2）堆叠出的刚体结构能够体现出特定的力学性能。

权利要求4所述气囊（2）可以是柔性气囊、刚性气囊、混合式气囊。在本发明中所述气囊是指由可以阻隔高压工质自由流通的材料组成的密闭结构。在大多数人的印象中，气囊是由柔软的蒙皮结构包裹压缩气体组成的囊体结构。但在本发明中涉及到一种由硬质外壳组成的充气结构。从结构上分类，这种充气的硬质外壳也属于气囊结构。

传统的气囊结构很容易理解：例如最常见的气球，可以将其视为一个典型的气囊结构。但如果采用硬质塑料、橡胶或是刚性金属材料替换气球的囊体，而其本身结构不变，他依然可以被视为一个气囊结构。为了便于描述，我将此类气囊称为刚性气囊结构。

为了便于理解，我用举例的方式详细描述一下刚性气囊的特征：

例如一瓶铝制易拉罐碳酸饮料，未开封的易拉罐实际上就是一个充入高压工质的刚体结构。易拉罐罐体可以被视为一个刚性气囊结构，其自身拥有一定刚度，在未充气状态下（开封后）能够在一定程度上抵抗外界压力。在对比试验中可以看出，未开封的铝制易拉罐能够抵抗大于90KG的压力，而开封以后的铝制易拉罐只需要20KG压力就可以压扁。如果将易拉罐内的汽水更换为高压气体，密封完整的易拉罐即可同时满足自重轻和抗压强度高这两大要求。

注：对比试验过程如下。

由铝制易拉罐碳酸饮料3瓶与市售橡胶充气球作为实验对象，分别标明为实验对象A、B、C、D。其中实验对象A为密封状态下的易拉罐碳酸饮料，也就是市售未开封易拉罐碳酸饮料。实验对象B为市售易拉罐碳酸饮料开封后清除内部的碳酸饮料后的空铝制易拉罐碳酸饮料瓶。实验对象C为同一材质的空铝制易拉罐碳酸饮料瓶内注入压缩空气后密封（实验对象C为典型刚性气囊结构）。实验对象D为市售橡胶充气气球（实验对象D为典型传统气囊结构）。

对实验对象进行称重：实验对象A净重385克，实验对象B净重12克，实验对象C净重18克，实验对象D净重25克。

将实验对象A、B、C、D置于实验台上,并分别在实验对象上部放置砝码作为载荷进行刚度实验，并分别记录实验对象A、B、C、D在承压状态下的表现。

实验对象A顶端放置60KG砝码时，实验对象A整体无明显形变。

实验对象B顶端放置20KG砝码时，实验对象B罐体出现坍塌变形。

实验对象C顶端放置60KG砝码时，实验对象C整体无明显形变。

实验对象D顶端放置20KG砝码时，实验对象D出现明显变形，但在撤除砝码后迅速恢复。

从上述实验中可以看出，刚性气囊在等同条件下拥有自重轻、刚度大、结构简单、成本低等优势。可以用于包括航空航天领域在内的各种设备制造上。

其工作原理为：利用轻质高压工质充入密闭刚性气囊后，气囊所受外界压力由高压工质部分承担，从而提高了刚性气囊结构抗屈服强度。同时，以刚性材料制造的囊体结构又能在所受压力不超过屈服强度前保证刚性气囊的结构不发生较大幅度的形变。因此，采用刚性材料制成的刚性气囊结构能够将现有的材料屈服强度大幅提升。

因刚性材料这一说法定义比较模糊，为了详细定义刚性气囊具体范围特在此定义：采用屈服强度大于等于100Mpa的材料制成的气囊结构即为刚性气囊结构。

混合式气囊即为刚性气囊与柔性气囊的混合结构。以图5为例，若图5中的气囊结构最外侧采用刚性材料制成气囊壁，内侧的气囊壁采用柔性材料，即可制成一个混合式气囊结构。混合式气囊结构能够同时拥有刚性气囊与柔性气囊的特性，在特定环境下能够达成更好的力学效果。

上述设计的主要目的为提高充气结构的抗压强度，基于结构力学，通过有限元分析可以计算出刚性气囊内高压工质、气囊壁厚度、气囊结构、气囊抗压强度与气囊自重之间的最佳比例关系。基于上述数据，刚性气囊能够以现有材料为基础，在不大幅提高材料自重的前提下大幅提高等同材料的屈服强度。

本发明所述刚性气囊的制造材料可以是一种或多种。利用单一材料制成的刚性气囊结构简单，利用复合材料制成的刚性气囊结构能够获得更加理想的力学性能。

同时，为了阻止高压工质散逸泄漏，刚性气囊内可以采用独立内胆结构或是镀膜结构。

所谓独立内胆结构是指在刚性气囊内部设立独立的内胆结构，利用内胆阻止高压工质（轻质气体、液体或固体）散逸泄漏。独立内胆可以是单一内胆，也可以是由若干个气囊组成的内胆结构（如图5）。

所谓镀膜结构是指利用高分子材料在刚性气囊内壁建立镀膜或涂层，从而达到阻止高压工质（轻质气体、液体或固体）散逸泄漏的目的。（相关解决方案可以参考诸如[文献13]中所述平流层飞艇的蒙皮结构以及相关技术。因此类技术属于现有成熟技术，在此不作赘述）。

为了能够在大幅提高气囊抗压强度的同时，又尽量减轻气囊结构的自重，可以采用诸如氢气、氦气等轻质气体作为高压工质。在常温常压下，氢气、氦气等轻质气体体会自由逸散，无法用其制成刚体材料作为支撑结构。但如果将这些轻质气体加压后充入气囊，则可以获得一种轻质充气式刚体材料。传统柔性气囊制成的充气结构存在着气囊表面局部受压较大时容易变形的缺陷，如果采用由柔性气囊与刚性气囊混合组成的混合式气囊结构或单一的刚性气囊结构作为刚体，既可以满足气囊结构轻质化的要求，又能制成比传统充气展开结构在力学上更加理想的刚体结构。

在本发明中，气囊内充入的高压工质并不一定是气体，也可以是液体或固体，为了便于描述在文中均用充气来表示充入高压工质。其主要作用为通过充入高压工质的方式为气囊结构提供一定的内应力。在充入高压工质后，气囊的表现为抗压强度大幅增加。传统充气式刚体结构最大的问题就是充气刚体内高压工质泄漏，一旦高压工质泄漏就会造成充气式刚体结构力学性能下降，甚至受压损毁。为了解决上述问题，我采用复合材料作为高压工质（采用复合材料，但不仅限于采用复合材料）。广义上的复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。在本发明中，所谓利用复合材料作为高压工质是指利用两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法生成的可压缩高分子化合物。

上述可压缩高分子化合物并非现有产品而是发明人自行调配的一种混合物。即以市售产品“自动补胎胶”混合“发泡剂”组成的一种混合液体。这种混合物自重较轻，一旦充气刚体发生泄漏，“发泡剂”就会自发膨胀，推动“自动补胎胶”涂覆于充气刚体内部的泄漏点，阻止充气刚体结构继续失压。因“自动补胎胶”与“发泡剂”的配方多种多样，而且还有固体泡沫结构等其他方案可以满足上述要求，无论从构成原理、构成材料种类、制造成本、机械性能还是耐受温度以及分子结构稳定性和加工难度都有所不同。所以，在本发明中以可压缩高分子化合物代指能达到相似性能的全部材料。同时，某些配方组成的可压缩高分子化合物还具有阻燃、隔热、防辐射等特殊功能。利用上述可压缩高分子化合物能够为本发明提供更广阔的应用前景。

权利要求5所述杆件（3）、拉绳（5）是智能化细胞式刚体结构的补充部件。很多时候单纯使用气囊组成的刚体结构并不是最理想的结构，作为对充气式刚体结构的补充，杆件（3）、拉绳（5）能够对气囊强度起到极大的补充。据文献[1、2]所述，拉绳（5）在充气结构中起到极为重要的作用，能够对整个充气结构的力学性能起到极大改变。而杆件（3）的应力作用在大多数充气建筑结构中都有所表现，这里不予赘述。在某些特定情况下可以用杆件（3）、拉绳（5）替代气囊与气囊之间的隔膜，能够将一个气囊变为若干个气囊。例如一个充气管，利用拉绳在充气管中部系紧，此时一个气囊就会被分割为两个气囊。在特定情况下可以用拉绳替代气囊与气囊之间的隔膜，用单一气囊起到细胞式充气刚体的部分功效。

权利要求6所述压力补强结构（4）是用于气囊（2）与杆件（3）、拉绳（5）交接点的应力分散装置。气囊（2）充气后，气体的压力会均分到气囊表面，而杆件（3）、拉绳（5）与气囊（2）接触部分必然会发生应力集中。为了杜绝应力集中作用在气囊表面某一点后造成气囊破损，压力补强结构（4）能够将杆件（3）、拉绳（5）的应力分散到更大范围的气囊表面。

权利要求7所述可控排气阀（6）是由智能化控制系统（1）控制下的可自行开闭的排气阀。其主要功能为连接或切断气囊（2）与气压泵（8）之间的管道，间接控制气囊（2）的充气或放气。可控排气阀（6）可以安装在气囊（2）内部或外部，也可以安装在导气管（9）上的任何位置。可控排气阀可以为电磁阀门，也可以为普通气门嘴。如果充气刚体结构为长期用途，可以选用电磁阀门结构。如果充气刚体结构为短期临时使用可以采用普通单向阀结构。电磁阀门结构的好处在于可控，可长期工作。普通单向阀可以适用临时充气刚体结构，成本低操作简单。利用普通单向阀充气后能够获得一个拥有足够大应力的刚体结构，在充气后撤除导气管（9）和气压泵（8），气囊（2）依然可以工作一段时间。这种方式灵活性更高成本更低，更适宜建造临时性充气建筑。在本发明中，可控排气阀（6）虽然名为排气阀，但也可以根据需要传输其他高压工质。

权利要求8所述传感器（7）是一种探测装置，其主要作用是探测气囊（2）内部的气压大小、气囊（2）的形变状况、气囊（2）当前的温度、湿度、以及气囊（2）内部各种高压工质的状态，并将探测到的数据传输到智能化控制系统（1）。为了获得理想的力学性能，不同的气囊内有可能会需要充入不同压力的不同工质。同时，导气管（9）的长度、气囊（2）当前的温度、充入工质的种类也会影响充入工质的工作效率。因此，在一些需要精确计算应力的场合就需要传感器（7）对气囊（2）内的各种参数进行探测。将探测到的数值传输至智能化控制系统（1）后根据实际情况对气囊（2）进行调整，从而获得理想的力学效果。

权利要求9所述气压泵（8）、导气管（9）是气囊（2）的充气装置，其中气压泵（8）可以提供充气和放气功能。气压泵（8）、导气管（9）可以与气囊（2）整合为一体，也可以设计成活动结构并在充气完成后拆除。气压泵（8）、导气管（9）与气囊（2）整合为一体的情况适用于长期工作的充气刚体结构，此类结构可以利用智能化控制系统（1）进行控制。气压泵（8）、导气管（9）与气囊（2）之间采用活动结构的设计适用于临时充气建筑或其他一次性充气刚体结构。当需要架设临时充气建筑时，将气压泵（8）、导气管（9）与气囊（2）相连并依次充气。充气完成后拆除气压泵（8）、导气管（9），留下气囊（2）组成的刚体结构支撑充气建筑结构稳定性。这种方式成本低，架设简单。在某些情况下可以仅拆除气压泵（8），一切以施工便捷为主。

权利要求10所述刚性气囊，其特征为采用刚性材料作为气囊（2）的气囊壁，是刚性材料与气囊结构的结合体。对于刚性气囊结构在前文中曾详细描述。

在实际应用中，成本和可靠性之间经常相互冲突。为了在两者之间获得一个平衡，同一技术能够因其工作性质选择不同的权重搭配。在本段着重叙述由独立单一刚性气囊构成单一刚体结构的技术解决方案。通过查询文献，发明人发现当今学术领域内对于刚性气囊的认知还停留在利用刚性外壳保护气囊蒙皮的概念下（例如齐柏林硬式飞艇、刚性充气船等）。发明人在查询多个资料库后并未发现有关于刚性气囊结构的力学性能的研究目。为此，发明人基于本发明设计出一种利用刚性气囊结构制造轻质刚体结构的方法。

以最简单的单体立柱结构为例：在日常生活中，单体立柱支撑结构可以说是最常见的刚体结构之一。路边常见的金属电线杆、广告牌支架、路灯杆、凉亭立柱、脚手架等都是由单体立柱组成。作为应用最广泛的单体立柱，其结构非常简单。大多数单体立柱都是以圆柱形空心结构组成，外壳材质多采用金属。在航空航天领域，单体立柱支撑结构的应用也非常广泛。无论是飞机机舱内的支撑杆还是飞艇内的空间支架，在飞行器结构各领域内均可见到单体立柱的身影。传统情况下，如果需要提高单体立柱支撑结构的强度，往往需要对立柱结构的材料进行加厚处理。这导致在获得足够强度的同时也逐渐增加了飞行器的自重。如果将本发明所述充气式刚性气囊结构制成立柱并替换传统立柱，在不降低飞行器对强度要求的前提下，不但能够从成本上降低单体立柱的造价，还能进一步降低飞行器的自重。

除了飞行器领域，在其他领域内单体刚性气囊结构依然有非常巨大的应用前景。例如最简单的梯子，梯子多由两根立柱以及若干横梁组成。如果将梯子的立柱与横梁改造为刚性气囊结构，那么在等同重量的前提下这种新型梯子载荷更大。

从上述技术解决方案中可以看出，刚性气囊结构的应用领域极其广泛。根据权利要求4与权力要求9所述，首先制作一个单一刚性气囊结构，然后在其内部充入高压工质。在充入高压工质后拆除气压泵（8）、导气管（9）后可以得到一个自重轻，抗压强度大的单一刚性气囊结构。此时可以选择保留或拆除可控排气阀（6）。如果保留可控排气阀（6），在未来可以选择再次安装气压泵（8）、导气管（9），用以调整或是回收气囊（2）。如果选择拆除可控排气阀（6），可以将气囊（2）完全密封。

根据上述两种情况举例：

首先是刚性气囊结构保留可控排气阀（6）的例子：采用刚性气囊建造临时大型会场主支撑梁（如图4所示）。

建成后的支撑梁内部由若干气囊组成，外部为刚性材料制造的蒙皮结构，其整体结构类似生物骨骼。每个气囊就相当于一个骨骼细胞结构，外壁采用刚性材料能够有效抵抗环境压力。刚性气囊在建成后内部高压工质有可能会逐渐散佚，为了保证主支撑梁的刚度，可定期检测刚性气囊内部的高压工质的工作压力。当发现刚性气囊内的高压工质工作压力过低时，重新连接气压泵（8）、导气管（9）对其内部进行加压。细胞结构的优势在于一定范围内大多数细胞各自分担一部分应力，因此在一定范围内，某一个或几个气囊出现气压较低的情况也不会直接影响整个刚体结构的力学强度。当气囊（2）内的高压工质内部压力恢复至设计要求后拆除气压泵（8）、导气管（9），完成本次检修。

其次是刚性气囊结构拆除可控排气阀（6）的例子：采用刚性气囊制造自行车车架。

利用铝合金制造自行车车架由来已久，但对于自行车爱好者来说更轻、更强、更舒适的自行车车架依然是永恒的追求。采用刚性气囊结构制成的自行车车架可以采用永久性密封的方式。首先，利用铝合金管制成一个密封的自行车车架。此时，密封的自行车车架可以视为由若干个刚性气囊结构组成的刚体结构。首先，由气压泵（8）、导气管（9）对铝合金管制成的自行车车架进行充气加压。在充气完成后拆除气压泵（8）和导气管（9）。之后，利用焊接技术将可控排气阀（6）融化密封，从而彻底密封自行车车架，防止内部的高压工质逃逸。或是在设计之初，将可控排气阀（6）与导气管（9）设计为一体结构，在可控排气阀（6）靠近气囊一侧（气囊壁）加装单向阀。在充气加压之后拆除可控排气阀（6），由单向阀阻止自行车车架内的高压工质逃逸。之后利用焊接技术将单向阀融化密封，从而彻底密封自行车车架。

由上述例子可以看出，刚性气囊具有应用范围广，制造简单，成本低，强度高，易于实施等特性。在未来的大多数行业中刚性气囊都可以占有一席之地。

在刚性气囊的充气过程中，导气管（9）可以是传统意义上的导气管结构，也可以对其进行变形处理，将导气管扩大成高压舱，将刚独立的性气囊结构放置于高压舱内部后为整个高压舱进行加压，从而可以批量化的对若干个独立刚性气囊进行充气操作，可以利用高压舱环境通过工业机器人直接生产无缝轻质耐压刚体结构。专门设计的工业机器人拥有在高压环境下进行工作的能力[文献12]，如果在高压环境中由机器人直接对刚性气囊进行密封焊接，能大幅提高刚性气囊的耐压强度和结构稳定性与易用性。在高压环境中生产的刚性气囊可以仅保留气囊壁结构。这种刚性气囊结构自重轻，力学特征稳定。可以作为独立零部件通过组装的方式与其他零部件组成各种设备。

在本发明中，密封刚性气囊结构可以采用刚性密封或弹性密封技术进行密封。或是利用丝扣、卡槽等结构进行固定，在固定后利用焊接技术将接缝处焊接或使用胶类粘结，从而增强其连接强度，并尽可能杜绝高压工质散逸。同时，气囊可以是单层结构，也可以由多层复合结构组成。多层复合结构可以由隔绝层，防腐层，应力层等多层组成。在平流层飞艇研究领域，飞艇蒙皮结构是一个重要分类。从[文献13]中可以看出，当今本领域内的从业人员对气囊蒙皮的应用完全可以满足本发明所需的基本要求。虽然[文献13]中描述的是平流层飞艇的蒙皮结构，但相应的技术依然可以应用在其他领域。

附图说明

附图中对应的数字：智能化控制系统（1）、气囊（2）、杆件（3）、压力补强结构（4）、拉绳（5）、可控排气阀（6）、传感器（7）、气泵（8）、导气管（9）。

图1为智能化细胞式充气刚体结构示意图。每个气囊相对独立，相互之间由薄膜或其他刚性材料相连。当部分气囊内充入高压气体后其他气囊就会产生一定范围的形变。气囊的形变会使每个气囊的内力相互影响，从而产生比较复杂的内力体系。最终效果为体现出特殊的力学性能。

图2为气囊式立柱刚体结构的俯视刨面图。图中最外层气囊所受应力导致气囊壁完全展开，而内部气囊之间相互挤压导致气囊压力集中到轴向。

图3为气囊式立柱刚体结构的侧视刨面图。不同气囊内部气压不同导致气囊应力效果不同。

图4为气囊式拱形刚体结构侧视刨面图。多气囊结构造成的应力效果比单一气囊结构更理想。

图5为多气囊充气后内部应力互相作用示意图，外侧气囊压力作用于内侧气囊侧边导致内侧气囊获得更大纵向应力。

具体实施方式

本发明为特殊用途的轻质刚体结构。在制造领域，利用智能化细胞式充气刚体结构能制成轻质支撑梁可以替代传统支撑结构。本发明具有及其巨大的应用前景，在各领域均能发挥巨大的作用。

例如制造一张承重台，承重台有四个支脚，支脚采用空心圆柱结构，材质为HRB400标准钢管。如果想要提高承重台最大载重，采用传统设计为了满足设计要求必然采用增加支脚数量、扩大支脚直径以及增加钢管壁厚等技术方案。而采用上述方案必然造成承重台自重大幅增加。但如果将承重台支脚改为充气式刚体结构，将承重台原有支脚所用标准钢管上下两端密封，并在钢管内部充入高压工质，钢管抗压强度大幅提升而自重却只有少量提升，如此即可在现有条件下满足新的设计要求。

例如制造一个网格穹顶结构的建筑物（类似鸟巢体育馆结构）。这种建筑物除了需要抵抗自重造成的压强外，还需要在遇到极端天气时抵抗外界环境造成的各种压力。在专业建筑类文献中，对这一结构的抗屈服强度设计均有描述。利用智能化细胞式充气刚体结构，可以在不大幅增加刚体结构自重的前提下大幅提高刚体结构抗屈服强度。这意味着能够用更少的材料制成更大的建筑空间。因具体应用数据要依照具体情况设计，在此只能大致描述。

以汽车制造业为例，汽车车身框架结构占整车重量比例的50%-70%。当今主流汽车车身采用铝合金、合金钢等材料。如果改用刚性气囊结构制造汽车车身框架结构，一方面能够在等同强度的前提下大幅减轻汽车车身框架结构的自重。另一方面，刚性气囊在抗冲击的表现中与吸能盒结构类似。由刚性气囊组成的框架结构等同于由若干吸能盒组成车体框架。这会进一步提升汽车的安全性。

因本发明的应用领域及其广泛，在当今人类各领域均有其应用的一席之地。所以在此处只能简略的介绍其的应用范围。小到桌椅板凳自行车，大到飞机轮船摩天大楼，智能化细胞式充气刚体结构和刚性气囊结构均能能够给现有领域带来一定的提升。

Claims (10)

1.一种智能化细胞式刚体结构，其特征为利用若干个气囊堆叠成一个立体结构，以结构力学设计气囊的排列方式，以杆件、拉绳为补充，以智能化系统控制每个气囊内的压力，利用不同气囊内充入不同数量高压工质导致气囊形变并产生指向性应力，从而制造出能产生特定力学效应的轻质耐压刚体结构。

2.根据权利要求1所述的智能化细胞式刚体结构，其结构是由智能化控制系统（1）、气囊（2）、杆件（3）、压力补强结构（4）、拉绳（5）、可控排气阀（6）、传感器（7）、气压泵（8）、导气管（9）组成。

3.根据权利要求2所述的智能化控制系统（1），是一种利用计算机根据传感器（7）所测得参数通过控制可控排气阀（6）、气压泵（8）对气囊（2）充气或排气的系统，其工作方式为通过调整气囊（2）的内部工质压力的方式将气囊（2）的应力进行集中和叠加，继而使气囊（2）堆叠出来的刚体结构体现出特定的力学性能。

4.根据权利要求2所述的气囊（2），其是智能化细胞式刚体结构的基本单元，每个气囊（2）都可以是不同形状不同大小不同结构，通过有限元设计，计算出气囊（2）充入高压工质后的力学特性，根据需要对气囊（2）进行充气或放气，使由气囊（2）堆叠出的刚体结构体现出特定的力学性能，在本发明中气囊（2）可以是刚性气囊，也可以是柔性气囊或是混合式气囊，气囊（2）内部需要充入高压工质，这种高压工质可以是气体、液体、固体或其他复合材料组成的高压工质。

5.根据权利要求2所述的杆件（3）、拉绳（5），其是智能化细胞式刚体结构内的补充部件，为了获得特定力学结构，利用杆件（3）、拉绳（5）可以塑造特定力学结构的气囊（2），在某些特定情况下可以用杆件（3）、拉绳（5）替代气囊与气囊之间的隔膜，将一个气囊分割为若干个气囊或是将若干个气囊组合为一个气囊，杆件（3）、拉绳（5）可以安装在气囊（2）外部也可以安装在气囊（2）内部。

6.根据权利要求2所述的压力补强结构（4），其作用是用于气囊（2）与杆件（3）、拉绳（5）交接点的应力分散装置，气囊（2）所受的应力均分到气囊壁表面，而杆件（3）、拉绳（5）与气囊（2）接触部分必然会发生应力集中，为了杜绝因应力集中作用在气囊表面某一点后造成气囊破损，压力补强结构（4）可以将杆件（3）、拉绳（5）的应力分散到更大范围的气囊表面。

7.根据权利要求2所述的可控排气阀（6），其是由智能化控制系统（1）控制下的可自行开闭的排气阀，其主要功能为连接或切断气囊（2）与气压泵（8）之间的管道，间接控制气囊（2）的充气或放气, 可控排气阀（6）可以安装在气囊（2）内部或外部，也可以安装在导气管（9）上的任何位置，可控排气阀可以是由智能化控制系统（1）控制的电磁阀门，也可以是单向阀结构。

8.根据权利要求2所述的传感器（7），其作用为一种探测装置，主要工作方式是探测气囊（2）内部的气压大小和气囊（2）形变状况以及气囊（2）当前的温度、湿度、所处角度、气囊内各种工质状态以及其对应的各种参数，并将探测到的数据传输到智能化控制系统（1）。

9.根据权利要求2所述的气压泵（8）、导气管（9），其作用为气囊（2）的充气、排气装置，在本发明中气压泵（8）可以提供充气和排气功能, 气压泵（8）、导气管（9）可以与气囊（2）整合为一体，也可以设计成活动结构并在充气完成后拆除,拆除气压泵（8）、导气管（9）后再拆除可控排气阀（6）或是将其密封，能够获得一个结构简单可靠的可以独立工作的气囊（2）结构。

10.根据权利要求4所述的刚性气囊，其特征为采用刚性材料作为气囊（2）的气囊壁，是刚性材料与气囊结构的结合体，在本发明中所谓刚性气囊是指采用屈服强度大于等于100Mpa的材料作为气囊壁制成的气囊结构，刚性材料可以采用单一材质或复合材质制成。