智能化细胞式充气刚体结构的制作方法

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种多气囊多腔体充气展开结构。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。

充气管（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。但当今采用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。

参考文献：

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技术实现要素：

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组成类似细胞组织结构，通过调整每个气囊内部气体压强来调整充气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、压力补强片4、拉绳5、可控排气阀6、传感器7、气泵8、导气管9组成。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或所需应力。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体，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不打开可控排气阀6）。传感器7实时探测气囊2内的气压，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。

当需要排气时气泵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，并且在受压过程中避免出现因气囊壁皱褶造成压力集中在气囊壁某一点的情况。

如图5所示，由多气囊组成的气囊式立柱刚体结构外层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。同时如果某个气囊发生泄漏只会造成相邻的气囊之间气压达成一个平衡，而不会像单一气囊那样因为气囊内气体泄漏导致气囊失效。

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。

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组成的刚体结构能够体现出特定的力学性能。

权利要求5所述杆件3、拉绳5是智能化细胞式刚体结构内的补充部件。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。据文献所述[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，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可以将杆件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，可以选用电磁充气阀。如果充气刚体结构为短期临时使用可以采用普通气门嘴进行充气。电磁充气阀的好处在于可控，可长期工作。普通气门嘴可以适用临时充气刚体结构，成本低操作简单。利用普通气门嘴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。

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内部的气压大小和气囊2形变状况，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2内有可能会需要充入不同压力的气体。同时，导气管9的长度也会影响充气效率。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内的气压和形变状况进行探测。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的气压进行调整，从而获得理想的力学效应。

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。当需要架设这种临时充气建筑时，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。

权利要求10所述充气式刚体结构可以通过改变气囊2内部的气压的方式调整刚体结构的力学性能，在改变刚体结构的力学性能同时也可以改变刚体结构的外形。以图5为例，如果充气过程中左侧气囊内部气压为500帕，中央气囊气压为1000帕，右侧气囊气压为1500帕，则整个气囊柱会向左侧弯曲，形成拱形结构。如果将左侧气囊内的气压调整为1500帕，而右侧气囊内的气压调整为500帕，则整个气囊柱会向右侧弯曲。以这种方法能够根据需要调整刚体结构的应力及外形。

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、压力补强片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。此种气囊排列方式只是智能化细胞式充气刚体结构的其中一种，实际上根据不同情况可以设计出不同排列方式的充气刚体结构。

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。在航空航天领域，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永固式支撑结构。因其自重远低于传统刚体支撑结构，能够适用于与真空飞艇有关的相关情况。长效真空舱（ZL 2015108178609）结构中，用本发明制成充气桁架能够有效降低真空舱的自重，有助于真空卫星获得更大载重。充气式刚体结构能够替代部分飞行器内部的刚体结构，降低飞行器自重，带来巨大的经济效益。

方案2：

利用本发明原理可以制成短期用廉价版轻质刚体结构。以多气囊组成的刚体为桁架制成充气式帐篷能够获得更大的结构强度，可以适应更恶劣的环境，能够建造出跨度更大的球顶结构。