智能化細胞式充氣剛體結構的製作方法

2023-06-12 12:46:16 2

本發明屬於航空航天技術領域，涉及一種多氣囊多腔體充氣展開結構。具體的說是一種將若干小型氣囊排列組合後組成一個輕質耐壓剛體結構的方法。

背景技術：

充氣管也稱輕質加壓管、薄膜管、太空管、氣肋、充氣梁、充氣膜結構、充氣展開結構等。如今充氣材料廣泛應用於建築結構和太空飛行器結構領域。

充氣管（空間充氣展開結構）具有體積小、重量輕、可靠性高、造價低等突出優點，近年來隨著以充氣管作為承力框架的大型空間天線、太陽帆等航空設備出現，充氣展開結構受到越來越多的重視。

空間充氣展開結構不僅應用於航空航天，還應用於建築（如充氣房屋、帳篷、橋梁、水壩等）、廣告（如展示巨型條幅的充氣結構）、藝術、軍事（如果充氣裝甲車、充氣雷達穹頂遮罩）等。但當今採用的充氣管大多採用單體化結構，既整根充氣管由單一腔體結構組成。單一腔體結構雖然製造簡單，但存在著可靠性差、應力結構單一、力學特徵不易調整等缺陷。因此，當今地面製造大型充氣建築物時大多採用鋼梁作為支撐裝置，將充氣結構固定在鋼梁上，從而獲得剛性支撐。

參考文獻：

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技術實現要素：

本發明公開了一種智能化細胞式充氣剛體結構，具體的說是一種利用多氣囊組成類似細胞組織結構，通過調整每個氣囊內部氣體壓強來調整充氣結構應力特性的技術。

當今充氣展開結構的發展如火如荼，本發明以仿生方式參考生物細胞結構設計出一種智能化可控充氣展開結構。眾所周知，生物體內部組織由若干細胞組成。細胞外部由細胞壁包裹，內部則是由細胞液和細胞核組成。其中起到應力作用的主要有細胞壁和細胞液兩部分。若是細胞液部分缺失，則組織整體結構表現出柔軟特徵。若細胞內壓增強，則組織結構整體韌性以及強度大幅增加。

根據上述原理我設計出一種智能化細胞式充氣結構。本發明由以下各部分組成，包括智能化控制系統1、氣囊2、杆件3、壓力補強片4、拉繩5、可控排氣閥6、傳感器7、氣泵8、導氣管9組成。智能化控制系統1通過有線或無線裝置控制可控排氣閥6的開閉，氣泵8通過導管9對氣囊2進行加壓或放氣。每個氣囊2通過動態有限元計算出其在不同壓強下的內力參數，在智能化控制系統1的控制下為整個氣囊集合體提供結構強度或所需應力。其中氣囊2的結構可以是球形、柱形、拱形、環形、三角形或其他不規則形體，根據不同環境下的需求可以設計出不同形態結構，這些特殊結構在充氣後能夠提供不同應力效果（圖1）。

其工作流程如下：

首先，智能化控制系統1控制需要加壓的氣囊2打開可控排氣閥6，氣泵8對導氣管9進行加壓，（此時不需要加壓的氣囊2不打開可控排氣閥6）。傳感器7實時探測氣囊2內的氣壓，當壓力參數滿足要求時可控排氣閥6閉合。之後其他需要加壓的氣囊2對應的可控排氣閥6打開，繼續進行加壓。利用這種分時加壓方式能夠滿足多個氣囊2的不同壓力需求。其中加壓順序應該為先低壓後高壓。

當需要排氣時氣泵8反向工作，導氣管9內呈負壓。可控排氣閥6打開即可完成氣囊2的排氣工作。

如圖2、圖3、圖4所示，由多氣囊結構組成的氣囊式立柱剛體結構擁有更穩定的剛體特徵。與傳統單腔氣囊結構相比，其擁有一定的容錯性，並且在受壓過程中避免出現因氣囊壁皺褶造成壓力集中在氣囊壁某一點的情況。

如圖5所示，由多氣囊組成的氣囊式立柱剛體結構外層氣囊的壓力會與內側氣囊相互作用，側邊壓力導致中央氣囊柱獲得更大的縱向應力。例如圖5外側氣囊加壓1500帕，內側氣囊加壓1000帕，外側氣囊內氣壓高於內側氣囊導致內側氣囊氣壓產生的應力集中到縱向軸。這種情況下氣囊作為支撐桁架能夠承受更大的縱向壓力。

如果採用更加複雜的氣囊組合方式，其能夠產生更加理想的耐壓剛體應力結構。同時如果某個氣囊發生洩漏只會造成相鄰的氣囊之間氣壓達成一個平衡，而不會像單一氣囊那樣因為氣囊內氣體洩漏導致氣囊失效。

權利要求3所述智能化控制系統1是智能化細胞式剛體結構的大腦，利用智能化控制系統1統合各類環境參數後可以自動控制各氣囊之間的壓力平衡。利用不同氣囊之間的壓力差能夠讓整個充氣剛體結構獲得更理想的力學性能。同時，利用調節不同氣囊的壓力能夠在一定範圍內調整剛體結構的外形。

權利要求4所述氣囊2是智能化細胞式剛體結構的基本單元，每個氣囊2都可以是不同形狀不同大小不同結構。例如由若干個三角形組成的氣囊擁有更穩固的力學性能，若干個六邊形結構的氣囊組成的剛體結構使用材料最省，若干個拱形結構組成的球形氣囊耐壓強度更高，若干個柱形結構組成的氣囊能夠抵抗更多縱向壓力。只要通過有限元設計計算出氣囊2充氣後力學特性，就可以根據需要對氣囊2進行充氣或放氣，使由氣囊2組成的剛體結構能夠體現出特定的力學性能。

權利要求5所述杆件3、拉繩5是智能化細胞式剛體結構內的補充部件。很多時候單純使用氣囊組成的剛體結構並不是最理想的結構，作為對充氣式剛體結構的補充，杆件3、拉繩5能夠對氣囊強度起到極大的補充。據文獻所述[1、2]所述，拉繩5在充氣結構中起到極為重要的作用，能夠對整個充氣結構的力學性能起到極大改變。而杆件的應力作用在大多數充氣建築結構中都有所表現，這裡不予贅述。在某些特定情況下可以用杆件3、拉繩5替代氣囊與氣囊之間的隔膜，將一個氣囊變為若干個氣囊。例如一個充氣管，利用拉繩在充氣管中部繫緊，此時一個氣囊就會被分割為兩個氣囊。在特定情況下可以用拉繩替代氣囊與氣囊之間的隔膜，用單一氣囊起到細胞式充氣剛體的部分功效。

權利要求6所述壓力補強結構4是用於氣囊2與杆件3、拉繩5交接點的應力分散裝置。氣囊2充氣後，氣體的壓力會均分到氣囊表面，而杆件3、拉繩5與氣囊2接觸部分必然會發生應力集中。為了杜絕應力集中作用在氣囊表面某一點後造成氣囊破損，壓力補強結構4可以將杆件3、拉繩5的應力分散到更大範圍的氣囊表面。

權利要求7所述可控排氣閥6是由智能化控制系統1控制下的可自行開閉的排氣閥。其主要功能為連接或切斷氣囊2與氣壓泵8之間的管道，間接控制氣囊2的充氣或放氣。 可控排氣閥6可以安裝在氣囊2內部或外部，也可以安裝在導氣管9上的任何位置。可控排氣閥可以為電磁閥門，也可以為普通氣門嘴。如果充氣剛體結構為長期用途，可以選用電磁充氣閥。如果充氣剛體結構為短期臨時使用可以採用普通氣門嘴進行充氣。電磁充氣閥的好處在於可控，可長期工作。普通氣門嘴可以適用臨時充氣剛體結構，成本低操作簡單。利用普通氣門嘴充氣後能夠獲得一個擁有足夠大應力的剛體結構，在充氣後撤除導氣管9和氣壓泵8，氣囊2依然可以工作一段時間。這種方式靈活性更高成本更低，更適宜建造臨時性充氣建築。

權利要求8所述傳感器7是一種探測裝置，其主要作用是探測氣囊2內部的氣壓大小和氣囊2形變狀況，並將探測到的數據傳輸到智能化控制系統1。為了獲得理想的力學性能，不同的氣囊2內有可能會需要充入不同壓力的氣體。同時，導氣管9的長度也會影響充氣效率。因此，在一些需要精確計算應力的場合就需要傳感器7對氣囊2內的氣壓和形變狀況進行探測。將探測到的數值傳輸至智能化控制系統1後根據實際情況對氣囊2的氣壓進行調整，從而獲得理想的力學效應。

權利要求9所述氣壓泵8、導氣管9是氣囊2的充氣裝置，其中氣壓泵8可以提供充氣和放氣功能。氣壓泵8、導氣管9可以與氣囊2整合為一體，也可以設計成活動結構並在充氣完成後拆除。氣壓泵8、導氣管9與氣囊2整合為一體的情況適用於長期工作的充氣剛體結構，此類結構可以利用智能化控制系統1進行控制。氣壓泵8、導氣管9與氣囊2之間採用活動結構的設計適用於臨時充氣建築。當需要架設這種臨時充氣建築時，將氣壓泵8、導氣管9與氣囊2相連並依次充氣。充氣完成後拆除氣壓泵8、導氣管9，留下氣囊2組成的剛體結構支撐充氣建築結構穩定性。這種方式成本低，架設簡單。

權利要求10所述充氣式剛體結構可以通過改變氣囊2內部的氣壓的方式調整剛體結構的力學性能，在改變剛體結構的力學性能同時也可以改變剛體結構的外形。以圖5為例，如果充氣過程中左側氣囊內部氣壓為500帕，中央氣囊氣壓為1000帕，右側氣囊氣壓為1500帕，則整個氣囊柱會向左側彎曲，形成拱形結構。如果將左側氣囊內的氣壓調整為1500帕，而右側氣囊內的氣壓調整為500帕，則整個氣囊柱會向右側彎曲。以這種方法能夠根據需要調整剛體結構的應力及外形。

附圖說明：

附圖中對應的數字：智能化控制系統1、氣囊2、杆件3、壓力補強片4、拉繩5、可控排氣閥6、傳感器7、氣泵8、導氣管9。

圖1為智能化細胞式充氣剛體結構示意圖。每個氣囊相對獨立，相互之間由薄膜相連。當部分氣囊內充入高壓氣體後其他氣囊就會產生一定範圍的形變。氣囊的形變會使每個氣囊的內力相互影響，從而產生比較複雜的內力體系。最終效果為體現出特殊的力學性能。

圖2為氣囊式立柱剛體結構的俯視刨面圖。圖中最外層氣囊所受應力導致氣囊壁完全展開，而內部氣囊之間相互擠壓導致氣囊壓力集中到軸向。

圖3為氣囊式立柱剛體結構的側視刨面圖。不同氣囊內部氣壓不同導致氣囊應力效果不同。此種氣囊排列方式只是智能化細胞式充氣剛體結構的其中一種，實際上根據不同情況可以設計出不同排列方式的充氣剛體結構。

圖4為氣囊式拱形剛體結構側視刨面圖。多氣囊結構造成的應力效果比單一氣囊結構更理想。

圖5為多氣囊充氣後內部應力互相作用示意圖，外側氣囊壓力作用於內側氣囊側邊導致內側氣囊獲得更大縱向應力。

具體實施方式：

本發明為特殊用途的輕質剛體結構。在航空航天領域，利用智能化細胞式充氣剛體結構能製成輕質支撐梁可以替代傳統永固式支撐結構。因其自重遠低於傳統剛體支撐結構，能夠適用於與真空飛艇有關的相關情況。長效真空艙（ZL 2015108178609）結構中，用本發明製成充氣桁架能夠有效降低真空艙的自重，有助於真空衛星獲得更大載重。充氣式剛體結構能夠替代部分飛行器內部的剛體結構，降低飛行器自重，帶來巨大的經濟效益。

方案2：

利用本發明原理可以製成短期用廉價版輕質剛體結構。以多氣囊組成的剛體為桁架製成充氣式帳篷能夠獲得更大的結構強度，可以適應更惡劣的環境，能夠建造出跨度更大的球頂結構。