本發明屬于航空航天領域、新材料領域、建筑工程領域的一項交叉學科應用技術，涉及一種多氣囊充氣展開結構。具體的說是一種將若干小型氣囊排列組合后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于建筑結構和航天器結構領域。

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于航空航天，還應用于建筑（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。但當今主流的充氣管大多采用單體化結構，既整根充氣管由單一腔體結構組成。單一腔體結構雖然制造簡單，但存在著可靠性差、應力結構單一、力學特征不易調整等缺陷。因此，當今地面制造大型充氣建筑物時大多采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。

在2016年10月，我基于上述情況設計并申請了智能化細胞式充氣剛體結構(專利公開號cn106394854a)的發明專利。在對智能化細胞式充氣剛體結構的研究中我發現，充氣結構的可應用領域遠比傳統薄膜充氣管要大得多。傳統充氣結構往往采用柔性薄膜為蒙皮，內部充入空氣用以支撐充氣結構。但我在研究中發現，采用其他材料制成的充氣結構同樣可以在少量增加自重的同時，能夠獲得極大的力學性能上的提升。例如一根金屬管，其縱向抗壓強度為p。當這一金屬管縱向所受壓力大于p時金屬管就會發生彎曲、產生扭矩，最后導致破壞變形。但如果將這一金屬管密封，并在金屬管內充入輕質高壓工質（例如空氣、氦氣等氣體）。金屬管的自重并不會大幅增加，但其抗壓強度卻會大幅提升。在航空航天領域，飛行器中的每一克重量都要錙銖必較，如果采用此項技術能夠在不大幅提升飛行器內剛體結構重量的前提下大幅提高飛行器本身的抗壓強度。

參考文獻

[1]張磊.柔性膜條增強蒙皮的承力性能研究.碩士學位論文.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.[d]

[2]汪逸然.系繩增強充氣結構承載性能分析.碩士學位論文.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.[d]

[3]白玉星，王珊.索膜結構非線性有限元找形荷載全過程分析.工業建筑2008，38:455-458.[j]

[4]劉延柱.多剛體系統動力學.北京：高等教育出版社，1987[m]

[5]薛守義.彈塑性力學.中國建材工業出版社，2004.[m]

[6]杜振勇，充氣管結構的承載能力分析.碩士學位論文.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.[d]

[7]翁智遠，王遠功.彈性薄殼理論.高等教育出版社，1986.[m]

[8]于寧，充氣環結構的承載能力分析.碩士學位論文.哈爾濱工業大學,2009[d]

[9]衛劍征，空間折疊薄膜管充氣展開過程氣固耦合問題研究.博士學位論文.哈爾濱工業大學,2008[d]

[10]衛劍征，毛麗娜，杜星文，空間卷曲折疊管充氣控制展開動力學研究.工程力學,2009,26(1):227-232[j]

[11]謝雅琪，平面柔性可展結構設計及展開研究.碩士學位論文.浙江大學，2013.[d]

[12]薛龍，王中輝，周燦豐，焦向東，高壓空氣環境下tig焊接機器人關鍵技術.焊接學報,2006,27(12):17-20[j]

[13]顧正銘,平流層飛艇蒙皮材料的研究,航天返回與遙感,2007,28(1):62-66[j]

名詞解釋：

充氣：在本發明中充氣是指充入高壓工質，放氣（排氣）是指排出高壓工質。眾所周知，某些氣體在高壓情況下會產生液化現象，在本發明中此類情況會非常常見。在某些特定情況下，氣囊內的在加壓前充入的是氣體，而加壓后內部儲存的是液體。為了防止描述混亂，在本發明中充入高壓工質時無論充入的是氣體或是液體、固體（例如某種油脂）均用充氣表示，排出高壓工質均用排氣表示。輸送高壓工質的設備均用氣泵（8）表示。

氣囊：在本發明中所述氣囊是指由可以阻隔高壓工質自由流通的材料組成的密閉結構。

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堆疊成類似細胞組織結構，通過調整每個氣囊內部壓強來調整充氣剛體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征。若細胞內壓增強，則組織結構整體韌性以及抗壓強度大幅增加。

根據上述原理我設計出一種智能化細胞式充氣剛體結構。本發明由以下各部分組成，包括智能化控制系統（1）、氣囊（2）、桿件（3）、壓力補強結構（4）、拉繩（5）、可控排氣閥（6）、傳感器（7）、氣泵（8）、導氣管（9）。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態，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后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）打開其所對應的可控排氣閥（6），氣泵（8）對導氣管（9）進行加壓，【此時不需要加壓的氣囊（2）不打開其所對應的可控排氣閥（6）】。傳感器（7）實時探測氣囊（2）內的壓力，當壓力參數滿足要求時可控排氣閥（6）閉合。之后其他需要加壓的氣囊（2）對應的可控排氣閥（6）依次打開，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后高壓，但在特殊情況下可以改變加壓順序。

當氣囊（2）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征。與傳統單腔氣囊結構相比，其擁有一定的容錯性。每個氣囊相對獨立可以保證氣囊（2）內部的應力相對分散，同時因為氣囊與氣囊之間相互隔絕造成整個氣囊集合體不會因為受壓而導致氣囊內氣體集中到某一點造成壓力集中進而破壞氣囊結構的情況發生。

如圖5所示，由多氣囊組成的氣囊式立柱剛體結構外側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，外側氣囊內氣壓高于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。

如果采用更加復雜的氣囊組合方式，其能夠產生更加理想的耐壓剛體應力結構。采用此種設計時，如果某個氣囊的氣囊壁破損，只會讓相鄰的兩個氣囊融合為一個氣囊。此時氣囊壁依然能夠起到相應的力學作用，氣囊與氣囊之間會在外界氣壓下達成一個平衡，而不會像單一氣囊那樣因為氣囊內氣體泄漏導致整體氣囊結構失效坍塌。同時，如果內側氣囊內的輕質氣體散逸，則散逸出的氣體只會進入外側氣囊。就像生物組織，局部少數細胞老化破損不會使整個生物組織全面崩潰。

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）統合各類環境參數后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范圍內調整剛體結構的外形，在搭建充氣建筑時能夠微調充氣建筑的外觀結構。

智能化控制系統（1）的工作方式如下：首先，在設計之初采集不同氣囊結構所對應的在不同溫度環境下的氣壓以及其所產生的應力參數。利用有限元模擬對氣囊應力的合力進行模擬計算，并設計出不同情況下的應對程序。傳感器（7）將采集到的數據實時傳輸給智能化控制系統（1）后，智能化控制系統（1）根據程序設定發出控制指令，控制相應的設備進行工作。

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）充氣后力學特性，就可以根據需要對氣囊（2）進行充氣或放氣，使由氣囊（2）堆疊出的剛體結構能夠體現出特定的力學性能。

權利要求4所述氣囊（2）可以是柔性氣囊、剛性氣囊、混合式氣囊。在本發明中所述氣囊是指由可以阻隔高壓工質自由流通的材料組成的密閉結構。在大多數人的印象中，氣囊是由柔軟的蒙皮結構包裹壓縮氣體組成的囊體結構。但在本發明中涉及到一種由硬質外殼組成的充氣結構。從結構上分類，這種充氣的硬質外殼也屬于氣囊結構。

傳統的氣囊結構很容易理解：例如最常見的氣球，可以將其視為一個典型的氣囊結構。但如果采用硬質塑料、橡膠或是剛性金屬材料替換氣球的囊體，而其本身結構不變，他依然可以被視為一個氣囊結構。為了便于描述，我將此類氣囊稱為剛性氣囊結構。

為了便于理解，我用舉例的方式詳細描述一下剛性氣囊的特征：

例如一瓶鋁制易拉罐碳酸飲料，未開封的易拉罐實際上就是一個充入高壓工質的剛體結構。易拉罐罐體可以被視為一個剛性氣囊結構，其自身擁有一定剛度，在未充氣狀態下（開封后）能夠在一定程度上抵抗外界壓力。在對比試驗中可以看出，未開封的鋁制易拉罐能夠抵抗大于90kg的壓力，而開封以后的鋁制易拉罐只需要20kg壓力就可以壓扁。如果將易拉罐內的汽水更換為高壓氣體，密封完整的易拉罐即可同時滿足自重輕和抗壓強度高這兩大要求。

注：對比試驗過程如下。

由鋁制易拉罐碳酸飲料3瓶與市售橡膠充氣球作為實驗對象，分別標明為實驗對象a、b、c、d。其中實驗對象a為密封狀態下的易拉罐碳酸飲料，也就是市售未開封易拉罐碳酸飲料。實驗對象b為市售易拉罐碳酸飲料開封后清除內部的碳酸飲料后的空鋁制易拉罐碳酸飲料瓶。實驗對象c為同一材質的空鋁制易拉罐碳酸飲料瓶內注入壓縮空氣后密封（實驗對象c為典型剛性氣囊結構）。實驗對象d為市售橡膠充氣氣球（實驗對象d為典型傳統氣囊結構）。

對實驗對象進行稱重：實驗對象a凈重385克，實驗對象b凈重12克，實驗對象c凈重18克，實驗對象d凈重25克。

將實驗對象a、b、c、d置于實驗臺上,并分別在實驗對象上部放置砝碼作為載荷進行剛度實驗，并分別記錄實驗對象a、b、c、d在承壓狀態下的表現。

實驗對象a頂端放置60kg砝碼時，實驗對象a整體無明顯形變。

實驗對象b頂端放置20kg砝碼時，實驗對象b罐體出現坍塌變形。

實驗對象c頂端放置60kg砝碼時，實驗對象c整體無明顯形變。

實驗對象d頂端放置20kg砝碼時，實驗對象d出現明顯變形，但在撤除砝碼后迅速恢復。

從上述實驗中可以看出，剛性氣囊在等同條件下擁有自重輕、剛度大、結構簡單、成本低等優勢。可以用于包括航空航天領域在內的各種設備制造上。

其工作原理為：利用輕質高壓工質充入密閉剛性氣囊后，氣囊所受外界壓力由高壓工質部分承擔，從而提高了剛性氣囊結構抗屈服強度。同時，以剛性材料制造的囊體結構又能在所受壓力不超過屈服強度前保證剛性氣囊的結構不發生較大幅度的形變。因此，采用剛性材料制成的剛性氣囊結構能夠將現有的材料屈服強度大幅提升。

因剛性材料這一說法定義比較模糊，為了詳細定義剛性氣囊具體范圍特在此定義：采用屈服強度大于等于100mpa的材料制成的氣囊結構即為剛性氣囊結構。

混合式氣囊即為剛性氣囊與柔性氣囊的混合結構。以圖5為例，若圖5中的氣囊結構最外側采用剛性材料制成氣囊壁，內側的氣囊壁采用柔性材料，即可制成一個混合式氣囊結構。混合式氣囊結構能夠同時擁有剛性氣囊與柔性氣囊的特性，在特定環境下能夠達成更好的力學效果。

上述設計的主要目的為提高充氣結構的抗壓強度，基于結構力學，通過有限元分析可以計算出剛性氣囊內高壓工質、氣囊壁厚度、氣囊結構、氣囊抗壓強度與氣囊自重之間的最佳比例關系。基于上述數據，剛性氣囊能夠以現有材料為基礎，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強度。

本發明所述剛性氣囊的制造材料可以是一種或多種。利用單一材料制成的剛性氣囊結構簡單，利用復合材料制成的剛性氣囊結構能夠獲得更加理想的力學性能。

同時，為了阻止高壓工質散逸泄漏，剛性氣囊內可以采用獨立內膽結構或是鍍膜結構。

所謂獨立內膽結構是指在剛性氣囊內部設立獨立的內膽結構，利用內膽阻止高壓工質（輕質氣體、液體或固體）散逸泄漏。獨立內膽可以是單一內膽，也可以是由若干個氣囊組成的內膽結構（如圖5）。

所謂鍍膜結構是指利用高分子材料在剛性氣囊內壁建立鍍膜或涂層，從而達到阻止高壓工質（輕質氣體、液體或固體）散逸泄漏的目的。（相關解決方案可以參考諸如[文獻13]中所述平流層飛艇的蒙皮結構以及相關技術。因此類技術屬于現有成熟技術，在此不作贅述）。

為了能夠在大幅提高氣囊抗壓強度的同時，又盡量減輕氣囊結構的自重，可以采用諸如氫氣、氦氣等輕質氣體作為高壓工質。在常溫常壓下，氫氣、氦氣等輕質氣體體會自由逸散，無法用其制成剛體材料作為支撐結構。但如果將這些輕質氣體加壓后充入氣囊，則可以獲得一種輕質充氣式剛體材料。傳統柔性氣囊制成的充氣結構存在著氣囊表面局部受壓較大時容易變形的缺陷，如果采用由柔性氣囊與剛性氣囊混合組成的混合式氣囊結構或單一的剛性氣囊結構作為剛體，既可以滿足氣囊結構輕質化的要求，又能制成比傳統充氣展開結構在力學上更加理想的剛體結構。

在本發明中，氣囊內充入的高壓工質并不一定是氣體，也可以是液體或固體，為了便于描述在文中均用充氣來表示充入高壓工質。其主要作用為通過充入高壓工質的方式為氣囊結構提供一定的內應力。在充入高壓工質后，氣囊的表現為抗壓強度大幅增加。傳統充氣式剛體結構最大的問題就是充氣剛體內高壓工質泄漏，一旦高壓工質泄漏就會造成充氣式剛體結構力學性能下降，甚至受壓損毀。為了解決上述問題，我采用復合材料作為高壓工質（采用復合材料，但不僅限于采用復合材料）。廣義上的復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。在本發明中，所謂利用復合材料作為高壓工質是指利用兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法生成的可壓縮高分子化合物。

上述可壓縮高分子化合物并非現有產品而是發明人自行調配的一種混合物。即以市售產品“自動補胎膠”混合“發泡劑”組成的一種混合液體。這種混合物自重較輕，一旦充氣剛體發生泄漏，“發泡劑”就會自發膨脹，推動“自動補胎膠”涂覆于充氣剛體內部的泄漏點，阻止充氣剛體結構繼續失壓。因“自動補胎膠”與“發泡劑”的配方多種多樣，而且還有固體泡沫結構等其他方案可以滿足上述要求，無論從構成原理、構成材料種類、制造成本、機械性能還是耐受溫度以及分子結構穩定性和加工難度都有所不同。所以，在本發明中以可壓縮高分子化合物代指能達到相似性能的全部材料。同時，某些配方組成的可壓縮高分子化合物還具有阻燃、隔熱、防輻射等特殊功能。利用上述可壓縮高分子化合物能夠為本發明提供更廣闊的應用前景。

權利要求5所述桿件（3）、拉繩（5）是智能化細胞式剛體結構的補充部件。很多時候單純使用氣囊組成的剛體結構并不是最理想的結構，作為對充氣式剛體結構的補充，桿件（3）、拉繩（5）能夠對氣囊強度起到極大的補充。據文獻[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。而桿件（3）的應力作用在大多數充氣建筑結構中都有所表現，這里不予贅述。在某些特定情況下可以用桿件（3）、拉繩（5）替代氣囊與氣囊之間的隔膜，能夠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系緊，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）是用于氣囊（2）與桿件（3）、拉繩（5）交接點的應力分散裝置。氣囊（2）充氣后，氣體的壓力會均分到氣囊表面，而桿件（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后造成氣囊破損，壓力補強結構（4）能夠將桿件（3）、拉繩（5）的應力分散到更大范圍的氣囊表面。

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，可以選用電磁閥門結構。如果充氣剛體結構為短期臨時使用可以采用普通單向閥結構。電磁閥門結構的好處在于可控，可長期工作。普通單向閥可以適用臨時充氣剛體結構，成本低操作簡單。利用普通單向閥充氣后能夠獲得一個擁有足夠大應力的剛體結構，在充氣后撤除導氣管（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筑。在本發明中，可控排氣閥（6）雖然名為排氣閥，但也可以根據需要傳輸其他高壓工質。

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、氣囊（2）的形變狀況、氣囊（2）當前的溫度、濕度、以及氣囊（2）內部各種高壓工質的狀態，并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，不同的氣囊內有可能會需要充入不同壓力的不同工質。同時，導氣管（9）的長度、氣囊（2）當前的溫度、充入工質的種類也會影響充入工質的工作效率。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）內的各種參數進行探測。將探測到的數值傳輸至智能化控制系統（1）后根據實際情況對氣囊（2）進行調整，從而獲得理想的力學效果。

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并在充氣完成后拆除。氣壓泵（8）、導氣管（9）與氣囊（2）整合為一體的情況適用于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）之間采用活動結構的設計適用于臨時充氣建筑或其他一次性充氣剛體結構。當需要架設臨時充氣建筑時，將氣壓泵（8）、導氣管（9）與氣囊（2）相連并依次充氣。充氣完成后拆除氣壓泵（8）、導氣管（9），留下氣囊（2）組成的剛體結構支撐充氣建筑結構穩定性。這種方式成本低，架設簡單。在某些情況下可以僅拆除氣壓泵（8），一切以施工便捷為主。

權利要求10所述剛性氣囊，其特征為采用剛性材料作為氣囊（2）的氣囊壁，是剛性材料與氣囊結構的結合體。對于剛性氣囊結構在前文中曾詳細描述。

在實際應用中，成本和可靠性之間經常相互沖突。為了在兩者之間獲得一個平衡，同一技術能夠因其工作性質選擇不同的權重搭配。在本段著重敘述由獨立單一剛性氣囊構成單一剛體結構的技術解決方案。通過查詢文獻，發明人發現當今學術領域內對于剛性氣囊的認知還停留在利用剛性外殼保護氣囊蒙皮的概念下（例如齊柏林硬式飛艇、剛性充氣船等）。發明人在查詢多個資料庫后并未發現有關于剛性氣囊結構的力學性能的研究目。為此，發明人基于本發明設計出一種利用剛性氣囊結構制造輕質剛體結構的方法。

以最簡單的單體立柱結構為例：在日常生活中，單體立柱支撐結構可以說是最常見的剛體結構之一。路邊常見的金屬電線桿、廣告牌支架、路燈桿、涼亭立柱、腳手架等都是由單體立柱組成。作為應用最廣泛的單體立柱，其結構非常簡單。大多數單體立柱都是以圓柱形空心結構組成，外殼材質多采用金屬。在航空航天領域，單體立柱支撐結構的應用也非常廣泛。無論是飛機機艙內的支撐桿還是飛艇內的空間支架，在飛行器結構各領域內均可見到單體立柱的身影。傳統情況下，如果需要提高單體立柱支撐結構的強度，往往需要對立柱結構的材料進行加厚處理。這導致在獲得足夠強度的同時也逐漸增加了飛行器的自重。如果將本發明所述充氣式剛性氣囊結構制成立柱并替換傳統立柱，在不降低飛行器對強度要求的前提下，不但能夠從成本上降低單體立柱的造價，還能進一步降低飛行器的自重。

除了飛行器領域，在其他領域內單體剛性氣囊結構依然有非常巨大的應用前景。例如最簡單的梯子，梯子多由兩根立柱以及若干橫梁組成。如果將梯子的立柱與橫梁改造為剛性氣囊結構，那么在等同重量的前提下這種新型梯子載荷更大。

從上述技術解決方案中可以看出，剛性氣囊結構的應用領域極其廣泛。根據權利要求4與權力要求9所述，首先制作一個單一剛性氣囊結構，然后在其內部充入高壓工質。在充入高壓工質后拆除氣壓泵（8）、導氣管（9）后可以得到一個自重輕，抗壓強度大的單一剛性氣囊結構。此時可以選擇保留或拆除可控排氣閥（6）。如果保留可控排氣閥（6），在未來可以選擇再次安裝氣壓泵（8）、導氣管（9），用以調整或是回收氣囊（2）。如果選擇拆除可控排氣閥（6），可以將氣囊（2）完全密封。

根據上述兩種情況舉例：

首先是剛性氣囊結構保留可控排氣閥（6）的例子：采用剛性氣囊建造臨時大型會場主支撐梁（如圖4所示）。

建成后的支撐梁內部由若干氣囊組成，外部為剛性材料制造的蒙皮結構，其整體結構類似生物骨骼。每個氣囊就相當于一個骨骼細胞結構，外壁采用剛性材料能夠有效抵抗環境壓力。剛性氣囊在建成后內部高壓工質有可能會逐漸散佚，為了保證主支撐梁的剛度，可定期檢測剛性氣囊內部的高壓工質的工作壓力。當發現剛性氣囊內的高壓工質工作壓力過低時，重新連接氣壓泵（8）、導氣管（9）對其內部進行加壓。細胞結構的優勢在于一定范圍內大多數細胞各自分擔一部分應力，因此在一定范圍內，某一個或幾個氣囊出現氣壓較低的情況也不會直接影響整個剛體結構的力學強度。當氣囊（2）內的高壓工質內部壓力恢復至設計要求后拆除氣壓泵（8）、導氣管（9），完成本次檢修。

其次是剛性氣囊結構拆除可控排氣閥（6）的例子：采用剛性氣囊制造自行車車架。

利用鋁合金制造自行車車架由來已久，但對于自行車愛好者來說更輕、更強、更舒適的自行車車架依然是永恒的追求。采用剛性氣囊結構制成的自行車車架可以采用永久性密封的方式。首先，利用鋁合金管制成一個密封的自行車車架。此時，密封的自行車車架可以視為由若干個剛性氣囊結構組成的剛體結構。首先，由氣壓泵（8）、導氣管（9）對鋁合金管制成的自行車車架進行充氣加壓。在充氣完成后拆除氣壓泵（8）和導氣管（9）。之后，利用焊接技術將可控排氣閥（6）融化密封，從而徹底密封自行車車架，防止內部的高壓工質逃逸。或是在設計之初，將可控排氣閥（6）與導氣管（9）設計為一體結構，在可控排氣閥（6）靠近氣囊一側（氣囊壁）加裝單向閥。在充氣加壓之后拆除可控排氣閥（6），由單向閥阻止自行車車架內的高壓工質逃逸。之后利用焊接技術將單向閥融化密封，從而徹底密封自行車車架。

由上述例子可以看出，剛性氣囊具有應用范圍廣，制造簡單，成本低，強度高，易于實施等特性。在未來的大多數行業中剛性氣囊都可以占有一席之地。

在剛性氣囊的充氣過程中，導氣管（9）可以是傳統意義上的導氣管結構，也可以對其進行變形處理，將導氣管擴大成高壓艙，將剛獨立的性氣囊結構放置于高壓艙內部后為整個高壓艙進行加壓，從而可以批量化的對若干個獨立剛性氣囊進行充氣操作，可以利用高壓艙環境通過工業機器人直接生產無縫輕質耐壓剛體結構。專門設計的工業機器人擁有在高壓環境下進行工作的能力[文獻12]，如果在高壓環境中由機器人直接對剛性氣囊進行密封焊接，能大幅提高剛性氣囊的耐壓強度和結構穩定性與易用性。在高壓環境中生產的剛性氣囊可以僅保留氣囊壁結構。這種剛性氣囊結構自重輕，力學特征穩定。可以作為獨立零部件通過組裝的方式與其他零部件組成各種設備。

在本發明中，密封剛性氣囊結構可以采用剛性密封或彈性密封技術進行密封。或是利用絲扣、卡槽等結構進行固定，在固定后利用焊接技術將接縫處焊接或使用膠類粘結，從而增強其連接強度，并盡可能杜絕高壓工質散逸。同時，氣囊可以是單層結構，也可以由多層復合結構組成。多層復合結構可以由隔絕層，防腐層，應力層等多層組成。在平流層飛艇研究領域，飛艇蒙皮結構是一個重要分類。從[文獻13]中可以看出，當今本領域內的從業人員對氣囊蒙皮的應用完全可以滿足本發明所需的基本要求。雖然[文獻13]中描述的是平流層飛艇的蒙皮結構，但相應的技術依然可以應用在其他領域。

附圖說明

附圖中對應的數字：智能化控制系統（1）、氣囊（2）、桿件（3）、壓力補強結構（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，相互之間由薄膜或其他剛性材料相連。當部分氣囊內充入高壓氣體后其他氣囊就會產生一定范圍的形變。氣囊的形變會使每個氣囊的內力相互影響，從而產生比較復雜的內力體系。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。

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為多氣囊充氣后內部應力互相作用示意圖，外側氣囊壓力作用于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。在制造領域，利用智能化細胞式充氣剛體結構能制成輕質支撐梁可以替代傳統支撐結構。本發明具有及其巨大的應用前景，在各領域均能發揮巨大的作用。

例如制造一張承重臺，承重臺有四個支腳，支腳采用空心圓柱結構，材質為hrb400標準鋼管。如果想要提高承重臺最大載重，采用傳統設計為了滿足設計要求必然采用增加支腳數量、擴大支腳直徑以及增加鋼管壁厚等技術方案。而采用上述方案必然造成承重臺自重大幅增加。但如果將承重臺支腳改為充氣式剛體結構，將承重臺原有支腳所用標準鋼管上下兩端密封，并在鋼管內部充入高壓工質，鋼管抗壓強度大幅提升而自重卻只有少量提升，如此即可在現有條件下滿足新的設計要求。

例如制造一個網格穹頂結構的建筑物（類似鳥巢體育館結構）。這種建筑物除了需要抵抗自重造成的壓強外，還需要在遇到極端天氣時抵抗外界環境造成的各種壓力。在專業建筑類文獻中，對這一結構的抗屈服強度設計均有描述。利用智能化細胞式充氣剛體結構，可以在不大幅增加剛體結構自重的前提下大幅提高剛體結構抗屈服強度。這意味著能夠用更少的材料制成更大的建筑空間。因具體應用數據要依照具體情況設計，在此只能大致描述。

以汽車制造業為例，汽車車身框架結構占整車重量比例的50%-70%。當今主流汽車車身采用鋁合金、合金鋼等材料。如果改用剛性氣囊結構制造汽車車身框架結構，一方面能夠在等同強度的前提下大幅減輕汽車車身框架結構的自重。另一方面，剛性氣囊在抗沖擊的表現中與吸能盒結構類似。由剛性氣囊組成的框架結構等同于由若干吸能盒組成車體框架。這會進一步提升汽車的安全性。

因本發明的應用領域及其廣泛，在當今人類各領域均有其應用的一席之地。所以在此處只能簡略的介紹其的應用范圍。小到桌椅板凳自行車，大到飛機輪船摩天大樓，智能化細胞式充氣剛體結構和剛性氣囊結構均能能夠給現有領域帶來一定的提升。