CN112013069B - 可膨胀结构构件 - Google Patents

Abstract

一种结构构件，包括可膨胀的囊状件。该结构构件可以包括围绕囊状件的外表面设置的织物外壳，或附接至囊状件的内表面的间隔元件。织物外壳或间隔元件约束了囊状件的形状，以使囊状件成形为所需的形状并增加囊状件的承载能力。

Description

可膨胀结构构件

技术领域

本公开总体上涉及一种可膨胀结构构件。

背景技术

结构构件用于承载或传递载荷。可膨胀结构构件包括作为主要承载构件的可膨胀囊状件。囊状件充满加压的流体，其在囊状件壁上产生向外的压力，这可以支撑载荷。然而，如果载荷施加在囊状件的较小区域上，则囊状件可能在载荷下变形。为了增加囊状件的承载能力，可以使用织物外壳来包封该囊状件。该织物外壳提供抵抗膨胀的力，使得囊状件在载荷下不会变形太多并且/或者可以承受更大的载荷。

发明内容

提供了一种结构构件。该结构构件包括囊状件和间隔元件。囊状件具有形成压力室的壁。壁包括面向压力室的内表面以及与内表面相对设置的外表面。间隔元件设置在压力室内，并且附接至囊壁的内表面。间隔元件可操作用于响应于压力室内大于大气压的内部流体压力来约束囊状件的膨胀。

在本公开的一个方面，流体，例如但不限于空气，设置在压力室内。流体将大于大气压的压力施加到压力室壁的内表面上。

在本公开的一个方面，壁包括第一壁部和第二壁部。第一壁部与第二壁部相对设置，压力室设置在第一壁部与第二壁部之间。间隔元件包括附接至第一壁部的第一层，以及附接至第二壁部的第二层。间隔元件还包括间隔丝，间隔丝在间隔元件的第一层与第二层之间延伸并互连第一层与第二层。

在本公开的一个方面中，囊状件的壁是柔性的，使得壁响应于压力室内的内部流体压力而发生的向外膨胀张紧间隔丝，以增加囊状件的承载能力。

在本公开的一个方面，间隔元件包括第一区域和第二区域。第一区域将囊状件约束为第一形状，第二区域将囊状件约束为与第一形状不同的第二形状。在本发明的另一方面，第一区域提供抵抗壁膨胀的第一约束力，第二区域提供抵抗壁膨胀的第二约束力，第一约束力不同于第二约束力。

在本公开的一个方面，间隔元件是织物材料，包括编织结构或针织结构中的至少一种。在本发明的另一方面，第一区域与第二区域的在针步类型、针步图案、针头尺寸、纱线类型、纱线旦尼尔数、纤维类型、纤维尺寸、针步密度、经纱图案、纬纱图案或编织类型中的一者不同。

还提供了另一结构构件。该结构构件包括囊状件和织物外壳。囊状件具有形成压力室的壁。壁包括面向压力室的内表面和与内表面相对设置的外表面。织物外壳邻近囊状件的外表面设置。织物外壳包括第一区域和第二区域。织物外壳的第一区域响应于来自囊状件的预定向外的压力而向囊状件提供第一约束力。织物外壳的第二区域响应于来自囊状件的预定向外的压力而向囊状件提供第二约束力。囊状件的壁包括运动控制特征。第一约束力和第二约束力与运动控制特征相结合，使得织物外壳和囊状件响应于来自囊状件的预定向外的压力而呈现出预定形状。

在本公开的一个方面，流体，例如但不限于空气，设置在压力室内。流体在囊壁上施加大于大气压的流体压力，以产生预定向外的压力。

在本公开的一个方面，织物外壳是织物材料，包括编织结构或针织结构中的至少一种。在本发明的另一方面，织物外壳的第一区域和第二区域的针步类型、针步图案、针头尺寸、纱线类型、纱线旦尼尔数、纤维类型、纤维尺寸、针步密度、经纱图案、纬纱图案或编织类型中的一者不同。

在本公开的一个方面，运动控制特征包括壁的不同厚度、壁中不同纤维增强的密度，或螺旋缠绕在囊状件壁周围的增强纤维的限定螺旋角中的一者。

在本公开的一个方面，运动控制特征包括壁，该壁具有表现出第一物理特征的第一区域和表现出第二物理特征的第二区域。

在一个实施方案中，第一区域的第一物理特征包括提供第一弯曲强度的第一壁厚，第二区域的第二物理特征包括提供第二弯曲强度的第二壁厚。第一壁厚和第一弯曲强度不同于第二壁厚和第二弯曲强度。

在本公开的一个实施方案中，壁包括螺旋缠绕在囊状件壁上的增强纤维。增强纤维限定了螺旋角，第一区域中的螺旋角不同于第二区域中的螺旋角。

在本发明的另一实施方案中，囊状件的壁是具有纤维密度的纤维增强材料，第一区域中的纤维密度不同于第二区域中的纤维密度。

因此，该结构构件的织物，不论间隔元件或织物外壳，约束了囊状件。该织物的特征可以变化以控制囊状件的形状。因此，通过改变织物中的针步类型、针步图案、针头尺寸、纱线类型、纱线旦尼尔数、纤维类型、纤维尺寸、针步密度、经纱图案、纬纱图案或编织类型，可以使囊状件轮廓化以提供所需的形状，并增加结构构件的承载能力。在一些实施方案中，囊状件的壁可以包括运动控制特征，以响应压力腔内的流体压力进一步控制囊状件的形状。

从以下结合附图进行本教导的最佳模式的详细描述中，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是第一实施方案的结构构件的示意性剖视图。

图2是处于放气状态的第二实施方案的结构构件的示意性立体图。

图3是第二实施方案的结构构件与纵向中心线平行且处于放气状态的示意性剖视图。

图4是第二实施方案的结构构件的囊状件处于放气状态的示意性立体图。

图5是第二实施方案的结构构件处于膨胀状态的示意性立体图。

图6是第二实施方案的结构构件垂直于纵向中心线的示意性剖视图。

具体实施方式

本领域普通技术人员将认识到，诸如“上”，“下”，“向上”，“向下”，“顶部”，“底部”等术语被描述性地用于附图，且不表示对由所附权利要求限定的本公开范围的限制。此外，本文可以在功能块组件和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤方面描述了本教导。应该认识到，这样的块组件可以包括构造为执行指定功能的多个硬件、软件和/或固件组件。

参见附图，其中相同的附图标记在若干视图中均表示相同的部件，结构构件的第一实施方案总体上在图1中以20A示出。参见图1，结构构件20A包括囊状件22和间隔元件24。囊状件22包括形成压力室28的壁26。壁26包括面向压力室28的内表面30和相对的外表面32。壁26包括第一壁部34和第二壁部36。第一壁部34可以被认为是壁26的上部，如图 1的页面上看到的，第二壁部36可以被认为是壁26的下部，如图1的页面上看到的。囊状件22还可以包括一个或多个侧壁部38，如图1的页面上看到的。侧壁部38在第一壁部34 与第二壁部36之间延伸并连接第一壁部34与第二壁部36，以形成封闭的压力室28。第一壁部34和第二壁部36彼此相对设置，其中，压力室28设置在第一壁部34与第二壁部36之间。

囊状件22的壁26由柔性材料制成。当在本文中使用时，术语“柔性材料”定义为能够弯曲和/或拉伸但没有永久变形且不破裂的材料。例如，囊状件22的壁26可以由硅树脂、聚氨酯、天然橡胶(胶乳)、其他弹性气密聚合物或金属箔制成，但不限于此。囊状件22的壁26可以形成为呈现出期望的形状，如下面更详细描述的。

流体40设置在压力室28内，并且由囊状件22的壁26限制。因此，应当理解的是，囊状件22的压力室28是流体密封的。流体40对囊状件22的壁26表现出或施加大于大气压的流体压力。这样，压力室28被流体40加压，以使囊状件22的壁26远离压力室28的中心向外膨胀。流体40可以包括但不限于气体，如空气或氮气。在其他实施方案中，流体40可以包括液体。

间隔元件24设置在压力室28内，并且附接至囊状件22的壁26的内表面30。间隔元件 24是包括编织结构或针织结构中至少一种的织物材料。本文中所使用的术语“织物材料”是指通过编织、针织、钩编、编结或其组合中的一种或多种所形成的织物材料，并且其中，编织在织物材料中产生编织结构，针织在织物材料中产生针织结构，钩编在材料中产生钩编结构，且编结在织物材料中产生编结结构。应当理解的是，使用这些方法的组合制造的织物材料可以具有包含多个结构的织物材料的一部分，例如，可以使用编结纤维形成针织部分，可以通过针织或钩编结构编织纤维以提供尺寸强度和/或稳定性，可以在针织或编织结构上形成钩编边缘，可以将编织层针织在一起以形成多层织物材料，例如3D织物材料等。该织物材料可以包括一种或多种类型的纤维，包括诸如动物纤维、植物基纤维之类的有机纤维，诸如聚合物纤维、碳基纤维之类的合成纤维，诸如玻璃纤维之类陶瓷基纤维，包括钢基纤维和/或线材以及铝基纤维和/或线材的金属基纤维，诸如动物/合成混纺纤维、动植物混纺纤维、植物 /合成混纺纤维、玻璃/聚合物混合纤维(玻璃纤维)、金属/合成混纺纤维之类的混纺纤维等中的一种或多种，以及/或者各种纤维类型中的两种或更多种的组合。动物纤维可以包括由动物的毛发和/或毛皮产生的绒毛纤维以及由昆虫茧产生的丝纤维等，其中，所述动物提供适于纤维生产的毛发/毛皮，以非限制性实例的方式包括绵羊、山羊、兔子、美洲驼等。植物基纤维可以包括由提供适于纤维生产的植物材料的植物产生的纤维，包括但不限于棉花、亚麻、木材(醋酸纤维，人造纤维)、竹子、黄麻、***、拉菲亚树、菠萝麻、大豆。作为非限制性实例，合成纤维可以包括由丙烯酸、凯夫拉尔、尼龙、诺梅克斯、聚酯、氨纶等中的一种或多种制成的纤维。作为非限制性实例，纤维可以通过纺丝、挤出、拉伸等形成。该织物材料可以由包括多根纤维的纱线形成，所述纤维已纺织或捻合在一起或以其他方式纺织或连接以形成纱线。该织物材料可以包括单丝纤维、复丝纤维、人造短纤维或其组合。

间隔元件24可以包括但不限于间隔织物25。图中所示和本文所述的示例性实施方案包括实施为间隔织物25的间隔元件。然而，应当理解的是，间隔元件24可以包括除本文所述的示例性间隔织物之外的一些其他织物材料。例如，间隔元件24可以替代性地包括管状结构。

间隔织物25是三维针织或编织织物，由两个单独的基底，即第一层42和第二层44组成，第一层42和第二层44通过间隔纱线即间隔丝连接在一起但间隔开。间隔织物25包括第一层 42和第二层44，其中，第一层42附接至第一壁部34，第二层44附接至第二壁部36。间隔丝46在间隔织物25的第一层42与第二层44之间延伸并互连第一层42与第二层44。

第一层42可以以合适的方式附接至第一壁部34，例如但不限于用粘合剂将第一层42粘合至第一壁部34，或者通过永久性附接第一层42与第一壁部34的一些其他方式，并且防止第一层42与第一壁34分离。类似地，第二层44可以以合适的方式附接至第二壁部36，例如但不限于用粘合剂将第二层44粘合至第二壁部36，或者通过永久性附接第二层44与第二壁部36的一些其他方式，并且防止第二层44与第二壁部36分离。间隔丝46分别附接至第一层42和第二层44。间隔丝46可以包括在第一层42与第二层44之间编织的单根丝，或细丝形成的多个独立的股线，每个股线均在第一层42与第二层44之间延伸并互连第二层44与第二层44。

第一层42和第二层44可以包括合适的纤维并由合适的纤维制造，例如但不限于聚合物纱线、聚合物单丝、金属线或缆线、弹性纱线或单丝、活性材料纤维或其组合。间隔丝46可以包括合适的纤维并由合适的纤维制成，例如但不限于聚合物纱线、聚合物单丝、金属线或缆线、弹性纱线或单丝、活性材料纤维或其组合。此外，如上所述，第一层42和第二层44可以是编织或针织的织物。

可操作间隔织物25以响应于由压力室28内的流体40施加的内部流体压力48而约束囊状件22的膨胀。如上所述，流体40在囊状件22的壁26上施加大于大气压的内部流体压力 48。当第一壁部34和第二壁部36通过由压力室28中的流体40施加的内部流体压力48彼此间隔开时，分别附接到第一壁部34和第二壁部36的间隔织物25的第一层42和第二层44远离彼此移动。当第一层42和第二层44远离彼此移动时，在第一层42和第二层44之间延伸并互连第一层42与第二层44的间隔丝46被拉伸并被带入伸长或张紧状态。一旦间隔丝46 被张紧，间隔丝46就约束第一壁部34和第二壁部36的进一步远离彼此移动或膨胀。这样，间隔织物25响应于由压力室28内的流体40施加的内部流体压力48而限制壁26的向外膨胀。

间隔丝46包括在第一层42与第二层44之间延伸并互连第一层42与第二层44的多个部段50。因此，应当理解的是，一旦间隔丝46被张紧，这些部段50中的每一个部段均被张紧。隔离丝46的张紧部段50中的每一个均用作可以承载载荷56的预加载柱。由此，间隔丝46的多个部段50大大增加了结构构件20A的承载能力。通过将间隔织物25结合到压力室28 中并对压力室28加压直到间隔细丝46的各个部段50张紧，间隔丝46防止了壁26在远离载荷56的区域中膨胀，从而减小了囊状件22响应于载荷56而发生的变形。

间隔织物25和囊状件22可以形成为包括和/或限定第一区域52和第二区域54。第一区域52和第二区域54可以被定义为结构构件20A的不同区域或范围。第一区域52和第二区域54可以被不同地构造，以提供不同的特征。例如，间隔织物25和囊状件22的第一区域52可以构造成提供与第二区域54不同的形状和/或承载能力。虽然本文描述了第一区域52和第二区域54，但应当理解的是，结构构件20A可以包括多个不同构造的区域，以为结构构件 20A提供所需的特征。例如，第一区域52可以将囊状件22约束至第一形状，并且第二区域54可以将囊状件22约束至第二形状，第二形状与第一形状不同。替代性地，第一区域52可以提供抵抗壁26膨胀的第一约束力以实现第一承载能力，第二区域54可以提供抵抗壁26膨胀的第二约束力以实现第二承载能力，其中，第一约束力与第二约束力不同。

间隔织物25的构造可以在第一区域52与第二区域54之间以在第一区域52与第二区域 54之间提供所需特征差异的方式不同。例如，第一区域52可以在针步类型、针步图案、针头尺寸、纱线类型、纱线旦尼尔数、纤维类型、纤维尺寸、针步密度、经纱图案、纬纱图案或编织类型中的一种或多种中与第二区域54不同。应当理解的是，囊状件22的壁26可以在第一区域52与第二区域54之间变化，以进一步增强第一区域52与第二区域54之间的所需特征差异。例如，壁26的第一区域52和第二区域54可以由具有不同刚度和/或柔韧性的不同材料制成。

参见图2至图6，该结构构件的第二实施方案总体上以20B示出。结构构件20B包括囊状件62和织物外壳64。囊状件62包括形成压力室68的壁66。壁66包括面向压力室68的内表面70和相对的外表面72。在图中所示及本文所述的示例性实施方案中，壁66形成为具有沿纵向中心线74延伸的大致圆形的横截面形状，以形成管状结构。然而，应当理解的是，结构构件20B的其他实施方案可以构造成具有与本文所示和所描述的示例性实施方案不同的形状。

囊状件62的壁66由柔性材料制成。当在本文中所使用时，术语“柔性材料”定义为能够弯曲和/或拉伸而没有永久变形且不破裂的材料。例如，囊状件62的壁66可以由硅树脂、聚氨酯、天然橡胶(胶乳)、其他弹性气密聚合物或金属箔制成，但不限于此。

如图6所示，流体76设置在压力室68内，并且由囊状件62的壁66约束。因此，应当理解的是，囊状件62的压力室68是流体密封的。流体76对囊状件62的壁66表现出或施加大于大气压的流体压力。这样，压力室68被流体76加压，以使囊状件62的壁66向外膨胀。流体76可以包括但不限于气体，例如空气或氮气。在其他实施方案中，流体76可以包括液体。由流体76在压力室68内施加的内部流体压力起作用，以在囊状件62的壁66上产生预定的向外的压力78。

织物外壳64邻近囊状件62的外表面72设置。织物外壳64缠绕囊状件62并且大体上包围囊状件62。织物外壳64是包括至少一种编织结构或针织结构的织物材料。织物外壳64可以包括合适的纤维并由合适的纤维制成，其中，所述纤维例如但不限于聚合物纱线、聚合物单丝、金属线或缆线、弹性纱线或单丝、活性材料纤维或其组合。

织物外壳64包括第一区域82和第二区域80。第二区域80可以替代性地在本文中称为中心区域80。如示例性实施方案中所示的，第一区域82可以包括第一子区域84A和沿结构构件20B的纵向中心线74设置在中心区域80相对侧上的第二子区域84B。在一个实施方案中，第一子区域84A和第二子区域84B的结构大致相似或相同。在其他实施方案中，第一子区域84A和第二子区域84B构造成彼此不同。

织物外壳64的第一区域82和中心区域80彼此不同，以使结构构件20B呈现预定形状，大体上在图5中示出。织物外壳64的第一区域82和第二区域80可以在针步类型、针步图案、针头尺寸、纱线类型、纱线旦尼尔数、纤维类型、纤维尺寸、针步密度、经纱图案、纬纱图案或编织类型中的至少一种方面彼此不同。

织物外壳64的第一区域82响应于设置在压力室68内的流体76施加在囊状件62上的预定向外的压力78而向囊状件62提供第一约束力。应当理解的是，第一区域82的第一子区域 84A和第二子区域84B均可以构造成沿结构构件20B的相应轴向部分提供第一约束力。织物外壳64的中心区域80响应于由设置在压力室68中的流体76施加的预定向外的压力78而向囊状件62提供第二约束力。

如最佳地在图6中所示，中心区域80可以构造成使中心区域80的第一径向部段92提供与中心区域80的第二径向部段94不同的约束力。这样，由中心区域80提供的第二约束力在结构构件20B的一侧可以比另一侧更强或更大。换句话说，该第二约束力可以不是围绕纵向中心线74在径向方向上均匀分布，而是在一个径向方向上可以比另一径向方向更大。使第二约束力在一个径向方向上大于相对的径向方向，当受到来自第一区域82的第一约束力的约束时，使得囊状件62在中心区域80中形成弯曲或弯折。

囊状件62的壁66包括运动控制特征96。可操作运动控制特征96，以使囊状件62的壁 66形成预定形状。因此，由织物外壳64的第一区域82和中心区域80提供的第一约束力和第二约束力之间的差异与壁66的运动控制特征96结合，使得织物外壳64和囊状件62响应于从压力室68内的流体76施加在囊状件62上的预定向外的压力78而呈现出预定形状，大致如图5所示。文中所述的结构构件20B可以与多个类似构造的结构构件20B组合以形成面板或表现出复杂三维形状的其他结构。

运动控制特征96可以包括壁66的结构特征或物理特征，其能够将壁66偏置成预定的形状。例如，运动控制特征96可以包括壁66，壁66具有表现出第一物理特征的第一区域98和表现出第二物理特征的第二区域100。壁66形成运动控制特征96的特征可以包括但不限于壁66的厚度、壁66中纤维增强股线的密度或叠层图案，或者增强纤维106的取向。

在一个示例性实施方案中，参见图3和图6，第一区域98的第一物理特征包括提供第一弯曲强度的第一壁厚102，并且第二区域100的第二物理特征包括提供第二弯曲强度的第二壁厚104。第一壁厚102和第一弯曲强度不同于第二壁厚104和第二弯曲强度。如图3所示，第一区域98具有比第二区域100更薄的壁厚。这样，第一区域98将具有较低的弯曲强度。第一区域98与第二区域100的物理特征之间的这种差异倾向于使第二区域100，即壁66的较厚部分在弯曲时形成外部或更大的半径，而第一区域98的较小壁厚在弯曲时将倾向于形成内部或更小的半径。

在另一示例性实施方案中，参见图4，壁66包括增强纤维106，增强纤维106螺旋地缠绕在囊状件62的壁66周围。螺旋缠绕的增强纤维106形成或限定了螺旋角。第一区域98中的螺旋角不同于第二区域100中的螺旋角。较小的螺旋角，例如小于57度(57°)，倾向于使囊状件62径向膨胀并沿纵向中心线74收缩或缩短，直到螺旋角大约等于五十七度为止。相反，较大的螺旋角，例如大于57度，倾向于使囊状件62径向收缩并沿纵向中心线74展开或变长，直到螺旋角大约等于57度为止。

在另一实施方案中，囊状件62的壁66可以包括纤维增强材料并由纤维增强材料制成。该纤维增强材料包括纤维。纤维限定纤维密度，即沿纵向中心线74每单位长度的纤维的体积或数量。可以改变纤维密度以改变壁66的弯曲强度。此外，纤维可以以特定图案(称为叠层图案)放置中以提供或改变壁66的弯曲强度。

第一区域98的第一物理特征可以包括提供第一弯曲强度的第一纤维密度108和/或纤维叠层图案，第二区域100的第二物理特征可以包括提供第二弯曲强度的第二纤维密度110和/ 或叠层图案。第一纤维密度108和/或纤维叠层图案不同于第二纤维密度110和/或纤维叠层图案。如图3所示，第一区域98具有比第二区域100的纤维密度110更小的纤维密度108。这样，第一区域98将具有较低的弯曲强度。第一区域98和第二区域100的物理特征之间的这种差异倾向于使第二区域100，即壁66的较高纤维密度部分在弯曲时形成外部或更大的半径，而第一区域98的较小的纤维密度在弯曲时将倾向于形成内部或更小的半径。

详细描述和附图是对本公开的支撑和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施方案，但是还存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和实施方案。

Claims (1)

1.一种结构构件，包括：

囊状件，具有限定压力室的壁，其中，所述壁包括面向所述压力室的内表面；

织物外壳，邻近囊状件的外表面设置，所述织物外壳包括第一区域和第二区域，所述织物外壳的第一区域响应于来自囊状件的预定向外的压力而向囊状件提供第一约束力，织物外壳的第二区域响应于来自囊状件的预定向外的压力而向囊状件提供第二约束力；

其中，囊状件的壁包括运动控制特征，第一约束力和第二约束力与运动控制特征相结合，使得织物外壳和囊状件响应于来自囊状件的预定向外的压力而呈现出预定形状；

所述运动控制特征包括壁的不同厚度，该壁具有表现出第一物理特征的第一区域和表现出第二物理特征的第二区域，所述第一区域的第一物理特征包括提供第一弯曲强度的第一壁厚，所述第二区域的第二物理特征包括提供第二弯曲强度的第二壁厚，第一壁厚和第一弯曲强度不同于第二壁厚和第二弯曲强度；

或壁中不同纤维增强材料的纤维密度，第一区域中的纤维密度不同于第二区域中的纤维密度；

或螺旋缠绕在囊状件壁周围的增强纤维的限定的螺旋角，第一区域中的螺旋角不同于第二区域中的螺旋角。

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