温室农业是农业生产中重要的种植方法，它通过人工设施控制环境因素，使作物获得最适宜的生长条件，从而加长生产季节，获得最佳的产出。温室的发展不仅可以减少耕地使用，同时也可降低水资源及化学肥料的使用量，是实现环境友好型农业的重要手段。温室结构形式的优劣直接影响到温室性能的高低,在提高温室的生产率和能源利用率,降低成本,保障安全稳定生产等方面具有重要的意义，因此，结构设计和技术应用是当前国内外温室研究和发展中的一项重要课题。目前国内外学者对温室结构研究主要集于光环境及覆盖材料、通风系统等可控环境性能的研究，在温室结构安全可靠性方面的研究还较少。我国温室，一方面受到地域性的限制，使得进口温室在我国大多存在着通风不足、抗雪载能力差、透光性较差等问题。另一方面，温室研究的主要精力集中于环境，忽视了对温室结构安全性问题的研究，使得目前我国温室存在诸多安全隐患。近年来的多起由于大风或大雪导致温室结构倒塌的工程事故，造成了很大的经济损失，亟需开展我国自产温室的结构设计理论和技术研究。本文通过研究仿生学在建筑中的应用，依照技术推进型的思路，结合现代温室技术、农业机械化工程、计算机技术、仿生学和数学等学科的知识，对自然界中蜻蜓翅膀力学特征进行研究，并建立基于仿生的新型温室空间结构体系，为建筑仿生的研究范围和温室结构设计方法提供理论依据与参考。论文的主要研究工作与研究成果如下：（1）蜻蜓翅膀结构刚度的力学研究。建立蜻蜓翅膀的脉络模型，分析模型在不同载荷条件下的变形规律，研究主、次脉对结构刚度的影响及蜻蜓翅膀模型在各向集中力和均布载荷下的整体变形协调性能。得出主脉为蜻蜓翅膀的主承力结构，次脉对结构刚度影响不大，主次脉相结合，可提高结构的整体强度和承载能力。蜻蜓翅膀脉络结构在各向集中力的作用下，没有局部大变形的产生。（2）结合蜻蜓翅膀空间结构的特征，从蜻蜓翅膀结构中，分离出四种基本的网格结构：四边形网格、交错四边形网格、六边形网格及三、五、六边形组合网格，分别建立有限元模型模拟蜻蜓翅膀的主要空间结构。结合蜻蜓翅膀飞行时所受最小升力，模型分别施加相同的荷载F=10000bN×(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)作刚度分析，研究蜻蜓翅膀的空间结构对刚度的影响：①蜻蜓翅膀褶皱结构的力学分析。根据主脉起皱的结构特点，取四边形和交错四边形两种网格模型，建立不同起皱高度（0,1,3,5,7,9,10,12dmm）的模型进行力学分析，可知在相同的起皱高度下，随着载荷的增加，变形也随之增加，但起皱高度越大，随载荷增大的变形量越小，受力相同时，交错四边形网格模型的变形量总是稍大于四边形网格模型；同时无膜网格模型的变形略大于有膜网格模型。②蜻蜓翅膀起拱结构的力学分析。根据蜻蜓翅膀双向起拱的结构特点，取六边形网格及三、五、六边形组合网格，建立不同拱高（矢跨比分别为0，1/8,1/7,1/6,1/5,1/4,1/3）的力学模型，模型分别施加相同的荷载F作刚度分析。得出相同载荷条件下，两种网格模型的结构刚度都随起拱高度的增加而增大；载荷及拱高相同时，有膜网格的变形小于无膜网格，刚度明显增强；无论有膜、无膜，相同载荷条件下，六边形网格的变形总是大于组合网格模型，因此，网格密度越大,刚度就越大。（3）温室仿生结构的设计研究。基于蜻蜓翅膀结构的刚度特性，从翅膀结构力学性能的基本原理出发，结合现有的温室结构及尺寸特征，建立三种温室的新型仿生空间结构，温室结构的整体形状是以六边形网格构成的起拱结构，在起拱的基础上，用四边形网格起皱，形成主框架。通过对三个仿生结构在各种工况作用下的比较分析，可知模型二在空间结构的分布上较模型一和模型三更为合理，表现出良好的力学性能，因此选择模型二为确定的温室骨架结构，并对其进行进一步的力学设计：①材料及尺寸设计。采用不同的复合材料对模型进行模拟，结合温室结构的载荷组合情况，对模型二进行静力分析，比较模型二在不同工况载荷作用下的挠度及应力的变化情况。结构的骨架及壳体均使用复合材料后，挠度明显降低，杆件的应力值也下降很多，材料弹性模量的提高可以增加结构的弯曲刚度。分组定义梁的不同尺寸及壳体厚度，在模型上施加1000N/m2的均布荷载做力学分析。随着梁的管径及壁厚的增加，结构的刚度有所增加，结构所用材料也增加；壳体的刚度随其厚度的增加也有较小幅度的增强。通过以上分析，综合考虑结构刚度的保证及原材料的节约，确定出温室结构适宜的材料及几何尺寸。②应力刚化对结构刚度的影响。在模型二上施加1000N/m2的均布荷载，比较它在三种静力分析下的力学性能，可知在考虑应力刚化效应下进行小位移静力分析时，结构的最大挠度值降低了0.027m,仅为不考虑应力刚化效应时挠度值的89.5%，说明壳体受拉后对结构弯曲刚度有较大幅度的提高。大位移静力分析时挠度值略大于不考虑应力刚化效应的小位移静力分析。对结构分别施加F=200N/m2×(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)的均布载荷，做出挠度随载荷的变化曲线，分析曲线可知，随着荷载的加大，应力刚化效果也更加明显，结构挠度的降低幅度也越大。因此在结构设计时刚度不益过大，结构在一定的变形下，才会使梁和壳体共同作用下提高结构刚度的性能更好的发挥出来。③约束条件对结构刚度的影响。对模型二增加两个支柱，进行竖向的位移约束，比对模型在不同的工况组合下，增加约束前后的最大挠度值和应力值的变化情况，可知结构增加约束后挠度值仅为原来的10%左右，最大拉、压应力也按照近似的比例大幅减小。可见，温室结构中支柱的增加可能减小结构的整体变形，对刚度的提高起着重要的作用。因此设计时，在结构尺寸保持不变的基础上，可以通过增加结构的约束来减小变形，满足安全性的要求，同时发挥结构的应力刚化效果，节约原材料。（4）连栋温室仿生结构的设计研究。对模型二沿长、跨方向进行镜像，建立对称的仿生模型Ⅰ，通过力学比较，可知在相同工况下，无论结构是否增加支柱约束，模型Ⅰ的最大挠度都小于模型二，两部分对称结构可互相牵制、协调，增加结构的整体刚度。综合利用对称结构及蜻蜓翅膀自身的结构优势，设计出两种新型大跨度连栋温室仿生结构，应用时可根据土地条件和实际需求，设计具体的连栋个数并增加支柱约束，以满足刚度的要求。本文创新点如下：（1）针对国内外温室结构设计的理论及技术研究，提出温室结构仿生设计的思路，对蜻蜓翅膀的整体刚度和空间结构性能进行了研究；（2）设计了三种温室仿生空间结构模型，并对仿生结构的力学性能进行了进一步的探索和研究；（3）对温室仿生结构的研究进行拓展，建立了对称的大跨度温室仿生结构，进行连栋温室结构的仿生设计研究。本文所提出的基于仿生的温室结构设计方法的研究，为设施农业的发展提供了新的思路和技术支撑。