飞艇等充压囊体是靠气压维持结构外形和承受外载荷的一类内外压差大于零的封闭式三维曲面结构。为了提升充压囊体的耐压能力及承载性能,有效评估囊体的安全性,本文开展了国产F-12芳纶织物及其蒙皮材料的力学性能试验表征、理论计算与数值模拟等方面的研究,并建立了一种适用于大尺寸三维曲面充压囊体的全场形变测试方法,为充压囊体结构耐压能力提升奠定了分析与测试基础。具体内容如下所述:本文系统测试了国产F-12芳纶织物及其蒙皮材料的单轴拉伸、循环拉伸以及剪切等力学性能,获取了F-12纱线、织物及其蒙皮材料在不同偏轴角度下的应力-应变关系、拉伸强度和泊松比,分析对比了经、纬向不同的应力应变特性;研究了国产F-12织物及其蒙皮材料循环加载特性,发现并表征了国产F-12织物及其蒙皮材料循环硬化和大剩余应变现象;通过像框剪切和偏轴拉伸研究了国产F-12织物及其蒙皮材料的剪切性能,探讨了高强织物试样夹持部分以及涂层对剪切性能以及锁紧角的影响,通过正则化处理给出了像框剪切与偏轴拉伸两种试验方法的量化差别。基于数字图像相关方法,提出了一种通过施加法向均布载荷模拟充压囊体实际工作状态的蒙皮材料测试方法,建立了能够实施充压载荷的鼓胀试验测试系统,解决了高强织物多点均匀和无滑移夹持及密封难题,获取了充压条件下的国产F-12蒙皮材料等效双轴拉伸模量,分析了边界条件对蒙皮材料鼓胀试验结果的影响;建立了两种材料属性不同的数值模型,分别是通过单轴拉伸材料参数数值模型和等效双轴拉伸材料参数数值模型,通过试验验证了两种数值模型的有效性。分别从细观尺度和宏观尺度对国产F-12织物的性能进行了研究。在细观尺度,建立了一种基于织物细观图像的非对称单胞模型,该模型的经纬纱卷曲幅度和截面形状均不同,并且考虑纱线自身卷曲变化带来的刚度变化,通过跟踪随纱线材料方向变化的坐标系,建立了一种材料方向随变形过程变化的数值模型,利用用户子程序使纱线的应力更新在材料方向进行,获得了细观尺度下织物单胞拉伸特性;在宏观尺度,建立了一种基于细观尺度的非正交各向异性数值分析模型,该模型是在非线性有限元理论的基础上,基于织物细观结构及织物特有的变形机制,通过用户子程序实现在每一个增量步中对纱线方向的更新,考虑几何大变形和材料各向异性,在宏观模型单元中引入纱线的结构参数和本构关系,通过平衡法则对单元边界进行受力分析,获得单元中的应力表达式。该模型准确地模拟了织物剪切以及充气时纱线夹角变化,通过试验结果对模型进行了验证。结合Delaunay三角化与有限元算法,建立了基于数字摄影测量技术的适用于大尺寸充压囊体的非接触全场形变测试方法,通过摄影测量技术捕捉充气结构表面离散点变形前后的空间位置变化,通过核线相交原理对相同标志点进行匹配,获取结构的点云特征,利用Delaunay三角化对三维空间点云进行曲面重构,建立点云整体坐标系与三角单元局部坐标系的转换矩阵,结合非线性有限元几何方程计算单元应变,利用坐标转换矩阵获取结构的全场应变。该方法能够实现大尺寸的三维曲面结构的形变测试,利用有限元算例验证方法的稳定性,通过标定试验与数字图像相关方法的结果对比验证该方法实际工程中的精度,分析了标志点密度对测量精度的影响,并通过飞艇和气球等充压囊体实测验证了方法的有效性,获取了应变场的分布情况及其随充气压力的变化规律。