大型空间充气薄膜结构,具有制造成本低、存储体积小、结构重量轻、安全性能高等优点。它能够实现传统结构很难达到的性能,成为空间研究和开发的热点,其在各类航天器上的应用将是今后航天事业技术发展的必然趋势。充气结构为大型柔性结构,其动力学行为非常复杂,涉及几何非线性、材料非线性和边界非线性,是一个高度非线性耦合问题,其动力学建模及仿真分析尚存在很大困难。发射充气展开结构之前先要将其折叠包装成较小的体积,在折叠包装过程中薄膜将产生初始应变。由于很难达到真空状态,所以折叠后结构内部还会有一部分气体存在。初始应变以及残余气体都会对空间展开结构的可靠性、精确度产生影响。薄膜材料的面外刚度较小,褶皱是薄膜结构在服役期间出现的主要破坏模式之一,会直接改变结构中力的传递路径,使其承载力下降,甚至导致整个结构使用功能的完全失效。鉴于此,本文基于非线性动力学原理,采用理论分析、数值计算和试验验证相结合的方法对空间充气展开薄膜结构的动力学行为和褶皱问题进行探索性的研究,为该结构的工程应用提供理论基础和技术支撑。本文阐述了充气展开结构的非线性数值模拟方法,考虑应力刚化效应,推导了薄膜单元和索单元的结构刚度矩阵和等效节点力矢量。在充气展开结构模态分析和动力学响应分析中考虑了跟随压力刚度影响。在展开动力学分析中,考虑了接触非线性,并采用罚函数解决接触问题。提出了全柔性和刚柔混合充气式太空舱体的结构设计方案,研究了两种结构的动力学特性和响应行为。基于非线性力学原理,建立了充气式太空舱体的动力学分析模型,通过预应力模态分析和谐响应分析评估了充气式太空舱体的动力学特性。全柔性充气式太空舱体的基频较高,结构抗弯刚度较好,太空舱体在外荷载作用下将以弯曲振动为主。通过瞬态动力学分析和低速碰撞分析得到了在冲击荷载作用下两类充气式太空舱体的动力学行为。结果表明全柔性充气式太空舱体的抗冲击性能较好,在碰撞过程中太空舱体复合薄壳是安全的。太空舱体结构与碰撞物脱离后以整体自由振动为主,碰撞引起的局部变形基本消失。研究了曲面折叠几何设计的必要条件,在此基础上设计了圆锥壳曲面的折叠方案:四折叠线方案、六折叠线方案及其改进方案,确定了各方案中的折叠线布置及角度关系,从而建立了圆锥壳曲面的参数化折叠状态。基于已建立的折叠状态参数化模型,结合ANSYS/LS-DYNA软件进一步建立了展开动力学数值分析模型。对地面环境下充气囊体以及在轨时的充气囊体结构进行展开动力学分析,得到了展开形态及动力学参数的时程曲线。分析结果表明:充气囊体在地面环境下能够顺利平缓地展开,展开过程没有出现大的碰撞和物理干涉,从而验证了充气囊体折叠方案的可行性。同时分析了残余气体对充气囊体折叠性能的影响,在内腔残余气体作用下,充气囊体在正式充气之前就会展开,并保持动态平衡,故有残余气体的充气囊体很难被折叠为很小的体积,将导致搭载空间的浪费。研究了层合薄膜褶皱形态的数值分析方法和试验测试技术。基于层合薄膜单元,采用非线性屈曲分析方法分析了层合薄膜在外载荷作用下褶皱的萌生、扩展及最终形态。建立了层合薄膜的数值分析模型,并分析了褶皱在不同发展阶段波长和幅值等的变化规律。设计研制柔性层合薄膜的夹持及加载装置,用于多个工况的薄膜夹持和施加外载荷。搭建三维摄影测量系统,测试不同剪切位移荷载作用下层合薄膜的褶皱形态。通过比较数值模拟与试验结果发现,两者整体吻合程度较好,从而验证了所建立数值模型的准确有效性。研究了褶皱随着外载荷水平增加的萌生、扩展过程,前期褶皱的各种几何特征变化都很快,但随着载荷增加,褶皱数量和平均半波长变化不大,仅表现为褶皱z向位移增加。同时研究了初始预张力、初始几何缺陷、薄膜厚度及层合薄膜设计参数等对褶皱三维形态的影响,结果表明初始预张力、薄膜厚度、铺设层数对层合薄膜褶皱的数量及幅值影响较大。