壳体属于空间受力体系,因其跨度大、承载强、造型美观而受到青睐。一般而言,板被认为是受弯构件,而壳被认为是受压构件,这无非是希望壳体在设计载荷下产生弹性变形时壳板横断面上始终只有压应力而不出现弯矩,即希望壳体具有最佳的结构形态。然而,按现有设计方法设计的壳体,通常会存在弯矩甚至是拉应力。为此,研究者提出采用悬吊柔性材料的试验方法来创建具有最佳结构形态的壳体初始结构形状,即所谓的物理逆吊法。但由于受材料弹性变形能力的限制,物理逆吊法不适用于矢跨比较大的壳体初始构形的创建。因此,本文研究了壳体的最佳结构形态创建和设计问题,提出了一种创建具有最佳结构形态的弹性壳体初始构形的解析方法,以及这种弹性壳体的共轭设计方法,这种采用共轭设计方法设计的壳体下文称之为共轭壳体。本文研究内容主要如下:（1）基于横向载荷下膜的轴拉变形与壳的轴压变形之间的镜像变形,借鉴物理逆吊法的基本思想,提出了一种创建具有最佳结构形态的弹性壳体初始构形的解析方法;通过构建膜和壳镜像变形中的共轭效应,应用薄膜超大挠度问题的解析解导出共轭壳体的解,提出了具有最佳结构形态的弹性壳体的共轭设计方法。（2）改进了现有薄膜问题中采用的基本方程,解析求解了横向载荷下圆形薄膜超大挠度变形问题,解决了圆形共轭壳体初始构形创建和共轭设计的关键问题。通过对现有薄膜问题中采用的面外平衡方程、面内平衡方程以及几何方程进行改进,建立了适用于超大挠度变形时的圆形薄膜问题的控制方程,并用幂级数法进行求解,给出该问题的解析解。开展了圆形薄膜的静加载试验,结果表明该解析解是基本可靠的。（3）应用共轭设计方法,并采用圆形薄膜超大挠度变形问题的解析解,建立了圆形共轭壳体的设计理论,主要涉及圆形共轭壳体的初始构形创建、壳板和边缘构件设计、稳定性验算和固有频率等方面的内容。采用圆形薄膜超大挠度问题的解析解计算薄膜变形后的形状,用于创建圆形共轭壳体的初始构形;基于膜和壳镜像变形中的共轭效应,采用圆形薄膜问题的解析解导出共轭壳体的解析解,用于壳板和边缘构件的截面设计和配筋计算;计算共轭壳体的最大曲率半径,采用现行规程中圆形壳体的稳定性验算公式验算共轭壳体的稳定性;将变曲率的圆形共轭壳体用若干段圆锥壳近似,基于达朗贝尔原理和薄壳理论建立各段圆锥壳自由振动控制方程并用伽辽金法求解,再采用边界条件和连续条件,求解出圆形共轭壳体的固有频率。通过参数讨论发现:相同矢跨比下,圆形共轭壳体的初始构形与弹性模量和厚度无关,但会随泊松比的增大向内收缩;随着共轭壳体矢高的增加,共轭壳体的固有频率呈非线性增大且增大的速率逐渐趋缓。（4）开展了圆形共轭壳体的试验研究和有限元分析,验证了共轭壳体结构形态的优越性和共轭设计理论中的相关内容。研制了壳体旋转成形装置,制作了矢高和跨度均相同的共轭壳体和常规壳体的水泥砂浆壳体试件,壳体试件的静加载试验结果表明共轭壳体与常规壳体相比具有更高的承载能力。采用3D打印制作了3组矢跨比不同的壳体试件（每组有3种初始构形不同的壳体试件,每种壳体试件有3个）,并进行了壳体的静加载和自由振动试验,验证了圆形共轭壳体设计理论中壳体解析解和固有频率计算公式的有效性。建立了不同矢跨比的共轭壳体的有限元模型,分析了共轭壳体在不均匀载荷下的响应。