乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)气枕结构于1982年诞生于荷兰,自2008年进入我国,是国内外近几年新型膜结构发展的亮点和产业增长点。ETFE气枕有分别基于三维裁切和基于平面裁切的成形设计方法,基于找形三维形状的裁切成形方法是典型膜结构设计方法,而充分利用ETFE非线性特性而基于平面裁切的设计成形方法是一种新的设计方法,尚是国内外学术和工程界重点研究问题。因此,本文开展ETFE薄膜的深入试验和力学模型研究,以及ETFE气枕结构成形试验和数值模拟研究,主要内容包括:首先,对ETFE薄膜进行大应变率范围(0.1~1000%/min)单向拉伸试验,得到了应力-应变曲线,提出了确定等效弹性模量的能量法,充分揭示了ETFE薄膜率相关力学行为。基于高分子材料黏弹-塑性理论的广义Maxwell模型,推导ETFE薄膜单向拉伸的应力-应变本构模型,根据试验结果表征模型参数,建立模型参数与应变率函数关系,提出了以应变率为变量的连续率相关本构模型。三元素和五元素广义Maxwell模型可有效模拟反映ETFE薄膜在第二屈服点前和30%应变前的单轴拉伸力学行为。对ETFE薄膜进行单轴拉伸加载-徐变-卸载-徐变恢复试验,徐变加载应力分为10组(2、4、6、8、10、12、14、16、18、20MPa)、徐变加载时间分为8组(0.5、1、2、3、6、12、18、24h),得到不同工况下的应变-时间曲线,通过分析最大应变和残余应变随加载应力和时间的变化规律,揭示了ETFE力学行为非线性和时变特征。基于广义Kelvin-Voigt模型,通过定义徐变过程中可恢复的黏弹性应变和残余的黏塑性应变,建立了加载徐变-卸载恢复的基本时变模型。根据试验结果,先确定了黏塑性应变的时变方程形式及模型参数,表征加载时间为24h时黏弹性应变模型参数;然后,通过引入任意加载时间(0.5~24h)与24h的黏弹性应变比值,提出了以加载时间为变量(0.5~24h)的连续时变模型;最后通过建立模型参数与加载应力的函数关系,提出了应力-时间相关连续时变模型。对ETFE薄膜进行时间为30天、不同应力(2、4、6、8、10、12、14、16、18、20MPa)下的单轴拉伸徐变试验,得到了相应的徐变曲线,揭示了ETFE薄膜的徐变力学行为特征。基于修正的广义Kelvin-Voigt模型,推导了徐变模型,根据试验数据进行了模型参数识别,并根据模型参数与加载应力的函数关系进一步建立了以应力为变量的连续应力相关徐变模型。然后,针对ETFE气枕研究,提出高内压、小扰动的高精度内压控制方法和非接触、动态实时的三维外形测量方法,研制了压力控制系统和摄影测量系统,提出了测量与解析相结合的充气膜结构膜面应力和应变分布确定方法:应力计算基于测量外形下内压与薄膜内力的平衡,应变计算基于测量点在变形前、后三维坐标的变化。对正方形ETFE气枕进行测量与分析,证明了所提出方法的适用性和精确性。对基于平面裁切的两个正三角形ETFE气枕进行充气成形试验,经历充气加压、稳压徐变、放气泄压和徐变恢复四个阶段。应用本文所提出的测量分析方法,得到气枕的内压、膜面外形、应力和应变分布,对不同徐变应力和时间的气枕成形过程进行了对比分析,揭示了ETFE气枕与应力相关的时变特性。考虑以应变率为变量的连续率相关本构模型和以应力为变量的连续应力相关时变模型,编制了UMAT用户材料子程序,利用ABAQUS对与ETFE气枕成形全过程进行数值模拟,通过对比模拟与试验结果的膜面矢高、外形、应力和应变分布,验证了数值模拟方法的适用性和精确性。