随着薄膜结构在建筑结构领域和航天器方面的大量应用,褶皱问题所带来的不利影响逐渐引起了人们的广泛关注。褶皱的出现不仅会影响到结构的表面精度,而且会改变结构的应力分布状况,影响结构的振动特性,并对风荷载作用下的气动特性产生不利影响。因此,必须对褶皱的形成特点和发展过程进行深入研究,从而掌握褶皱发展机理,及褶皱对薄膜力学性能的影响规律,以有助于对褶皱现象进行有效控制。虽然实际工程中薄膜结构的几何形状复杂多变,而平面张拉薄膜是一种形式最简单的薄膜结构,但通过对平面张拉薄膜的研究可以忽略次要因素,深入分析从薄膜结构中抽象出来的共性问题,揭示出在褶皱产生和发展过程中,结构力学性能的变化规律。因此,本文将以平面薄膜为研究对象,分析褶皱的产生和发展规律,以及对结构静力特性和动力性能的影响。本文在薄膜结构褶皱问题方面的研究工作,可以分为计算理论与数值分析两个方面：(1)计算理论方面：基于稳定理论,提出了考虑沿褶皱方向张拉应力的影响时,临界压应力的计算方法,并得到了波长和幅值等构形参数的表达式。通过与已有文献的试验结果和数值分析结果的比较,表明所得计算公式是合理有效的,并具有良好的精度。(2)数值分析方面的研究工作,主要分为以下几个部分：a.提出并验证了将褶皱的产生和发展过程进行三阶段划分的思想。通过对褶皱产生和发展过程的研究发现：褶皱首先发生在压应力最早出现的部位,然后向中间部位扩展,最后达到稳定。因此,该过程表现为：初始阶段、扩展阶段和稳定阶段三个典型阶段,并对每一阶段的褶皱特点进行研究。通过对褶皱产生和发展过程的研究,可以认识褶皱机理,掌握褶皱对薄膜结构力学特性的影响规律。同时通过这种划分,能够有效地衡量褶皱发展程度,并方便地对处于特定状态的褶皱性状进行研究和描述。b.提出并验证了褶皱控制临界值的思想,为防止结构因面外变形和褶皱数量的迅速增大(多)而失效提供量化依据。对剪切矩形薄膜进行仿真试验研究发现,当薄膜的面外位移达到膜材厚度的1%时,就必须对褶皱进行控制,否则结构的面外变形会迅速增大,而导致结构失效。c.以薄膜厚度、张拉预应力、初始缺陷为关键参数,对其在褶皱产生和发展过程中的影响进行了研究。结果表明：随着薄膜厚度的增加,褶皱数量减少,幅值和波长变大,但面外位移与厚度的比值减小,因此厚度越小,褶皱对结构的不利影响越大；增大张拉预应力,可以延迟褶皱的出现,增强结构的面外稳定性,但是材料的强度安全储备会减少,因此应合理控制张拉预应力;初始缺陷主要影响到褶皱的位置,尤其是褶皱最先出现的位置,而对褶皱数量、波长、幅值等的影响不明显。d.对褶皱发展不同阶段的结构动力特性进行了研究。结果表明：频率随剪切位移角的变化,也表现出三个典型阶段：初始阶段(频率下降),扩展阶段(频率波动上升)和稳定阶段(频率缓慢下降)。在稳定阶段,由于结构会发生二次屈曲,频率可能出现小幅波动。振型的变化与频率相比较为复杂,但总体趋势表现为与褶皱方向一致的振型增多。