高性能多功能层合薄膜具有轻质、高强、耐候、气密及加工运输便捷等优点,被广泛应用为囊体材料,并用于制造囊体结构。而考虑到囊体结构独特的力学性能和物理特性,其典型应用场景为制造平流层飞艇、超压气球等高空长航时荷载平台,而尤以平流层飞艇的研发与制造受到航天科技强国的重视。与固定翼飞机、旋翼飞机、航天飞船、火箭等航空航天飞行器不同,平流层飞艇的驻空依靠环境大气浮力和结构自身重量之差产生的净浮力实现,故根据设计,其能够在低能耗状态条件下维持20 km以上长时间驻空。因此,平流层飞艇在对地观测、灾害预警、国家防御等方面有广阔的应用前景。然而,平流层飞艇在国内外尚未完全成熟和部署,仅处于关键技术突破和总体集成验证阶段。目前仍面临诸多的基础问题和瓶颈技术问题,其中,囊体材料与囊体结构强度模型便是重要问题之一。现阶段国内外针对囊体材料的力学性能研究,主要基于囊体材料单轴拉伸破坏试验以及低应力水平下的囊体材料双轴循环拉伸试验,由此目前囊体材料与囊体结构的力学行为分析普遍采用单轴抗拉强度、低应力水平下的弹性常数等参数。这与囊体材料在平流层飞艇结构中的实际受力状态、囊体结构的真实工况条件存在偏差,基于上述试验和参数的结构设计分析,特别是强度分析和破坏模拟无法满足科学研究和实际工程的要求。为解决这些问题,本文面向囊体结构的实际工况系统性地进行了囊体材料力学性能试验研究,并得到囊体材料的焊缝力学模型、老化力学模型、双轴受拉全过程的本构关系与双轴强度模型等,对囊体结构的充气破坏进行了强度分析和数值模拟。首先,对囊体材料的微观结构及力学性能进行了研究。对典型囊体材料进行拆解,得到由经纬纱线按照一定规律编织而成的囊体材料持力层（结构层）和高分子材料制成的功能层。而后采用放大镜、扫描电子显微镜（SEM）等设备对囊体材料结构层进行观测,得到了囊体材料结构层平纹编织几何特征、经纬向纱线横断面几何特征等结果。随后对囊体材料结构层进一步拆解,得到经、纬向纱线并对其进行单轴拉伸强度试验。试验结果表明:发现囊体材料单轴抗拉强度P_u与其理想纱线承载力总和P_ideal之比为87.59%。综合经纬向纱线力学模型、纱线横断面和结构层平纹编织几何特征等,对材料的微观结构建立数值模型并模拟其单轴力学行为,从而建立起囊体材料单轴力学行为和纱线力学行为的联系,为囊体材料设计提供参考和依据。其次,针对囊体结构长期服役后囊体材料力学性能在自然工况下发生的力学行为蜕化进行了研究。因长期处于高空服役,囊体结构实际工况中存在高低温循环、宇宙射线辐射、臭氧氧化等特殊环境条件。本研究在一实际服役逾800天的囊体结构上进行试件取样,系统性地进行了单轴拉伸破坏试验、单轴循环拉伸试验、双轴循环拉伸试验等研究,发现老化囊体材料经纬向单轴抗拉强度分别下降46.02%及27.04%,双轴抗拉模量下降54.98%和56.07%。接下来,对在囊体结构中有广泛应用场景的囊体材料节点——热合缝的力学行为进行了研究。对平流层飞艇等囊体结构,囊体材料裁片之间的连接主要通过热合接缝的形式实现,而现阶段对囊体材料热合缝的力学性能,研究工作主要集中在对其破坏强度值的讨论,而对其受力过程的力学性能和破坏机理缺少研究。本文根据在囊体结构中常用的三种囊体材料热合缝形式,分别设计制作了试件并进行单轴拉伸破坏试验,得到三种囊体材料热合缝节点的抗拉强度分别为52.66 N/mm,50.37N/mm,51.08 N/mm。对三种热合缝试件的横截面分别采用扫描电子显微镜进行观测,得到热合缝微观结构及热合加工影响域范围。基于试验数据及扫描电镜观测分析,揭示了囊体材料热合缝的破坏机理进行。第四,过往研究中面向囊体材料强度的试验研究,仅有囊体材料经纬向单轴拉伸破坏试验,而单轴拉伸破坏试验与囊体结构实际工况中双轴受拉应力状态不符,故无法建立起有效的囊体材料双轴受拉破坏强度及双轴受拉全过程的本构模型。与此同时,日本、德国等提出的测试标准及行业规范中,双轴十字型试件由于应力集中等原因,仅适用于较低的双轴受拉应力水平,无法得到囊体材料真实双轴受拉破坏。为解决这一问题,本文提出了囊体材料双轴抗拉强度测试试验方法,设计了囊体材料双轴抗拉强度试件。结合高速摄影仪、双轴拉伸试验机等设备,对囊体材料进行了双轴抗拉强度试验。得到了三种典型囊体材料在经纬向应力比1:1条件下的双轴抗拉强度分别为89.04 N/mm、83.81 N/mm、115.59 N/mm,并首次捕捉到了囊体材料双轴受拉破坏形态。发现囊体材料在双轴受拉情况下抗拉强度提升,计算得到三种囊体材料的抗拉强度比,并提出囊体材料双向受拉破坏包络面形态设想。第五,采用所提出的囊体材料双轴抗拉强度试件及试验方法,对典型囊体材料进行了多个经纬向应力比下的双轴拉伸破坏试验。采用基于数字散斑的摄影测量手段,得到了多应力比下囊体材料由加载开始至双轴拉伸破坏全过程的应力应变曲线,并捕捉到了在不同应力比下囊体材料双轴受拉破坏的两种典型破坏形态。基于在双轴应力-应变空间均匀分布的试验曲线,得到了囊体材料双轴受拉全过程的本构模型。根据囊体材料在多个经纬向应力比下的双轴抗拉破坏强度,提出了由五个双轴拉伸作用系数表征的五参数囊体材料双轴抗拉强度模型,由模型预测了囊体材料的单轴抗拉强度,并与刚性复合材料领域内经典的Tsai-Hill强度理论、Yeh-Stratton强度理论、Norris强度理论等进行了对比。第六,结合囊体材料热合缝力学模型、囊体材料双轴受拉全过程的本构关系与强度模型,对囊体结构进行数值模型建模并对其力学行为进行模拟。与一般工程设计数值模型相比,本文对结构进行精细化建模,并模拟其充气破坏过程。引入囊体结构制造过程中的裁切效应及基于试验结果的热合缝力学性能,并赋予囊体材料双轴受拉全过程的本构模型。当囊体结构应力达到特定水平后,采用本文提出的五参数双轴抗拉强度模型判定结构失效破坏。数值模拟过程采用有限元软件Abaqus结合VUMAT子程序进行分析,并基于显式动力法求解方程。对囊体结构的充气破坏进行了数值模拟,得到了结构充气破坏形态与破坏荷载,并对结果进行了分析。最后,对本文的研究成果进行了总结,并指出了今后的研究方向。