基于星际探测和深空探测对大型柱面天线的需求,本文结合“子午工程二期”项目,以大型可动式IPS射电天线为研究对象,探讨一种适用于新型驱动方式的天线体形式,开展结构设计与优化研究。首先从大型天线探测需求出发,通过分析主站天线功能得到口径参数和观测要求;结合大型天线工作原理和虚拟转轴理论推导出天线面精度和理想变形形式,判定天线的技术指标和设计准则,据此开展天线体结构设计,基于索驱动理论得到天线体的设计域,分析典型构型优缺点并设计天线体截面构型;根据构型分别对背架模块和支撑模块进行结构设计,获得天线体初始优化模型。其次对天线体初始模型进行数值优化。探讨天线体优化理论,结合天线结构复杂、变量参数多的特性对比并引入优化方法和算法:应力应变准则法和一维离散算法;针对ANSYS无法求解非均匀离散变量的缺陷,提出改进的一维离散优化算法;建立改进后天线体的优化数学模型,编写APDL命令进行优化求解,经过约65次迭代后取得最优解,最优天线体重量降低22.2%;校核优化后天线体在复杂工况下的力学性能,结果显示最大面型误差4.77mm、最大变形量13.22mm、最大应力124.02MPa、一阶固有频率6.85Hz,均满足射电天线技术指标。为进一步降低天线体质量,探究索-桁架半刚性结构应用在天线中的可行性。分析索穹顶构型并推导出半刚性天线体的几种类型,对比后确定预应力-索为主要结构形式,继而对天线体进行构型设计和受力分析;利用等效载荷法施加预应力后,采用力迭代法分别求得索网和横索最佳预紧力;确定截面参数并验证半刚性天线体的力学性能,结果显示面型误差和动力特性仍满足工况要求,最小索应力为0.11MPa;引入索后天线体重量相比于初始结构降低29.10%。最后探讨天线缩比模型实验,验证天线体在实际工况下的力学性能。依据相似理论推导出天线体的相似关系并搭建2m×2.4m缩比模型;以节点恒载模拟雪载,选取、测量8个标志点加载前后的坐标值,计算缩比模型变形值并与理论变形值进行对比,结果显示:所选测点变形误差均小于15%,说明优化后的天线体结构满足实际工况要求。本文研究成果为IPS地面探测设备提供了一款新型结构,也为大型桁架提供了一套轻量化设计方法。