充气膜结构是一种典型的张拉整体结构:外膜承受拉力,内充气体承受压力。在过去的几十年里,因为充气膜结构的一些诸如轻质、可压缩到很小的体积、较低的成本等优点,它的运用越来越流行。充气膜结构被广泛地应用于建筑、船艇、空间大型可展开天线和飞艇等许多的工程应用领域,而基于充气结构的操控臂是近些年发展起来的一种新的应用。这种柔性机械臂可以克服传统机械臂的缺点,并具有质量轻、易于储存收纳、抗冲击性好、物理碰撞安全、成本低等优点。本文提出一种新型柔性充气操控臂,直臂段和带有褶皱构造的关节均为充气膜结构。关节褶皱构造的几何形状类似于波纹式宇航服的关节,这种特殊的关节有着很好的柔性且可以实现较大的转动角度。针对这种新型充气操控臂结构的力学性能,本文进行了一系列试验和数值模拟研究。首先,进行新型柔性充气操控臂的设计,包括整体概念设计,具有褶皱构造的充气关节的详细设计及实现方法,以及驱动充气操控臂转动的绳索驱动系统的详细设计及实现方法。其次,对试验中制作样机所选定的柔性PVC膜材进行双轴拉伸和双轴剪切试验。鉴于直臂段的膜材处于双向张力状态而关节处的膜材处于褶皱状态,所以采用了不同的加载比例并用正交异性的假设计算得到了膜材在不同应力状态下的材料参数。利用Abaqus建立充气操控臂有限元模型并针对关节褶皱的成型过程及气臂的力学性能进行数值模拟和参数分析,模拟结果表明褶皱构造有效地降低了关节的驱动力矩,实现了其设计目标。再次,研制了与有限元模型具有相同几何尺寸的充气操控臂样机,并用弹簧、渔轮和高强渔线简易实现了关节驱动滑轮组。对充气操控臂样机开展功能和性能试验,试验与有限元的结果吻合很好,这样有限元建模的合理性和结果的准确性得到了验证。最后,基于体积控制法,利用LS-DYNA的airbag模型进行充气结构在瞬态载荷作用下的内压动态响应模拟。在实现ETFE气枕恒压模拟的基础上,进行了气枕在上表面作用阶梯正负压外载荷时的内压动态响应数值模拟,得到的内压波动曲线与试验曲线吻合较好。这样,恒压模拟方法的可行性得到了验证,且根据气枕上表面作用正负压(模拟实际结构受到风压或风吸作用)时上下层膜面的最大应力过程,分别提出了针对实际结构在风压或风吸工况下考虑膜材强度安全的设计原则。而充气操控臂在恒压条件下的内压动态响应也利用了此方法进行数值模拟。