空间薄膜结构具有低质量、高折展比的优势,在空间探测中具有很好的应用前景。其在轨时主要受到的载荷为轨道维持时产生的脉冲载荷、进出地影产生的热致变形载荷,随后在该载荷作用下做自由衰减振动,因此可视为给定初始位移的自由振动。薄膜需要通过施加张力的形式提供弯曲刚度,在自由振动过程中,当初始位移较小时,张力变化可忽略,属于刚度无变化的线性自由振动;当初始位移较大时,张力变化不可忽略,将出现刚度随张力变化而变化的非线性振动现象,从而改变薄膜结构的动力学特性,因此有必要对薄膜结构的非线性自由振动进行相应的研究。提供张力与支撑的框架的刚度一般远大于薄膜,薄膜的边界可视为刚性边界,因此,本文将以四周固支的矩形薄膜为研究对象,研究薄膜结构自由振动的动力学特性。首先从理论分析的角度对薄膜结构自由振动非线性效应进行研究分析。通过建立连续系统下的自由振动偏微分动力学模型,考虑张力变化带来的非线性效应,推导得出薄膜结构非线性自由振动基频的一阶、二阶近似理论解以及对应的含有高次谐波项的薄膜结构振动函数表达式,得到初始位移影响薄膜结构动力学特性的关系式。在此基础上,引入阻尼系数,分析有阻尼情况下薄膜结构的非线性振动现象,得到非线性振动与线性振动的区别。根据非线性自由振动基频一阶近似解,建立无量纲化动力学模型,推导得出了采用相同材料但不同尺寸的薄膜结构间具有相似动力学特性的条件。根据非线性动力学模型,在给定可接受误差的条件下,建立线性适用准则,为薄膜结构选择分析方法提供判断依据。其次从仿真分析的角度对非线性效应进行研究。通过建立薄膜结构仿真模型,使用非线性分析方法,对薄膜结构自由振动进行分析。通过施加不同的初始位移,对其响应曲线进行分析,可得出薄膜结构在张力变化不可忽略的情况下,基频随张力变化的非线性自由振动的特性,与理论分析具有较好的一致性。并通过改变薄膜结构参数,验证了无量纲化模型与线性适用准则的准确性。针对薄膜结构的地面验证,对空气环境下薄膜结构自由振动的非线性效应进行仿真分析,分析得出空气对薄膜结构自由振动的影响。最后从试验分析的角度对非线性效应进行研究,以理论分析与仿真分析的结果为基础,设计了相应的试验方案,开展大气和真空两种环境的薄膜结构自由振动试验研究。试验结果表明,薄膜结构在张力不可忽略的情况下,出现了明显的非线性振动现象,且与理论分析结果和仿真分析的结果具有较好的一致性。