随着航空航天以及汽车等运载装备向高可靠和长寿命发展,迫切需要采用复杂整体金属薄壳件代替传统的拼焊构件。目前,通常采用以薄板和薄管为坯料的流体压力成形技术制造这类整体薄壳件,其成形时将经历复杂的连续非线性加载过程,对金属薄壳材料的变形行为和成形极限都有显著影响。金属薄板和薄管具有的各向异性特征,使得变形更复杂、缺陷预测更难。本文通过实验和理论分析对金属薄壳在复杂加载条件下的变形规律、硬化行为和成形极限进行了系统研究,为复杂整体薄壳件流体压力成形提供理论指导。为了定量测试金属薄板连续非线性加载条件下的变形规律和成形极限,建立了与模具实时接触边界相关联的薄板胀形理论模型,提出了可实现薄板连续非线性加载的阶梯凹模胀形实验方法,解决了现有实验方法存在的摩擦影响和大塑性变形不均匀等问题。研制了金属薄板阶梯凹模胀形专用实验装置,结合数字图像相关技术（DIC）实现了薄板从初始变形到最终断裂全过程的实时控制。该装置理论上可实现应力比从0.5到2.0范围内的连续非线性加载路径。针对薄管,提出改变管端约束条件（端部可控加载、固定和自由三种方式）控制薄管胀形区应力状态的方法。研制了实现三种胀形实验的薄管连续非线性加载专用实验装置,可实现双向拉应力范围内任意连续非线性加载路径。通过薄板阶梯凹模胀形实验实现了连续非线性加载路径,揭示了低碳钢（ST16）冷轧薄板在连续非线性加载条件下的变形规律和成形极限。椭圆模具胀形时,胀形区极点处的主曲率半径比随着胀形高度增加逐渐趋近于椭圆模具的轴长比λ,应力比趋近于2-λ。阶梯凹模胀形时,两个阶段模腔截面形状的差异越大则加载路径的非线性越明显;胀形最后阶段的主曲率半径比和应力比的极限值由模具轴长比决定。连续非线性加载条件下,前期发生的双向等拉变形使低碳钢薄板的极限应变明显低于线性加载条件下的极限应变。通过端部可控加载的薄管胀形实验实现了线性加载路径以及连续非线性加载路径,揭示了铝合金（6061-F）挤压薄管在线性和连续非线性加载条件下的变形规律和成形极限。线性加载时,铝合金薄管表现出明显的各向异性,应力比为1.0时应变增量比高达3.0。在经历平面应变状态的变形后向双向等拉应变状态继续加载时,铝合金薄管能够获得比线性加载时更高的极限应变。从理论上分析了薄管在端部固定和自由两种条件下胀形时,连续非线性加载路径与胀形区几何参数之间的关系。薄管在这两种条件下胀形时的非线性加载路径主要由胀形区长径比决定。提出了以长径比为纵轴,环向应变和轴向应变分别为左右横轴的新成形极限图,实现了典型非线性加载路径下极限应变的直接表征。新成形极限图可为变径类管件流体压力成形时开裂的预测提供依据。建立了专用于薄壳平面应力状态复杂加载过程的各向异性硬化模型。模型能够描述包申格效应、潜在硬化和永久软化等各向异性硬化行为。基于两步拉伸实验数据建立了低碳钢薄板和铝合金薄管的各向异性硬化模型,准确描述了两种材料在两步拉伸时的潜在硬化和永久软化行为。理论模型预测的低碳钢薄板阶梯凹模胀形过程和铝合金薄管端部可控加载胀形过程与相应的实验结果吻合。建立了基于Clift韧性断裂准则的M-K新模型。分析了新模型的特性。新模型预测的成形极限线,在两端的单向拉伸和双向等拉附近弯曲降低,在双向等拉侧能够出现波峰现象。线性加载条件下,初始壁厚不均匀度越小,模型预测的成形极限越低,两端弯曲降低的程度越小;表征材料断裂条件的材料常数越小,两端弯曲降低的程度越大。新模型解决了传统M-K模型高估低碳钢薄板双向等拉极限应变和铝合金薄管单拉极限应变的问题。同时,新模型准确预测了低碳钢薄板和铝合金薄管在连续非线性加载条件下的颈缩应变。新模型预测的加载路径对成形极限的影响与实验结果一致。