随着大型航天器在空间探索中发挥着越来越重要的作用,大型轻量化结构的发展越来越受到重视。薄膜结构质量轻、展收比大,具有在未来航天器上应用的巨大潜力,主要包括天线、太阳帆、太阳电池阵、遮光罩和光学成像镜等应用领域。作为一种预应力结构,薄膜在刚度和稳定性方面相比传统结构具有不同力学特性,在空间应用中会产生更为复杂的技术问题,只有继续完善薄膜理论才能从根本上打破技术层面的制约。薄膜在空间中的应用依赖于展开结构的支撑,而薄膜结构对边界条件敏感的特性对大尺度支撑结构提出了更高的设计要求。虽然弹性伸杆适合展开薄膜,但其个体刚度较低,承载能力较弱,在大尺度空间薄膜结构上的应用受到了限制,无法充分发挥其可展开、质量轻的优势。在使用薄膜结构服务于空间探索任务时,既需要解决分析薄膜时的理论难点,提高对薄膜结构力学特性的认知程度,又需要丰富薄膜支撑结构设计,增强薄膜结构在空间中的应用能力,本文从这两个角度出发,一方面进行了薄膜结构理论建模和力学特性分析,另一方面进行了基于豆荚杆展开的三棱柱式薄膜支撑臂设计。本文基于前褶皱薄膜结构张拉的对称性,提出张拉薄膜结构应力叠加法。通过应力叠加组的划分,将多点张拉矩形薄膜的应力分布求解解耦为角点拉力、长边点拉力和宽边点拉力这三种拉力分别作用下的应力分布计算,提出每种作用力下应力区域划分方式和应力计算方法,从而实现对薄膜结构应力分布的解析求解。考虑了薄膜的几何刚度、网格划分和空气附加质量,建立薄膜自由振动方程。给出薄膜内任一点受力确定方法,构建基于应力叠加法的自由振动计算流程。基于应力叠加法理论,计算角点张拉和多点张拉薄膜的应力分布,通过与有限元仿真结果的对比,对张拉薄膜结构应力分布的理论结果进行验证。基于多点张拉薄膜结构地面实验要求,设计薄膜动力学实验平台,构建薄膜振动测试系统。对比理论结果与文献中现有实验数据,并结合不同张拉薄膜研究对象,通过仿真、实验和理论计算三种方式,综合比较薄膜应力分布和结构模态,验证应力叠加法及基于此方法的薄膜自由振动计算结果。利用提出的应力叠加法和自由振动计算理论,研究张拉边界参数对薄膜应力分布与前六阶模态的影响。在角点张拉的矩形薄膜中分析花边弧度在不同长宽比条件下对薄膜力学特性的影响;提出大气和真空环境下各阶对应频率比值变化公式;分析薄膜应力分布和结构模态随长宽比的变化;对比分析长、宽边点拉力值和拉力点密度对薄膜应力分布、纵向模态和横向模态影响的差异,根据力学特性分析,提出长条形薄膜的张拉设计方法,得到薄膜结构的设计依据。基于大尺度薄膜结构的空间应用背景,设计基于豆荚杆展开的三棱柱式空间薄膜支撑臂构型,采用双层绳索张拉方式提高对薄膜的支撑刚度。在豆荚杆建模基础上,根据能量等效原理,推导三棱柱桁架等效梁模型,结合并联机构理论,建立支撑臂张拉等效2（3-SPS-S）机构模型。以桁架单位长度质量最小为目标建立三棱柱桁架弯曲性能指标,设计豆荚杆截面参数。以支撑臂张拉支撑刚度最大为优化目标设计支撑臂张拉参数,并通过有限元仿真验证等效模型的正确性,确定质量与刚度综合特性最优的薄膜支撑臂结构参数。结合薄膜在三棱柱桁架上的应用背景,设计三棱柱式薄膜支撑臂原理样机,通过实验验证三棱柱桁架与薄膜之间的动力学耦合模型,为薄膜在空间结构中的设计和应用提供参考依据。