柔性薄膜基底层合结构具有轻质化、大变形、便携性等优点,在柔性热防护系统、柔性电子以及生物医学工程等多个前沿领域中都具有广阔的应用前景。相比于传统刚性结构,柔性薄膜基底层合结构在外载荷作用下更容易失去稳定性,随之产生大范围屈曲波,从而改变了结构的形态并影响了结构的力学或物理性能。本文采用理论、实验与仿真相结合的方法,重点研究柔性薄膜基底层合结构的屈曲失稳行为,对柔性层合结构的设计与应用具有重要的理论和工程意义。首先,采用能量法获取薄膜基底层合结构的屈曲和分层临界预报公式,并通过实验及数值分析方法进行参数化分析和对照。实验中制备具有高界面粘结强度的柔性薄膜基底层合结构,在单轴压缩工况下其表面会出现褶皱、分层失稳形貌,借助VIC-3D非接触数字摄影测量技术可获得其形貌及相关特征参数。通过有限单元法建立“预拉伸-压缩”模型,得出薄膜、基底的弹性模量、泊松比等材料参数对于整体失稳的影响。其中不同预制裂纹长度对失稳模式有很大影响,使得柔性薄膜基底层合结构发生由屈曲到分层的演化,这为控制结构出现变形的方式提供了指导。其次,以柔性热防护系统为研究对象,通过仿真分析施加表面压强工况下层合铺设的平板型柔性热防护系统,其横向变形仅为0.01%,难以实现随航天器的气动外形改变而产生大变形。从材料方面进行改性设计很难突破断裂强度的瓶颈。根据褶皱的“过度收缩”特性,这里提出了加入波纹曲面设计的柔性热防护系统结构设计方案,旨在实现既能抵抗强热、最大限度地减少气动热传入结构的内壁,又能实现高效法向承载、横向大变形,对航天器进行随体保护。通过仿真分析验证,增加了波纹型曲面设计的柔性热防护系统通过增大褶皱波幅值、减小波长,可以在保证法向承载的基础上增强横向大变形能力。最后,对不同构型的柔性热防护系统建立三维传热模型,并施加表面压强,通过完全热力耦合仿真分析,证明波纹型柔性热防护系统的防隔热效果优于平板型热防护系统。实验实际制备石英纤维毡层合热防护样件,进行平均导热系数测试,得到层合结构相对于单一防隔热材料的隔热效果评估。通过制备平板构型柔性热防护系统和整体结构具有曲率的波纹型柔性热防护系统,进行高温热流实验,对比相同时间后试件的冷面温升,证明波纹型柔性热防护系统防隔热效果优于平板型热防护系统,与仿真结果相符。