负泊松比结构作为一种新型功能材料,具有负泊松比、多孔轻质和变刚度等优异性能,而周期性负泊松比多胞结构的细观胞元参数和宏观力学响应之间的直接联系也展现了其功能化设计的潜力,在汽车、航空航天和人体保护等行业都有着巨大的应用前景。通过对负泊松比结构的变形机制、静动态性能和参数化设计进行系统而深入地研究,能极大地推动负泊松比结构在理论研究和工程应用领域的发展。商用车作为我国汽车工业的一大主体,保有量不断增加,相关法规日趋成熟,其安全性也受到了越来越多关注。但与乘用车相比,商用车的碰撞安全性研究的分析手段和改进技术尚不完善,在碰撞模拟、耐撞性设计和乘员伤害分析等方面也需要更深入的实践和研究。为了促进商用车被动安全性研究,本文基于内凹六边形胞元提出并研究了一种负泊松比多胞结构,主要包括一种负泊松比蜂窝结构和一种新型负泊松比点阵结构,从理论推导、数值分析和试验研究等方面对内凹六边形负泊松比结构的静动态力学特性进行研究,并将其创新性地应用于吸能盒优化设计,结合某M1类商用车进行结构耐撞性设计,显著改善了该车型在正面碰撞中的被动安全性能。本论文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)以常规均质化理论为基础,提出了一种基于应变叠加的离散系统均质化方法,通过借鉴Guyan缩减法的基本原理将场量如位移、应变场等分为均质应变和变量应变,采用应变变换矩阵将两者相叠加,代入求解虚位移平衡方程,从而得到均质化后结构的等效理论弹性参数。(2)以内凹六边形胞元为基础建立了一种负泊松比蜂窝结构的力学解析模型,结合提出的均质化方法求解负泊松比蜂窝结构的面内等效弹性参数,并以此为基础,给出了细观胞元几何参数如胞臂截面系数、胞臂长度系数和胞元夹角与蜂窝结构的等效弹性模量、等效泊松比和等效密度等结构静态等效弹性参数的关系。(3)基于Euler-Bernoulli大变形梁单元建立了负泊松比蜂窝结构有限元模型,通过与实体单元建立的模型进行面内加载仿真对比,验证了简化梁单元模型的精度和计算效率。对负泊松比蜂窝结构进行面内准静态压缩模拟,深入分析了具有不同胞元几何参数的蜂窝结构在面内静压过程中展现了特殊性能。对5×3型蜂窝结构进行了样件试制和面内压缩试验研究,验证了采用有限元法分析结构面内压缩性能的准确性。采用理论分析手段研究了胞臂失效形式,并推导了相应极限应力的表达式,初步研究了蜂窝结构面内压缩平台应力与胞元几何参数的关系,为负泊松比蜂窝结构设计提供理论参考。(4)建立了一种负泊松比点阵结构有限元模型,讨论了单元尺寸对模型精度的影响,通过对结构进行轴向冲击仿真模拟,重点研究了负泊松比点阵结构在恒速冲击下的变形模式、冲击动态响应以及能量吸收特性,并给出了结构相对密度和冲击速度对于点阵结构冲击特性的影响。与具有正泊松比特性的笼式点阵结构的对比研究表明:负泊松比点阵结构在冲击过程中具有更稳定的动态响应和更高效的吸能特性。(5)基于内凹六边形负泊松比点阵结构提出了一种新型负泊松比结构汽车吸能盒,对新型负泊松比结构吸能盒进行了低速和中速两种工况下的轴向碰撞仿真模拟,并将仿真结果和传统吸能盒的碰撞仿真结果进行对比研究,验证了新型负泊松比结构吸能盒在不同速度工况下具有更优异的碰撞吸能特性。探讨了不同内芯材料对新型吸能盒碰撞性能的影响,最终确定尼龙作为新型吸能盒负泊松比结构内芯的基体材料。为了对吸能盒进行多工况耐撞性协同优化,建立了新型吸能盒的参数化模型,将基于Taguchi法的正交实验设计和最小二乘支持向量回归相结合构造了目标响应的代理模型。提出了一种面向多目标的时变系数改进粒子群优化算法,并用于求解多目标优化问题,最终得到的完整的Pareto前沿,从解集中选取的优化方案经验证具有更好的碰撞安全特性,表明提出的耐撞性协同优化方法有效,且优化过程效率高。(6)基于商用车碰撞安全标准GB 11551-2014,对某M1类商用车进行正面碰撞安全性能分析和结构优化。对比研究了GB 11551-2014和原标准GB 11551-2003的技术指标差别,遵照GB 11551-2014要求对某型号M1类商用车进行了实车正面碰撞试验和安全性分析。建立了整车有限元模型,通过对比正面碰撞仿真结果与实车正碰试验结果验证了模型的准确性。实车正面碰撞试验和仿真分析结果均表明该车型由于前端结构吸能能力较弱导致整车正碰安全性能无法满足标准要求。为改善车辆前端结构吸能特性,建立了包含车架及前端结构的碰撞子模型,并以此子模型为基础进行结构耐撞性优化设计:通过增设负泊松比结构新型吸能盒以及优化车架前端结构形状以增加车辆前端吸能部件,在此基础上对主要吸能部件的厚度进行多目标尺寸优化以改善其吸能特性。最终将决策出的最优方案应用于车架子模型及整车模型进行正面碰撞仿真分析,结果表明:优化后的车架及前端结构在子模型碰撞分析中碰撞吸能特性改进明显,而优化后的整车在正面碰撞仿真中的整车变形、能量吸收和乘员保护指标等方面也有了显著改善,进一步验证了耐撞性优化设计的有效性。