作为一类形式简单、吸能效果优良的薄壁结构,承受轴向荷载的管状吸能元件被广泛应用于车辆、飞行器以及船舶等运载工具中。近年来,随着我国陆地交通、航天、航海领域的迅猛发展,对薄壁结构的吸能特性提出了越来越高的要求。由于运载工具的结构形式和应用场景的日益复杂及不断变化,传统的简单管状吸能元件(如圆管和方管等)已经不能满足实际应用的需求。因此,本文在传统圆管中引入增强策略、初始缺陷策略以及功能梯度策略,设计出两类新型的吸能元件,即泡沫填充梯度刻槽管和泡沫填充开孔圆管。通过实验和数值模拟的手段对这两类元件的轴向吸能特性进行了深入研究,并进一步给出了用于指导设计的理论分析。本文主要的工作和结论如下:(1)通过能量吸收机理将刻槽管分为“A型”和“B型”,将功能梯度策略引入“B型”刻槽管,设计出三种梯度刻槽管。通过实验、理论和数值模拟研究了薄壳区域的宽度梯度和厚度梯度对刻槽管吸能特性的影响。结果表明,引入厚度梯度对刻槽管能量吸收的提升更为显著,且能够产生更加稳定的变形模式。(2)提出提高刻槽管材料利用率的方法,并将泡沫填充引入刻槽管中以提高其能量吸收以及在压溃过程中的稳定性。由对LY12铝合金梯度刻槽管的实验结果可知,具有较“弱”厚壳区域的空刻槽管总是产生伴随断裂破坏的非轴对称模式,而填充泡沫铝可使非轴对称模式转换为轴对称模式,进而提高了能量吸收性能。厚壳区域的厚度对维持刻槽管的稳定性十分重要,缩减厚壳区域的宽度既可以提高刻槽管的材料利用率又可以显著增加刻槽管的能量吸收。由对304不锈钢梯度刻槽管的实验结果可知,包含较“强”厚壳区域的刻槽管具有很强的自稳定能力;填充泡沫铝和设置连续的厚度梯度均可使包含较“弱”厚壳区域的空不锈钢刻槽管产生更加稳定的变形模式,从而提高其能量吸收性能。对比铝合金和不锈钢刻槽管的实验结果可知,不锈钢刻槽管不易产生断裂破坏并且具有十分规则、平稳的力-位移曲线,而铝合金刻槽管和泡沫之间的相互作用更加明显且具有更高的比吸能。(3)通过引入塑性铰的曲率,建立了“B型”刻槽管轴向压溃的修正理论模型。与文献已有模型相比,本文模型能够显著提高预测有效压溃距离、总能量吸收和平均压溃力时的准确性。此外,本文还进一步提出了刻槽管在轴向冲击荷载作用下的理论模型。该模型同时考虑了惯性和应变率效应,可以较为准确地反映出刻槽管在冲击荷载作用下的动力行为。(4)将泡沫填充策略引入开孔圆管中,提出一种新的吸能元件。实验研究结果表明,对于空开孔圆管,增大孔半径和减小孔间距均会导致不稳定变形模式的产生;而填充泡沫铝则可以使不稳定的变形模式转换为较稳定的变形模式,进而使能量吸收性能提高。此外,本文还对产生轴对称模式的开孔圆管建立了一种新的理论模型。该模型同时考虑了偏心因子和材料的应变强化效应,且对开孔圆管吸能特性的预测明显优于已有模型。由理论结果可知,增大管半径、减小壁厚、提高泡沫的平台应力以及选择应变强化效应明显的管壁材料均可显著提高泡沫填充开孔圆管的正则化平均压溃力,而提高应力比可有效提高泡沫填充开孔圆管的比吸能。