随着交通运输、航天航空等行业的快速发展,碰撞问题带来的安全风险愈发得到重视。智能电子元件的应用、新能源技术的普及以及各类新技术、新场景的涌现,也对结构在碰撞中的安全性提出了更高的要求。因此结构的吸能特性研究和耐撞性设计引起了许多学者的研究兴趣。薄壁管结构在轴向压缩下表现出的渐进屈曲变形使其可以吸收大量能量,也使其可以维持较为稳定的承载力,作为吸能元件具有广泛的应用前景。很多学者对薄壁管结构进行优化,提出了多种夹芯双管结构设计,使得结构的吸能效率和可设计性可以进一步提高。而实际工程中载荷情况复杂,且存在轻量化、高吸能、载荷平稳和高行程利用率等多种需求,利用双管结构的高可设计性,探索针对复杂工况的多目标设计方法很有必要。夹芯双管结构通常由同心的内外两薄壁管和两管间的芯层材料组成。夹芯双管设计提高了结构的空间利用率,但也提高了结构的复杂度,使得结构能量耗散机制更为复杂、设计优化更为困难。且结构吸能能力、轴压力平稳度、成本等不同实际目标的关键性能相互耦合,导致各指标难以独立调节。而实际碰撞方向的不确定性,致使设计需要兼顾不同角度下的加载。因此,夹芯双管结构在复杂工况下的吸能特性研究和耐撞性设计存在诸多难点。本文基于泡沫铝填充双管结构和多胞双管结构,采用数值模拟和实验研究,对其在不同加载下的吸能特性进行分析,深入了解不同构型夹芯双管结构在不同加载下的变形机制。从变形机制出发,针对夹芯双管结构的不足,提出了新的优化结构,并优化了夹芯多胞双管结构的多目标可控性设计策略。泡沫金属材料具有轻质、高比强度和压缩变形稳定等特点,将其作为填充物引入薄壁管中可以提高结构在轴向压缩下的吸能能力。针对双管结构变形复杂难以分析的挑战性问题,提出了一种对结构各组分间相互作用贡献进行解耦分析的方法。以双方管结构为例,揭示了结构在轴向压缩过程中不同阶段的相互作用机理和能量耗散机制,发现初始峰值力受相互作用的影响较小,且结构中内外管间的相互作用影响不显著。基于相互作用机制,提出了一种非等长双管结构设计,使得结构的初始压溃峰值力大幅度降低,且平台力不会受到明显影响。该方法解决了双管填充结构轴压峰值力过高的问题。分析了内外管长度差对峰值力的影响,发展了对结构初始屈曲和平台段轴压力的独立控制策略,提高了结构轴压承载能力和载荷稳定性的双目标可控性。将圆管和方管进行组合,提出了一种外方内圆双管填充结构。对新型结构开展了轴向压缩下的数值模拟,发现与质量相同的传统双方管结构相比,不同形状内外管间的变形干预显著提升,内圆管的变形受外管影响由圆环模式转变为金刚石模式,结构吸能能力也得到了明显提高。保持管壁厚度不变,随着内外管间距的缩小,上述内外管间的变形干预程度会提升,轴压力中的相互作用贡献比例不断提高。结合双管结构相互作用的解耦分析和量纲分析,实现了对新型结构平均轴压力的预测,理论分析与实验测试结果吻合较好。此外还分别探讨了去除方管四边位置芯层中的填充物的外方内圆四角部分填充设计和胶合作用的影响。对结构轴压行为的多力学性能评估表明,针对双管填充结构的优化设计策略能够实现轻质、高承载能力、载荷平稳等目标的平衡和提升。进一步开展了汽车前防撞系统中吸能盒的优化设计研究,并运用数值模拟和实验测试验证了双管填充结构优化设计策略对车辆正面碰撞的防护效果。结果表明,由于实际的防撞系统中的加载情形较为复杂,双管填充吸能盒会表现出与轴向压缩中不同的吸能特性。受到系统中其他部件协同变形的影响,吸能元件在碰撞过程中加载方向不稳定,导致吸能盒易发生倾斜,对系统的变形稳定性造成影响。研究还发现,吸能盒的长度和屈曲诱导设计共同决定了初始屈曲后后续变形的稳定性,在外管上有切口孔的泡沫填充吸能盒在车台撞击中比有边缘槽的吸能盒更稳定。本文优化了泡沫填充吸能盒的优化设计策略,将复杂系统加载带来的结构和系统稳定性影响进行了考虑。通过车台碰撞实验验证了该设计的有效性,该研究对车辆耐撞性多目标设计具有指导意义。薄壁管在车辆碰撞等工况下受斜向加载发生的整体失稳,会导致其承载能力大幅降低。鉴于此,对双管夹芯结构的设计需要使其同时兼顾轴压和斜压下的耐撞性。受鲸冠藤壶在海洋复杂力学环境中的高适应性启发,设计了一种新型的仿藤壶多胞双管结构。通过改变双管多胞结构的外管锥度,使结构兼具抗轴压和斜压的能力。在不同角度压缩的数值模拟中发现,新结构能明显提高轴向吸能效率和抗斜压失稳能力。并且仿藤壶多胞双管在斜压下出现的混合变形模式会延后结构的压实,提高结构的吸能能力。通过分析变形机理,发现不同锥度下仿藤壶管变形模式存在差异。进而利用简化超折叠单元理论,并考虑外管锥角的影响,实现对了仿藤壶管轴压过程中承载力的理论预测,预测结果在外管锥角小于20°范围内都与数值模拟结果吻合较好。该研究对指导多胞管结构在复杂工况下的耐撞性设计具有重要的理论和实际意义。