负泊松比多胞结构是一种轻质高性能结构,在航空、航天和军工等领域拥有广泛的应用前景。相较传统材料,负泊松比多胞结构拥有优异的物理性能和独特的力学性能,对材料的制造使用和性能提升有重要意义。对负泊松比多胞结构进行结构设计和性能优化可以为实际工程提供更可靠的设计依据。本文采用理论分析、有限元模拟及实验测试从结构设计、拓展方式及参数优化等方面研究多种具有负泊松比及压-扭耦合特性三维多胞结构的力学性能。首先,在星型多胞结构的基础上提出一种新型多凹角负泊松比多胞结构。基于能量法推导了其在压缩载荷下归一化杨氏模量和等效泊松比的表达式,结合有限元模拟和压缩实验讨论了各几何参数对结构力学性能的影响。结果表明,尖端内凹角、外夹角、斜杆间距及胞壁厚度等都是其关键影响因素。此外,连接杆数目的变化可使多凹角结构分别呈现出负泊松比、零泊松比和正泊松比三种变形状态。其次,采用Python脚本和多岛遗传算法设计了一种高效参数优化方法来满足多胞结构轻量化与高负泊松比的双重需求。选用双向内凹结构作为优化对象,对其进行理论分析、脚本建模和实验验证,对比分析以确保脚本的有限元结果可靠性。结果表明,利用Python脚本模型和多岛遗传算法相结合的优化模型能够极大地提高负泊松比多胞结构的设计效率。此外,三维负泊松比蜂窝结构能以此优化结果为设计依据。再次,提出了一种具有压-扭耦合特性的三维多胞结构,通过分析相对密度与几何参数之间的关系,实现结构轻质化设计。并且通过理论分析、实验和有限元模拟研究了双斜杆压-扭耦合多胞结构在单轴压缩载荷下的单位应变扭转角。结果表明,单位应变扭转角的影响因素主要包括梯度排列、尺寸效应以及胞间约束。此外,改进的双斜杆压-扭耦合多胞结构相较于已有压-扭耦合多胞结构具有更大的单位应变扭转角。最后,结合仿生设计理念提出了多种变截面压-扭耦合多胞结构。采用变截面扭转理论建立理论分析模型,并结合有限元模拟和压缩试验对胞元的截面比、斜杆数及偏心距等参数进行研究。结果表明,截面比、斜杆数和偏移比可以有效改变其扭转效果和承载能力。此外,纺锤型结构相较于其他轴向扩展结构拥有更大的单位应变扭转角,手性旋转结构相较于其他径向扩展结构拥有更大的单位应变扭转角。