力学超材料并非通常意义上的材料,而是设计巧妙的人工微观结构。独特的力学性能使其在航空航天、柔性结构、机械传动等领域具有广泛的应用前景。随着3D打印技术的兴起,快速且精确地制备力学超材料中复杂的微观结构成为可能,超材料成为了国内外的研究热点。本文设计并改进了负泊松比、压扭转换及梁式力学超材料。所提出的新型负泊松比及压扭转换结构的力学性能显著提高,提出的新型梁式超材料显著改进了抗弯梁的力学特性,主要内容包括:首先,提出了三种负泊松比力学超材料,包括负泊松比圆弧曲线蜂窝芯结构、可调泊松比圆弧星型结构、基于曲线优化的Z杆和S杆内凹负泊松比结构。基于杆件变形理论和周期性边界理论,对提出的各个新型结构的代表体单元进行力学分析,推导出了各个结构的不同几何参数对其杨氏模量和泊松比等力学性能的影响。通过有限元仿真验证了力学分析的正确性,并通过3D打印制备了相应的试件并完成实验验证。结果表明,所提出的负泊松比结构有效提高了原结构的负泊松比效应。其次,提出了三种压扭转换力学超材料,包括倾斜内凹六边形圆柱壳压扭转换结构、基于曲线优化的S杆圆柱壳及立方压扭转换结构、高空间利用率的轴对称压扭结构—旋转弹簧。提出了圆柱壳压扭转换结构的斜杆变形理论和一种增加圆柱壳压扭转换结构空间利用率的同转角设计方法。通过有限元仿真及实验探究了各个结构的不同几何参数对其压扭转换效率的影响。结果表明,所提出的圆柱壳结构有效提高了压扭转换效率,所设计的旋转弹簧具有较高的空间利用率及稳定性。最后,提出了异抗弯刚度的设计概念,并设计了单材料和双材料异抗弯刚度梁式力学超材料,这种梁式结构在两个方向上展现出完全不同的抗弯刚度。通过3D打印制备了单材料和双材料异抗弯刚度梁的试件并进行了抗弯测试。凹凸结构的引入避免了单元间滑动的发生。双材料的结构设计很好地强化了异抗弯刚度特性,同时增加了结构的可靠性。本文所提出的新型力学超材料相较传统构型有较大的性能提升,在航空航天、车辆工程和机器人等领域有较好的应用前景。