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作为一种新型轻质结构,二级层级褶皱结构由于具有较高的比强度和比刚度,在汽车、航空航天、桥梁结构等领域拥有广阔的应用前景。该结构在不同层级上均可发生多种类型的失效模式,一方面给工程应用带来巨大的挑战,另一方面,为满足不同的工程需求设计不同性能的结构形式提供了可能。目前的理论研究集中在力学特征、失效行为和性能设计等方面,但是当结构的厚度较大时,现有方法的误差较大。因此,本文引入Mindlin理论对二级层级褶皱结构的失效行为进行了研究,推导得到了二级层级褶皱结构的中厚板模型,具体内容包括以下三个方面：(1)采用基于Mindlin理论的中厚板模型推导了承受压缩载荷或剪切载荷的二级层级褶皱单胞结构所有可能发生的六种失效模式对应的名义应力表达式,并将文献中的梁模型和薄板模型的理论公式推广到大支撑与小支撑倾角任意的情况。构建六种不同失效模式的单胞结构,与有限元结果进行对比,证明中厚板模型具有较好的精度。考察不同厚度的二级层级褶皱结构来研究中厚板模型的适用性,并以有限元结果为基准,与薄板模型的结果进行对比。(2)引入中厚板模型和薄板模型分析二级层级褶皱夹芯梁的失效行为。分别考察了三种工况：三点弯曲、均布载荷以及集中力载荷。将二级层级褶皱夹芯梁所有可能发生的失效模式类型划分为八类：面板塑性屈服、面板弹性褶皱、大支撑塑性屈服、大支撑剪切屈曲、大支撑弹性屈曲、大支撑弹性褶皱、小支撑塑性屈服和小支撑弹性屈曲。分别推导了三种工况下八种失效模式对应的极限载荷表达式。(3)基于中厚板模型和薄板模型,对失效模式约束下的二级层级褶皱结构单胞进行多目标优化设计。利用名义应力公式控制发生的失效模式类型、有限元软件求解结构的挠度,建立了两种优化模型：一是满足特定失效模式(大支撑弹性褶皱)优先发生；二根据损失大小将失效模式分级,并按照等级序列发生。采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)以最小重量和最小挠度为多目标进行了优化。优化完成后,选取Pareto前沿图中的典型设计点并分析其性能。最后,建立有限元模型,验证设计点发生的失效模式满足约束条件。