汽车碰撞问题和高强度冲击波问题是碰撞类和爆炸类问题中造成人员损伤和财产损失的最主要因素,是当下学术界和工业界的研究重点。学者们提出多种方法来进行汽车碰撞问题和冲击波问题的防护。其中,应用最广泛的是基于材料损伤的吸能理论和基于冲击对抗的反动量理论。虽然前人的研究取得了一定的成果,也存在较大的局限性。如针对冲击波问题的材料变形吸能会造成材料的巨大损伤,而反动量理论需要复杂的机械结构来实现;针对碰撞问题的材料压溃吸能无法实现对碰撞载荷的主动和高效衰减。因此,急需展开对能够高效衰减汽车碰撞载荷和冲击波超压的新型材料的研究。局域共振型超材料是当前新型材料的研究热点,是人造的可设计材料或结构,可展现出不符合自然界规律的非凡物理属性。这些物理属性在隔振吸声、波导、能量回收、隐身、成像等领域具有广阔的应用前景。基于局域共振型超材料的负有效质量属性,全文展开了其在汽车碰撞载荷衰减和冲击波超压防护以及冲击能量耗散等方面的研究。对比传统材料,局域共振型超材料在无需复杂结构和巨大材料损伤的前提下实现了对冲击波超压更为高效的缓解;实现了冲击载荷在时域和频域下幅值的高效衰减,降低了整车碰撞的峰值加速度,增加了回弹时刻,实现了车身耐撞性能的显著提升。全文主要在局域共振型超材料的微结构设计、关键参数匹配、阻尼材料设计、冲击波超压的衰减以及车身耐撞性能的提升等方面展开研究,主要研究内容和创新点如下:1.启发于自然界中树木的生长姿态,建立菩提树和普通树木的仿生模型,提出相应的仿生全局优化算法——多目标人工树木(MOAT)算法和单目标人工树木(AT)算法。通过对多组典型的数值算例的计算以及多种高效全局单目标和多目标优化算法的应用,证明了AT和MOAT算法的高效率和高精度。AT和MOAT算法可以被扩展应用于局域共振型超材料的优化设计。2.建立单激振子局域共振型超材料(SRM)和双激振子局域共振型超材料(DRM)的力学模型并对它们的激振子运动、色散关系和负有效质量属性展开研究,阐述了超材料衰减带隙和负有效质量属性的产生机理。通过对外部弹簧刚度的调节研究,讨论了其对超材料整体衰减效率的影响。建立SRM和DRM的一维冲击波模型,分析晶胞个数,外部弹簧刚度以及微结构类型等关键参数对冲击载荷幅值和频谱幅值的衰减影响,并给出相关的参数影响规律。3.提出一种多激振子局域共振型超材料(MRM)的力学模型,理论分析表明:相对于SRM和DRM,MRM具有更复杂的激振子运动、更多的带隙和更宽的负有效质量频率区域,这些预示着MRM可以进行宽频谱冲击问题的衰减和吸收。通过对无量纲参数的灵敏度分析研究了各个参数对MRM负有效质量属性的影响,并给出相关的影响规律。建立一维的冲击波模型和三维的碰撞模型,进行冲击载荷幅值和频谱幅值的衰减研究。仿真结果表明,MRM在更少的晶胞个数,更小的超材料质量的前提下可实现与SRM和DRM相似的表现。此外,MOAT算法被应用进行MRM的优化设计,实现了更优的衰减效果。4.结合阻尼的特性和MRM模型提出Kelvin-Voigt-type(KVT),Maxwell-type(MT)和Zener-type(ZT)三种耗散多激振子超材料的力学模型。理论分析了三种耗散超材料模型的负有效质量属性、超阻尼现象以及激振子的运动特性,得出无量纲阻尼参数对各个耗散超材料模型的影响规律,为耗散超材料的设计提供依据。建立一维的冲击波模型和三维的夹层结构碰撞模型进行冲击载荷幅值衰减、冲击能量耗散以及夹层结构保护的研究。针对三种耗散超材料,研究不同阻尼模型下超材料的表现情况以及阻尼参数对它们表现的影响,并给出相应的影响规律。基于AT算法进行一维KVT型超材料的阻尼参数设计,实现了宽频谱的衰减效果。最后,给出了关于三种耗散超材料衰减和耗散表现的结论。5.建立三维的微尺度超材料模型进行中高频冲击波超压的调控和衰减。仿真结果证明了微尺度超材料优异的冲击波超压衰减效果。通过对微尺度超材料中材料、几何信息以及微结构的设计得出影响超材料表现的关键因素并显著提升超材料的衰减效果。通过应用一维的非线性弹簧质量系统建立微尺度超材料的等效模型,运用AT算法进行弹簧刚度参数的反求,获取较为一致的截面压强响应结果。基于弹簧质量系统建立三维的宏观尺度的平板超材料模型,实现宏观尺度下中高频冲击波超压的高效衰减以及橡胶结构应力的显著降低。此外,通过与传统材料的对比,验证了局域共振型超材料更优的衰减效果以及更大的结构轻量化潜力。6.将MRM应用于整车的耐撞性设计研究。建立前纵梁的轴向压溃模型来研究局域共振型超材料的冲击载荷幅值衰减以及冲击能量耗散特性。通过分别应用多激振子核心和KVT型多激振子核心来研究激振子和阻尼特性对前纵梁结构碰撞响应的影响。建立纯电动汽车的整车正面碰撞模型并应用KVT型超材料来降低车身加速度峰值和增加回弹时刻。最后,应用MOAT算法进行KVT型超材料的关键参数优化设计来进一步提升前纵梁模型和整车正面碰撞模型的碰撞响应并降低超材料质量。