民用运载装备的发展呈现重载化、高速化的趋势,而军事装备所处的冲击环境也不断恶化。各种民用和军用的结构、人员与设备的冲击防护问题俞显重要,对结构的冲击防护能力要求不断提高。动力与操控等方面的指标还需对防护结构重量有所限制。因此,分析冲击防护结构在冲击载荷作用下的变形模式和吸能机理,提出使结构冲击防护能力提升并控制结构重量的方法,一直是研究热点。本文针对碰撞冲击和爆炸冲击两种荷载工况,研究冲击防护结构的设计方法,并提出轻质构型。针对轴向碰撞冲击问题,建立了薄壁管结构冲击性能的提升设计方法,提出了截面分区变厚度薄壁管设计、局部强化截面变厚度多胞管设计,并推导了薄壁管吸能性能的预测公式。针对横向碰撞冲击问题,研究了含内部填充的薄壁梁的吸能性能,提出了基于内部填充加强筋的薄壁梁吸能提升设计,分析了其冲击防护性能。针对爆炸冲击防护问题,提出了基于拓扑优化的格栅夹层板结构抗冲击性能优化设计方法,设计出一种腹板梯度分布的格栅夹层板;考虑夹层板受到面外动态压缩的响应阶段,提出了对基本单元强化设计的格栅夹层板结构的新构型,并分析了结构的吸能性能。具体内容和成果如下:(1)截面分区变厚度薄壁方管轴向压缩性能分析与设计。根据薄壁方管轴向压缩下的耗能机理,提出截面分区变厚度设计,在折角区域采用较厚的壁厚实现局部强化。基于基本变形理论对轴向压缩下截面分区变厚薄壁方管的性能进行理论分析,建立了平均压溃力的预测公式。对均匀壁厚和截面分区变厚度的薄壁方管进行轴向压缩试验和仿真分析,验证了局部强化设计的合理性和预测公式的正确性,讨论了截面参数对截面分区变厚薄壁方管轴向压缩性能的影响,并对截面参数进行了优化。截面分区变厚度设计显著的提升薄壁方管轴向压缩吸能性能。(2)局部强化截面变厚度多胞管轴向压缩吸能分析与优化。将正方形多胞管的基本折角单元分类,并考察各种基本单元在轴向压缩下的能量吸收性能。基于不同基本单元吸能效率的差异,设计了一种截面变厚度多胞管,并对正方形多胞管的截面厚度进行了优化。采用理论和仿真的方法考察了截面变厚度多胞管的轴向压缩吸能性能,建立了截面变厚度的多胞管轴向压缩下能量吸收性能预测公式。理论分析与数值仿真结果显示,考虑基本单元吸能效率的局部强化截面变厚度设计提升了多胞管的轴向压缩吸能性能;理论预测公式能快速、准确预测多胞管的轴向压缩吸能性能。基于截面厚度分布优化设计结果,提出了吸能性能更佳的截面变厚度非凸多胞设计。(3)基于填充加筋的薄壁方管(梁)横向冲击吸能性能提升设计。通过分析空心薄壁方管、多胞方管和填充泡沫的薄壁方管横向冲击下的变形特点,提出通过填充加筋来改变薄壁方管的截面拓扑形式。加筋和薄壁管相互影响可以改变结构的弯曲变形模式。加筋和薄壁管之间的连接难以描述,本文考虑两种极限连接情况的结构性能,并利用加权求和的方式来估计不同连接强度结构的性能。对几种填充加筋薄壁管的横向冲击性能进行数值分析,发现填充加筋可以使薄壁管在横向冲击下的能量吸收性能和剩余抗弯能力得到了提升,加筋的截面设计还能进一步提升结构的性能。(4)面向爆炸防护的格栅夹层板设计方法。分析格栅腹板的参数对夹层结构性能的影响,建立夹层腹板参数与等效板厚度的等效关系,将夹层板等效成一定厚度的实心板。采用混合元胞自动机方法设计固支等效板在不同载荷下的厚度分布。根据等效厚度分布和各正交方向上的应变分布特点,将夹层板根据功能在平面内分成3种区域,并按照夹层腹板参数与等效板厚度对应关系在不同区域内设置腹板参数。根据这种设计方法,本文提出了4种形式的梯度格栅夹层板,具有良好的承载和抗冲击性能。相比其他优化设计方法,该设计方法效率较高,且对初始设计要求很低。(5)基于基本单元强化的格栅夹层板面外压缩吸能性能分析与优化。为提升格栅夹层板面外压缩吸能性能,需要对格栅夹层板进行优化设计。考虑到格栅由“十字形”基本单元周期性排列构成,因此考虑对“十字形”基本单元进行强化设计,提出一种基于基本单元强化的格栅夹层板。考虑到结构的几何不对称性,在理论分析时引入几何差异系数,并建立改进格栅夹层板面外压缩性能预测公式。对改进的格栅夹层板面外压缩性能进行分析,并对格栅夹层板的截面特征参数进行了协同优化设计。对于格栅夹层板,单一截面参数设计带来的面外压缩吸能性能的提升有限,协同设计多种截面参数可以极大的提升结构的面外压缩吸能性能。