近年来,随着经济和社会的发展,人们对具有超常特性的新型材料需求越发强烈。超材料是人为设计内部结构单元的超常材料,具有天然材料所不具备的特殊物理性质,可以满足更苛刻的环境条件,也更能适应实际工程中的不同需求。折纸和裁剪结构由于其极其丰富多样的形态和无穷的设计空间,最近成为超材料重要的设计来源,受到科学界和工程界的广泛关注。基于折纸和裁剪技术,本文将理论研究、数值模拟与实验相结合,从形态和力学特性方面对用折纸和裁剪技术调控材料力学性能进行了进一步的尝试和探讨,为现有的超材料研究与应用提供了新的设计角度与理论支撑。本文在前人的研究基础上,在基于折纸和裁剪技术的超材料形态及力学特性方面进行的研究主要内容如下:（1）研究了基于折叠柱的超材料,分析了刚性折叠柱和非刚性折叠柱结构单元的几何和受力特性。本文提出了一种新的刚性折叠柱,验证了其刚性可动性,分析了其运动过程及负泊松比特性,并将两个折叠柱相连进行了自锁研究;在经典的六折痕模式中引入折痕,提出了新的非刚性折叠柱构型,分析表明新构型的展开应力较低,可实现平稳展开。（2）在折叠中引入裁剪,提出了一种可自锁且具有较高强度的交叠型超材料。分析了该结构的几何自锁机理:折叠中,当剪开的两部分完全重叠时,这两部分会与相邻截角四面体单元接触,使得整体结构无法继续运动。采用加载试验分析了该超材料受压时的高强度机理:从整体结构角度,相邻单元连成整体可以带来强度增加;从每个截角四面体单元角度,相邻单元间的联系扰动了单元的屈曲模式,单个单元变成了壳体,侧板从对边简支板变成了四边简支板,提高了承载力。采用金属材料和其他聚合物材料（透明胶片）制作的结构也具有几何自锁和高强度的特性。（3）基于裁剪技术,研究了用剪切块调控变形形状的可自驱动变构超材料的形态,给出了由剪切块几何参数和材料参数预测条带变形后形状的方法。自驱动依赖于两种膨胀率不同材料的相互作用,根据两种材料相对位置,条带可分为刚性材料在没有剪切块的一侧和刚性材料在有剪切块的一侧,其中前者的变形模式是弯扭耦合,后者的变形模式是面外纯弯。将条带简化成曲线,结合局部曲线理论,从几何角度和力学角度分别分析了弯扭耦合变形,建立了变形后螺旋线几何方程中参数与剪切块几何参数和及材料参数的联系,推导了变形模式的解析解。并对比了不同剪切角度下的有限元计算和解析计算得到的螺旋线几何参数,验证了公式推导的正确性。（4）不同的边界条件下,有剪切块的自驱动变构条带具有不同的变形形态及稳态特性。结合实验和有限元计算,对比了有双向剪切块的条带（两个方向夹角是90°）在完全自由、两端固接、两端可平动三种边界条件下的变形模式:自由条带均匀变形,变形后形成的两个螺旋形夹角为90°;两端固定条带无明显变形;两端可平动条带变形中存在稳态跃迁,变形后形成的两个螺旋形夹角为180°。结合自由条带变形研究了两端可平动条带的稳态变化机理,并提取了两端可平动条带有限元计算结果中条带中心曲线坐标,计算了三个跃迁时刻曲率和扭率沿弧长的分布情况,发现扭率分布关于中心处反对称,曲率正对称分布。边界条件影响变形模式的根本原因是条带变形模式和约束形式几何不相容。更进一步地,分析了仅有端部剪切的条带在不同边界下的变形模式,其中两端可平动时,这种条带可以螺旋状变形并具有多个稳态。设计了一种变形和边界相容的V型条带,该种条带完全自由和有边界时的变形模式相同。（5）研究了有剪切块的板状自驱动变构超材料,对逆向设计的方法进行了初步探讨。为保证剪切块有足够变形能力,本文先用有限元计算了不同剪切块几何参数对应的剪切块中有效应力范围,提出了剪切块尺寸的合理范围,再结合曲面几何理论,推导了目标曲面和剪切块排布模式之间的关系。分别以正负高斯曲率曲面为例,算出了相应的剪切块分布模式,把分布模式简化为几个区域,以不同区域能够变形协调为原则对剪切块的长宽高和间隔尺寸进行了选择,设计了有剪切块的复合材料板。采用有限元计算模拟了设计的板的变形过程,验证了设计的可靠性。