尽管目前世界范围内的车辆碰撞安全性已经有所改进,但是随着各国碰撞安全法规要求的不断提高和对汽车车身轻量化的日益重视,基于汽车车身碰撞安全性的结构设计仍需进一步的探讨。汽车车身的抗撞性主要是由车身薄壁梁构件组成的结构形式、薄壁梁构件的截面、材料和连接方式等共同决定的。薄壁梁结构的截面设计和材料选择从本质上影响了构件在冲击载荷下表现出的能量耗散特点。在冲击载荷中,薄壁梁的压溃和弯曲是两种最基本的变形和吸能方式。因此,薄壁梁的压溃和弯曲理论是车身薄壁梁安全构件结构设计的理论基础。为了达到更高的抗撞性和轻量化要求,多直角截面薄壁梁在近几年被提出。由于增加了截面的直角数量,多直角截面薄壁梁在压溃工况中的承载能力高于矩形截面。其中,十二直角截面具有对称性且相对矩形截面具有更多的轻量化空间,目前在汽车车身中已有初步应用,因此研究多直角截面特别是十二直角截面薄壁梁的压溃和弯曲理论对汽车车身薄壁梁安全构件设计有指导意义。本文依托国家科技支撑计划项目"乘用车白车身结构轻量化设计与开发"和自然基金项目"基于碰撞力学的汽车被动安全系统概念设计方法研究",开展了多直角薄壁梁抗撞性(压溃和弯曲)理论研究及其在车身抗撞性概念设计中应用的工作。在多直角薄壁梁抗撞性理论研究方面,本文分析了压溃和纯弯工况中多直角薄壁梁结构产生的变形和吸能机制,建立变形中出现的折叠和弯曲局部简化力学模型,实现对薄壁梁的压溃反力和弯曲力矩的快速估算。首先,本文研究了多直角薄壁梁压溃和弯曲理论。利用在矩形截面压溃力推导中提出的包括五个基本能量耗散机制的超折叠单元,推广至多直角薄壁梁的压溃力表达式的推导中,获得了多直角截面薄壁梁材料和截面特性(截面形状和尺寸)与压溃反力的关系,以十二直角截面为特例,初步确定了十二直角薄壁梁压溃力表达式的适用范围;在弯曲力矩表达式的推导中,除了采用矩形截面弯曲力矩推导中提出的塑性铰线和滚动铰线的概念还引入了拉伸变形机制,建立了十二直角薄壁梁绕y轴和z轴纯弯变形的简化力学模型,获得了十二直角截面薄壁梁材料和截面特性与弯曲力矩的关系,并初步确定了十二直角薄壁梁弯曲力矩表达式的适用范围。之后,将多直角薄壁梁抗撞性的研究扩展到泡沫铝填充的情况,研究了泡沫铝填充的多直角薄壁梁的压溃和弯曲理论。泡沫铝填充多直角薄壁梁的压溃工况中,在泡沫铝和薄壁梁压溃反力之和的基础上,考虑了泡沫铝对有效压溃长度的影响及泡沫铝和薄壁梁之间相互作用产生的能量耗散,获得了泡沫铝材料、多直角薄壁梁材料和截面特性与压溃反力之间的关系,并以十二直角截面为特例对压溃理论进行验证。在纯弯工况中,分别考虑泡沫铝和十二直角薄壁梁的弯曲,采用简化的泡沫铝材料特性,计算泡沫铝单独弯曲时中性轴位置,进而获得泡沫铝单独弯曲时的弯曲力矩;再通过拟合不同强度泡沫铝填充的十二直角薄壁梁在弯曲中各自的吸能比例,获得了泡沫铝填充的十二直角薄壁梁在y向和z向弯曲中泡沫铝材料、薄壁梁材料和截面特性与弯曲力矩的表达式。此外,本文还对纤维加强的复合材料包裹的多直角截面薄壁梁的压溃和弯曲理论进行了初步探索。在简化的复合材料特性基础上,将复合材料特性和金属材料特性代入两种材料粘接情况下的塑性极限弯矩和极限屈服膜应力的表达式,将修正后的塑性极限弯矩和极限屈服膜应力代入多直角薄壁梁的压溃理论中,并考虑添加复合材料对有效压溃距离的影响后,获得复合材料包裹的多直角薄壁梁的压溃力;将修正后的塑性极限弯矩和极限屈服膜应力代入十二薄壁梁的弯曲力矩表达式中,获得了复合材料包裹的十二直角薄壁梁的弯曲力矩。并以十二直角截面为例,采用有限元的方法对压溃和弯曲理论进行验证。最后,多直角薄壁梁抗撞性理论应用在了车身抗撞性概念设计中。首先根据碰撞工况下车身薄壁梁安全构件变形特点,采用性能驱动设计的方法,将乘用车车身和商用车驾驶室整体抗撞性目标分解到子结构抗撞性设计目标(平均压溃力和弯曲力矩)。利用推导的十二直角薄壁梁、泡沫铝填充的十二直角薄壁梁和复合材料包裹的十二直角薄壁梁的压溃力和弯曲力矩表达式,根据乘用车和商用车子结构抗撞性设计目标,分别进行了乘用车前纵梁子结构截面设计和材料选择、商用车吸能器和地板纵梁的截面设计和材料选择以及商用车悬置下托架的截面设计。实现了乘用车的前纵梁轻量化设计、商用车的抗撞性优化和乘用车正面抗撞性的优化设计目标。本文研究的多直角薄壁梁的压溃和弯曲理论是对已有薄壁梁抗撞性理论研究的扩展。由于本文的多直角薄壁梁理论建立了压溃力和弯曲力矩与薄壁梁材料和截面特性的量化联系,特别适合应用于车身抗撞性的概念设计中,根据概念设计阶段提出的压溃反力和弯曲力矩可以在保证抗撞性和轻量化的基础上,快速设计出子结构的断面形状和进行材料的选择。