新能源汽车现阶段已经成为汽车工业发展的主要方向。保有量巨大的传统燃油车由于其在行驶过程中产生的尾气排放等问题,给环境造成了巨大的污染,加之其使用的不可再生能源也使得资源枯竭问题日益严峻。新能源汽车其良好的节能减排属性已经受到全世界的广泛认可,新能源汽车的开发对缓解空气污染问题及减缓气候变化具有重要意义,受到各国政府及汽车企业的重视。由于电池组等部件的加入及续航里程的需求使得新能源汽车对轻量化水平更为迫切,同时新能源汽车由于其整车布局特点与动力系统导致其碰撞安全性能面临更大挑战,因此,对新能源汽车的轻量化及碰撞性能的研究极其重要。然而,新能源汽车在轻量化与碰撞安全性能研发中仍存在较大的局限性,由于受到相关制造工艺、连接工艺和优化技术等限制,传统的结构轻量化手段,往往以牺牲一定的碰撞性能为代价,而碰撞性能的提高又会导致汽车质量的增加等一系列矛盾。为此,本文针对新能源汽车在轻量化与碰撞性能设计上存在的问题,探索新型积极有效的方法在提升新能源汽车碰撞性能的同时又能提升其轻量化水平。负泊松比结构与仿生多层级结构均具有卓越的力学性能,在弹性模量、能量吸收、抗断裂性能、承载能力方面存在巨大的性能优势。基于负泊松比结构与仿生多层级结构特殊的物理特性及卓越的碰撞性能,本文提出了新型的负泊松比多层级结构,结合了负泊松比结构与仿生多层级结构两者的性能优点,并对其进行了力学机理研究、碰撞性能研究、三明治结构设计及新能源汽车应用四个方面进行拓展研究,最终期望其能为新能源汽车的轻量化设计及碰撞安全设计提供新型的借鉴方式,并在未来应用于新能源汽车开发中来。基于此,本文的开展和完成的工作主要体现在:1、提出了新型的负泊松比多层级结构,实现了仿生多层级结构与负泊松比结构性能特性的结合。建立了负泊松比多层级结构的几何参数与宏观参数的关系,通过结构元胞中基质材料的占比,推导出其相对密度表达式。并基于欧拉梁理论,推导出其面内相对刚度的表达式,并详细介绍了负泊松比多层级结构的能量吸收机理。通过3D打印技术,利用树脂材料制造出新型负泊松比多层级结构模型,并通过压缩实验,验证结构的负泊松比特性。2、探究了负泊松比多层级结构的碰撞性能,并对其与传统负泊松比结构进行了系统的横向与纵向的性能比较。建立了负泊松比多层级结构与传统内凹六边形结构碰撞有限元建模。重点研究了在准静态工况下,同一相对密度负泊松比结构与传统内凹六边形结构在X方向与Y方向的力学性能,对其变形规律、应力表现、能量吸收表现及机理和负泊松比表现进行了系统的研究,并与传统的内凹六边形结构进行了详细的对比。重点讨论了碰撞速度对负泊松比多层级结构的应力表现与能量吸收能力的影响,并对比了不同速度下负泊松比多层级结构的变形模式。通过改变负泊松比多层级结构的壁厚实现结构相对密度参数的改变,并讨论了相对密度对能量吸收能力与应力大小的影响。3、提出了多种负泊松比多层级三明治结构,有效分析了核心分布方式、梯度分布方式对三明治结构变形模式、碰撞力及能量吸收的影响。将负泊松比所多层级结构引入三明治结构设计中,并提出了新型的负泊松比多层级三明治结构,并对新型多层级三明治结构进行系统分析与参数化研究。将正三角形内凹分层结构与正六边形内凹分层结构引入三明治板的设计中,并考虑了多个结构几何参数对三明治板碰撞表现的影响。讨论了梯度分布对力学性能的影响,将正三角形内凹分层结构与正六边形内凹分层结构引入三明治梁的设计中,并讨论了其弯曲性能。4、探索了新型负泊松比多层级结构在新能源汽车上的应用,提出了一种新型的负泊松比多层级防撞梁及一种新型的负泊松比多层级吸能盒。基于正三角形内凹分层结构在冲击载荷与弯曲变形中卓越的能量吸收性能,将其引入新能源汽车防撞梁与吸能盒设计中来,提出了新型的负泊松比多层级防撞梁与负泊松比多层级吸能盒。通过将负泊松比多层级填充内芯放入空心的防撞梁和吸能盒中,来提升新能源汽车的保险杠系统的碰撞性能。通过最优拉丁方抽样方法在设计参数范围内产生样本点,并构建相应的有限元模型,并利用计算得出模型的输出响应,创立了相关的代理模型,使用了多目标优化算法分别对负泊松比多层级防撞梁与负泊松比多层级吸能盒进行了多目标优化设计。成功的实现了负泊松比多层级保险杠系统的相关设计参数的优化,进一步提升了新能源汽车的碰撞性能。