软硬物质的融合在自然界的生物材料/结构中普遍存在,且多尺度的软硬融合使很多生物材料/结构表现出优异力学性能。仿生材料基于生物材料微观结构和多尺度构造特点实现了力学性能或功能特性的改良。此外,声子晶体、超材料、超表面和柔性电子等新兴复合材料/结构/器件的设计也融合了软硬物质/结构以实现特定的力学行为和功能特性,提高其环境适用性等。本文以此为背景,结合软硬物质/结构各自的优点以及它们之间的相互作用,较为全面地阐述了软硬物质/结构一体化设计的概念及其应用前景。基于此概念,重点研究了多孔内核/密实外壳球状复合结构和硬颗粒/软基体复合材料的力学行为,采用弹性力学理论、有限元数值模拟及试验等多种手段进行了较为系统深入地分析,并讨论研究了两种复合结构/材料的实际应用。主要研究内容和结论包括以下几个方面:(1)提出了一种多孔内核/密实球壳(FSS)新型复合结构,并结合理论和有限元建模分析研究了这种复合结构在平板压缩作用下的等效弹性模量、临界屈曲和变形特性。分析结果显示在一整体密度下FSS结构力学性能随几何参数呈非线性变化,且其变形呈现出多孔结构主导、球壳主导和混合变形三种模式。考虑外球壳和内部多孔结构的变形耦合建立了理论模型以预测等效弹模、临界屈曲载荷和决定变形模式的几何关系,理论模型与有限元结果吻合良好。还分析了压缩载荷下FSS结构的能量吸收特性,提出了新的能量吸收因子用于评估结构的吸能特性。分析结果显示,混合变形和多孔结构主导两种变形模式的FSS结构具有更优的能量吸收特性,这得益于结构的局部屈曲、卷曲和折叠等多种变形机制。(2)进行了 FSS复合结构的制备及压缩试验研究。首先,探讨了 3D打印技术制备FSS结构的可行性,采用熔融沉积成型(FDM)技术进行了试制,分析了现有FDM技术的缺点和造成打印结构件承载能力低的原因。然后,重点研究了基于超声喷雾热解技术(USP)制备的多孔/薄壳无定形碳纳米球结构。针对制备生成的空心球壳、疏孔球和密孔球三种典型结构,开展了原位TEM压缩试验研究和简化有限元建模分析。其中,疏孔碳纳米球的载荷位移曲线呈现弹性、平台和致密化三个阶段,显示出良好的大变形能力和能量吸收特性,远优于无定形碳本身的脆性特性,这与压缩时出现的外壳翘曲、内部孔坍塌、杆弯曲和失稳等多种变形机理有关。详细有限元参数分析显示内部孔隙和外壳都对复合结构的大变形和能量吸收特性发挥促进作用,表明了多孔/薄壳复合结构设计的优势。(3)首次建立了远场应力作用下多个随机排布的任意形状硬质颗粒在软基体中旋转问题的理论框架,并采用有限元分析对理论进行了验证。利用平面弹性复变方法和叠加原理,基于刚性颗粒、弹性基体和颗粒界面完全粘接假设,描述了软基体中多个任意形状颗粒之间的相互作用,以及这种相互作用对旋转的影响,并计入几何非线性的影响,以适用于软基体大变形的情形。给出了单个任意形状颗粒旋转的简化显式解,对Muskheshvili单个椭圆颗粒旋转的经典解有所修正。在不同颗粒形状、个数、排布和方位下进行了有限元建模分析,所有有限元结果与理论解吻合良好,同时这些结果显示,通过合理地排布颗粒的位置和方位可对其旋转进行较大范围的调节。另外,详细讨论了该理论如何延伸至非刚性颗粒、粘弹性基体和非完全粘接等情形。(4)设计了一种基于硬质颗粒旋转实现负泊松比变形的仿生软硬一体复合材料。基于周期性排布下的颗粒旋转角,以及拉伸作用下基体收缩变形与颗粒旋转引起的扩张变形之间的竞争机制,推导了复合材料泊松比的理论解,发现单位应变的颗粒旋转角是实现负泊松比的关键参数。通过有限元分析与理论、半理论解的对比,验证了旋转之于负泊松比的决定性作用。然后,以负泊松比最大为目标开展了优化设计,在不同颗粒间距下的寻优结果表明相同(近)方位角有利于负泊松比实现。根据优化所得的结构,设计并利用Polyjet 3D打印技术制造了复合材料试件,通过有限元分析和试验结果的对比,进一步验证了旋转对材料负泊松变形的决定性作用。另外,不同厚度试件的试验和有限元结果显示材料泊松比随试件厚度呈先减后增的变化趋势,且远远突破了平面应力情况与平面应变情况的界限,这种变化与基体域面外收缩变形导致的颗粒旋转角增大密切相关。(5)进行了硬质颗粒旋转在可调声子晶体设计中的应用研究。通过将倾斜的金属椭圆颗粒周期性镶嵌在软橡胶基体中设计了一种机械可调声子晶体。数值分析显示,所设计的声子晶体的带隙结构随应变增加将发生禁带变窄、消失、新生和偏移等多种变化。此外,在机械可调声子晶体的设计中颗粒旋转对禁带结构变化的影响必须加以考虑,一定情况下颗粒旋转有助于更精确地利用外部载荷调控声子晶体的带隙结构。本文基于软硬一体化概念探索研究了一些创新的复合材料/结构设计,并突破了相应的建模技术和理论描述方法,为新型设计提供了理论、数值和试验支撑。这些工作可供未来高性能多功能复合材料/结构/器件的设计参考。