低维纳米材料具有不同于块体材料的独特几何结构和优异的力学、电学和化学等性质，被广泛认为是建构下一代高性能纳米器件的理想基元。对其结构和力学行为的探索一直以来都是纳米科技领域的重要基础前沿之一，大量有潜在应用价值的新现象不断被发现，这对设计纳米器件、控制其功能以及优化性能具有重要的指导意义。本论文利用分子动力学方法，结合基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了两类典型的低维纳米体系——金属纳米线和石墨烯纳米材料的结构与力学性质，主要研究结果如下：1、多壳层Ni纳米线结构和尺寸相关的弹性和动力学性质研究。实验已证实直径为几个纳米的金属纳米线存在丰富的几何结构，我们通过模拟退火算法得到了与之相似的有效直径在0.64nm到1.52nm之间的Ni纳米线螺旋状和晶状结构。基于量子Sutton-Chen多体势的分子动力学模拟表明杨氏模量存在明显的几何和尺寸相关效应。通过进一步解耦合表面壳层与内壳层相互作用，我们发现虽然两者间的相互作用能比较大，但其对纳米线硬度的贡献较小。随后我们利用Parrinello-Rahman恒压模型比较了螺旋与晶状纳米线的轴向振动行为，结果表明相近直径的两类纳米线的动力学响应特性也表现出显著的差异。最后我们通过理想自由杆的连续介质力学模型，定性解释了恒外力作用下的轴向振动数值模拟结果。这些结构和尺寸相关的力学行为的差异，为实验上区分两类结构的纳米线提供了一类可能有效的手段。2、金属纳米线的单轴应力致结构转变与伪弹性研究。首先，超细金属纳米线从晶状结构转变为新奇的螺旋结构已有实验证实，而对其逆转变则鲜有报道。我们用基于嵌入原子势的分子动力学方法和基于密度泛函理论的第一性原理计算系统研究了尺寸、单轴应力和弛豫温度对铜（Cu）纳米线结构转变的影响，结果表明晶状→螺旋结构转变及其可逆转变在一定尺度范围内都可能实现。当有效线径小于0.8nm时，螺旋结构占据优势；而对更大尺度的纳米线，单轴应力在高温下可引发螺旋→晶状结构转变。对12-7-1螺旋结构纳米线的进一步研究表明，在这一尺度下螺旋→晶状结构转变甚至比常规的晶状→螺旋结构转变更加容易实现。由于Cu纳米线的杨氏模量、量子电导等物理量对其原子结构非常敏感，这一可逆的结构转变对进一步分析原子结构表征精度不高的力控断裂结实验结果有重要的指导意义，对纳米继电器、传感器和制动器也有潜在的应用价值。其次，Fe纳米线存在有趣的应力致Martensitic相变和<110>→<001>晶向重构行为，而在面心立方金属纳米线中普遍存在的自发重构和伪弹性行为则未在体心立方金属纳米线中有研究报道。我们通过基于嵌入原子势的分子动力学方法研究了横截面积从10.8×10.42到59.3×56.72的Fe纳米线自发<110>→<001>重构和伪弹性行为。结果表明<110>→<001>晶向重构存在复杂的温度依赖效应，并且其伪弹性恢复应变高达30％。Fe纳米线独特的应力－应变关系将导致一个有趣的力学现象，即大约4%的小压缩应变即可引发自发的<110>→<001>晶向重构。这些研究结果进一步丰富了Fe纳米线的温度和应力响应行为，有望成为智能纳米材料特别是智能传感器的理想基元。3、石墨烯纳米材料应力和温度场中的力学性质和缺陷演化研究。首先，碳单原子链由于其超高的稳定性和逻辑分子开关特性，使其成为纳电器件的理想基元。当前最关键的问题是实验中仍然缺乏高效的制备碳单原子链的方法，这限制了它的实际应用。利用基于AIREBO势的分子动力学方法，我们进一步研究了实验上尚未探索的高温和大变形下石墨烯纳米带结构演化和断裂力学机制，并成功观察到了前人电子辐照实验中已经发现的大量非六元环和超长的碳单原子链。结果表明，高温下缺陷会进一步诱导非常稳定的碳单原子链；而在低温下，石墨烯纳米带的断裂行为由于缺陷的显著局域化表现为脆性断裂。进一步研究zigzag石墨烯纳米带在高温下的塑性形变力学行为，我们发现了一类大量非六元环连接的新型armchair-zigzag桥接结构。基于这些结果，我们提出了一类高效的制备超长碳单原子链和混合边缘石墨烯纳米桥接结构的方法，即通过力控断裂结和Joule加热技术实现的，基于石墨烯纳米带的力热综合调控方法。其次，石墨烯应用在高性能力电器件中不可避免的一个问题是持续的外力和应变可能引发材料的纳米级损伤，这将减小器件的生命周期并降低其性能。利用基于AIREBO势的分子动力学模拟，通过刚性C60分子穿透石墨烯层制造纳米损伤，我们发现适当的热处理可以实现损伤的自修复。自修复的动力学过程表现出一类有效的两阶段动力学机制：第一阶段损伤附近会集结缺陷，造成局部曲率；第二阶段通过键的断裂和重组，缺陷会重新构造，抹平第一阶段形成的曲率。进一步的研究表明温度和损伤尺寸同样会影响石墨烯的自修复能力。这些结果为实现以石墨烯为基元的可自修复力电器件提供了一个新的可能性，并作为当前离子辐射和化学处理这两类修复方法之外的新手段。