密质骨是一种由矿化胶原纤维、羟基磷灰石和无定形胶原基质等组成的自然生物复合材料，它具有高的强度、刚度及韧性。密质骨优良的力学性质和其内部多级微结构密切相关，通过对密质骨多级微结构与其优良力学行为关系的深入研究，能够揭示密质骨的强韧性机理，从而为高性能仿生复合材料研究提供有益指导。本文通过观察实验、模型分析、数值计算及仿生实验，综合研究了密质骨多级微结构的强韧机理。论文完成了以下工作并得到若干有益的结论：①利用扫描电镜对牛的密质骨微结构进行了观察，发现密质骨具有多级的微结构特征。密质骨由骨单元及骨间质基体组成。它们可视为密质骨的一级结构。骨单元呈圆柱状，非均匀地分布于骨间质中。仔细地对骨单元的观察发现，骨单元又是由长而细的矿化胶原纤维螺旋环绕哈弗氏管构成。这些螺旋环绕的矿化胶原纤维构成密质骨的二级结构。骨单元与骨间质之间存在明显的称为黏合线的界面。在密质骨的断裂表面也观察到被拔出的骨单元以及骨单元中被拔出的矿化胶原纤维。②基于纤维增强复合材料细观力学的理论，对密质骨一级结构-骨单元从骨间质中拔出时的断裂能进行了分析，结果显示当裂纹面垂直于骨单元方向扩展时，骨单元的脱黏、滑移及拔出，增加了密质骨断裂过程能量的消耗，提高了密质骨的抗断裂能力。基于剪滞理论，对密质骨的二级结构-骨单元中的胶原纤维的拔出问题进行了分析，得到纤维的最大拔出力和拔出能密切相关于纤维的埋置深度以及拔出纤维的临界长度。基于欧拉公式，对骨单元中的螺旋纤维的最大拔出力也进行了分析，结果显示纤维的拔出力和拔出能随纤维倾角和埋设深度的增大而增大。研究表明骨单元中的纤维的大螺旋角及大长细比提高了骨的韧性。③基于线弹性断裂力学的理论及有限元分析方法，建立有黏合线和无黏合线两种情况下的密质骨模型，考察了骨单元模量变化、裂纹尖端到骨单元距离、裂纹长度以及微裂纹尖端进入黏合线对裂纹尖端应力强度因子和应力应变的影响。对无黏合线模型的计算分析表明，受弹性模量较低的骨单元影响，微裂纹更容易朝骨单元方向扩展，从而避免了微裂纹在脆性的骨间质基体内形成宏观裂纹的可能。对有黏合线模型的计算分析表明，微裂纹进入黏合线后，裂纹尖端的应力强度因子、应变和应力都将大幅度下降。这表明黏合线的存在抑制了密质骨在一级结构上的微裂纹扩展，提高了密质骨抵抗断裂的能力。④基于Abaqus建立包含单个骨单元的骨单元-骨间质两相裂纹扩展模型和骨单元-骨间质-黏合线三相裂纹扩展模型，应用扩展有限元方法，分别计算了不同模型中的应力应变，分析了黏合线对密质骨微裂纹扩展路径的影响。结果显示密质骨中的黏合线提高了微裂纹扩展的起始作用应变，也使得微裂纹折拐和偏转，这提高了骨的抗断裂能力。也基于Abaqus建立包含多个骨单元的三种裂纹扩展模型：密质骨单相模型、骨单元-骨间质两相模型以及骨单元-骨间质-黏合线三相模型。应用扩展有限元方法，分别计算了这三种不同模型中的应力应变，模拟了模型中的裂纹扩展。研究表明密质骨中的骨单元和黏合线提高了微裂纹扩展的起始作用应力及应变，使骨的刚度软化推迟、裂纹扩展速度减慢及裂纹长度增加，从而提高了密质骨抵抗断裂的能力。⑤进行了密质骨仿生试件的制备。该试件反映了密质骨两级微结构的主要结构特征。对得到的仿生试件进行了力学行为的比较测试，得到的实验结果显示仿生螺旋纤维管复合材料试件具有较非螺旋纤维管复合材料试件更高的刚度、强度及韧性。