在自然界中,存在各种各样具有优良力学性质的天然复合材料。牛角鞘作为天然复合材料的代表,拥有优良的力学性质。牛角鞘优异的宏观尺度的力学性质与其特殊的微观结构息息相关。深入探究两者的关系可以为仿生复合材料的设计和材料优化提供重要的科学指导。本文以成年牛科动物牛角鞘为研究对象,首先对其进行宏观三点弯曲力学实验、微观纳米压痕实验及扫描电镜实验观察,进而建立理论分析模型和有限元数值分析模型,研究了牛角鞘特殊微观结构与优良宏观力学性质之间的关系,研究结果对仿生复合材料的设计和研发具有重要意义。本文的研究工作总结如下:（1）对牛角鞘横向、纵向和径向三种试样进行三点弯曲实验,测量和计算了试样的弹性模量、弯曲强度及断裂能等力学参数。通过数据对比发现,牛角鞘横向试样的所有力学参数均大于其它两种试样,其中径向试样力学性能最差,纵向试样介于其它两种试样之间。通过对三种不同方向的三点弯曲试样的断裂面进行扫描电镜观察,发现力学性能的差异与牛角鞘微观结构有着重要的关联。分析表明不同方向试样的裂纹扩展方式都有其独特的规律,这导致了在裂纹萌生和传播过程中所消耗的能量有所差异,造成宏观力学性能的各向异性。（2）通过对牛角鞘扫描电镜实验的观察结果进行分析总结,建立了牛角鞘横向、纵向和径向的微观尺度的裂纹扩展路径的分形模型。基于三种模型进行裂纹扩展力计算。结果表明,裂纹扩展力的大小顺序是:横向>纵向>径向。模型讨论的结果与牛角鞘试样宏观三点弯曲实验结果有很好的一致性。（3）根据扫描电镜观察到的横向试样断裂面特征,建立三种有限元模型,分别为:椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管环向排布有限元模型、椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管径向排布有限元模型以及圆形腔隙对照有限元模型。基于FORTRAN计算机语言形成USDFLD子程序,对建立的三种特殊结构进行渐进失效分析。有限元计算结果表明,椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管环向排布有限元模型、椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管径向排布有限元模型中裂纹主要萌生于椭圆形腔隙的长轴两端,受腔隙布置方向的影响,椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管环向排布有限元模型中的裂纹沿哈弗氏管周向扩展,椭圆形腔隙长轴沿哈弗氏管径向排布有限元模型中的裂纹沿哈弗氏管径向扩展。而圆形腔隙有限元模型中的裂纹产生位置和扩展方向具有随机性。分析也表明,椭圆形环向腔隙有限元模型的损伤大多发生在“层内”,而另外两种模型的损伤大多发生在“层外”,“层内损伤”为保证牛角鞘骨单元不造成整体性破坏具有重要意义。（4）根据牛角鞘微观结构内存在的螺旋铺层方式,建立了层压板螺旋铺层有限元冲击模型。考虑到天然生物复合材料的自身的复杂性,对模型的螺旋铺层方式进行优化和设计,建立了四种有限元模型,分别为:螺旋递归铺层构型（HR）、螺旋指数铺层构型（HE）和螺旋半圆铺层构型（HS）以及线性铺层构型（LR）。选用Tsai-Wu张量强度理论作为失效准则,对用户子程序进行编写,通过有限元计算软件,计算了四种有限元冲击模型的冲击响应。有限元计算结果表明,三种非线性螺旋铺层有限元模型的Fmax均大于线性铺层有限元的模型的Fmax,并且随着螺旋角离散程度的增大,模型的抗冲击性能逐渐增强,这对仿生复合材料的设计和优化具有指导意义。