甲虫鞘翅是一种具有特殊结构和功能的生物材料,保护甲虫免受外界伤害,具有轻质、高强等特点,是近年来研究轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。甲虫鞘翅具有很强的承载能力,除了与内部微观结构有关,还与其特有的拱形曲面分不开。本文以东方龙虱为研究对象,采用smart SCAN三维激光扫描仪对东方龙虱鞘翅的几何曲面进行三维测量,获取了东方龙虱鞘翅曲面结构的点云数据。抽取东方龙虱鞘翅的外形轮廓数据,并将数据导入Matlab,采用最小二乘法编程进行数学建模,得到甲虫外形轮廓的数学模型。进一步利用CATIA逆向工程模块实现东方龙虱鞘翅三维几何模型重构。在几何曲面建模基础上,根据甲虫鞘翅断面的微观结构,设计、制备了一种仿生轻质曲面夹芯板结构。建立了仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构的有限元模型,并利用有限元法对其进行弯曲力学性能分析,得到仿生轻质结构的弯曲力-位移曲线。为验证有限元分析的正确性,在万能试验机上对试样进行三点弯曲实验,并将实验结果与有限元分析结果对比,结果表明两者有较好的一致性。同时,将仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构与平面夹芯板结构、实心曲面板结构进行力学性能的比较分析,结果表明所设计的仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构具有更优越的力学性能。文中进一步利用有限元法对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构进行抗压力学性能的分析。利用有限元法对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构进行抗冲击性能分析。建立了落锤和仿生轻质结构的有限元力学模型,对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构在冲击载荷作用下的动态响应进行模拟,求解出冲击过程中结构的应力变化情况及其所承受的冲击功。同时,对结构试样进行落锤冲击试验,得到其冲击吸收功。将有限元结果与实验结果进行比较,以验证有限元分析的正确性。建立仿鞘翅轻质曲面夹芯板参数化模型,并以质量和最大等效应力为优化目标进行多目标综合优化设计,确定结构的最优参数。优化后结构的最大等效应力减小了9.9%,总质量减小了2%左右。优化后结构的比吸能提高了7.5%。