甲虫经过亿万年的不断进化，其鞘翅进化出了具有与周围环境相适应的特殊结构和功能。研究表明甲虫鞘翅是一种轻质高强耐损伤的生物材料，已成为近年来研究新型轻质多功能结构材料的主要仿生对象之一。本文根据鞘翅的空腔-空心小柱结构特点，设计了一种基于环氧树脂基碳纤维的仿生轻质结构；综合考虑复合材料的制备工艺和仿生结构特点进行模具设计和加工，并确定其加工工艺；最后采用模压成形和共固化胶接法，制备了这种仿生轻质结构试样。对仿生轻质结构进行了准静态压缩实验，得到其载荷力-位移曲线。同时利用有限元法对仿生轻质结构进行了压缩力学性能分析，并将压缩的有限元分析结果与实验结果进行对比分析，证明了有限元分析的正确性和可靠性。进一步利用有限元法对结构进行了平面剪切力学性能分析，剪切分析结果表明仿生轻质结构能承受的最大平面剪切力为6079.39N。进一步采用响应面法对仿生轻质结构进行压缩和剪切载荷条件下的结构参数优化设计。首先确定设计变量，采用拉丁超立方试验法设计样本点集；然后，利用ANSYS进行参数化建模，分别求出各样本点的响应值，并利用这些样本点和响应值建立响应面拟合函数；最后采用线性搜索的方法进行结构优化设计，得到仿生轻质结构最优结构参数。对仿生轻质结构进行结构稳定性屈曲分析，并在相同孔隙率的情况下，与铝蜂窝结构的屈曲性能进行了对比。