随着工业技术的迅速发展，工程领域对多功能材料提出了更高的要求。满足轻质、高比强度、高比刚度等多功能需求的结构和材料已成为当今的研究热点，如蜂窝材料、泡沫铝材料和褶皱材料等。这类材料往往结构独特、力学性能优异，在航空航天、船舶、交通等领域具有广阔的应用前景。　　甲虫经过亿万年的进化，其生物材料具备了满足多功能需求的独特结构，可成为良好的仿生对象。本文从仿生学角度出发，基于结构仿生理论，以甲虫生物材料结构为原型，开展仿生结构的设计与研究。为设计开发轻量型仿生复合材料，选择东方龙虱鞘翅、后足和独角仙犄角3种生物材料为仿生对象，研究了其表皮的表面形貌、微结构和力学性能。同时，对其三维微结构进行了分析和比较，探讨了3种甲虫材料的独特结构与功能需求之间的关系。通过对比分析3种仿生材料的微结构和力学性能，结果表明东方龙虱鞘翅材料结构独特，力学性能优异，成为本文仿生设计的生物原型。　　为了不断适应复杂多变的生活环境，东方龙虱鞘翅材料经历了上亿年的进化来修订自身的结构，有理由相信其结构已经达到了最优化。基于东方龙虱鞘翅内部结构具有非贯通式空腔的特性，本文仿生设计了一种具有非贯通式球形空腔分布的中空型轻质仿生结构，其内部球形空腔呈正六边形分布。借助有限元分析软件ANSYS Workbench对该仿生结构模型和其它2种常见的结构模型（圆柱空腔和波纹结构）在压缩、拉伸、弯曲等方面进行了有限元分析和力学性能的对比研究，结果表明该仿生结构较其它2种常见的结构模型具有更优秀的抗压、抗弯能力及更高的屈服强度。借助ANSYS Workbench软件中的热分析模块对该仿生结构进行了热学分析，表明其具备优异的隔热性能。为追求仿生结构的最优解，在热力耦合分析的基础上对空腔大小及分布进行了多目标的结构优化设计，数值分析结果表明，优化后的仿生结构应力分布更均匀，隔热效果也更显著。　　本文工作涉及一种基于东方龙虱鞘翅的中空轻质型仿生结构，从材料结构的角度解决工程材料对材料轻质化、高性能的需求问题。本文研究成果为后续工作中研制新型仿生复合材料在材料结构方面提供了基础理论参考。