航天器结构在火箭主动段、星箭分离以及太阳翼结构展开等过程中将受到不同类型冲击,给航天器安全带来极大威胁、对航天任务的顺利完成造成负面影响。因此航天器结构抗冲击方法和技术的研究十分迫切。由于航天器对重量、体积和功耗的严格限制,考虑以仿生结构的思路探索航天器结构抗冲击的方法与途径。山羊骨骼是一种主要由胶原纤维、羟基磷灰石和水组成的天然生物结构。经过自然选择和进化,力学性能并不突出的骨骼组分优化了组成和分布,形成了独特的微观结构,使得骨骼具备了优异的比强度、比刚度、断裂韧性以及抗冲击特性。这些特性为发展航天器抗冲击仿生结构提供了关键启发。本文以山羊胫骨的密质骨为研究对象,分析了密质骨的微观形貌,揭示了密质骨微观结构的强韧机理。基于该机理,提出了一种具有韧性增强、刚度可变特征的航天器抗冲击“双相”仿生结构及其设计方法。建立了二维、三维“双相”仿生结构的本构模型,开展了结构静力学特性分析和动力学响应分析;特别以火箭发射段的冲击载荷为例研究了所提仿生结构在航天器抗冲击应用中的可行性;论文还设计并制备了二维、三维“双相”仿生结构的原理样件,并开展了力学试验,对所提出的设计方法和理论模型进行了试验验证。论文的主要工作及结论如下:1、通过对山羊胫骨密质骨微观形貌的分析,揭示了密质骨宏观力学特性与其微观结构之间的内在联系。研究了密质骨中典型微观结构的增强、增韧机理,提出了三种“密质骨特征结构”并建立了其力学分析模型。（1）制备了山羊胫骨密质骨结构的显微观察样本,利用扫描电子显微镜观察了微纳尺度下密质骨微观结构的形貌特征。通过对样本截面施加均匀面内载荷,分析受载荷作用前后密质骨微裂纹的产生和发展规律,揭示了密质骨不同区域的强韧性能差异,以及不同微观结构对密质骨结构强度、刚度以及韧性等力学特性的影响规律。（2）通过分析密质骨的微观结构,提出“骨单元特征结构”、“骨板叠特征结构”和“牺牲键特征结构”三种“密质骨特征结构”,并推导了这三种特征结构的本构模型,建立了内聚力有限元模型。通过理论分析和有限元仿真相结合的方式研究了“密质骨特征结构”在强度、刚度以及结构韧性等不同方面的力学性能。为抗冲击仿生结构设计提供了设计依据。2、提出了一种“韧性增强、刚度可变的抗冲击双相仿生结构”,推导了该结构在“0相”和“1相”的本构模型,对其相变前后的本构特性进行了理论研究。（1）结合三种“密质骨特征结构”,提出了“韧性增强、刚度可变的抗冲击双相仿生结构设计方法”。设计了二维“双相”仿生结构,根据结构中特定区域的“预设断裂”状态,定义结构的“0相”和“1相”两种相态。以剪-滞理论为基础,建立了二维“双相”仿生结构在不同相态的本构模型,并对其强度、刚度以及韧性等力学特性开展了理论分析。（2）建立了二维“双相”仿生结构的内聚力有限元模型,通过有限元仿真分析对“双相”仿生结构不同相态的本构模型进行了对比验证。3、提出了抗冲击“双相”仿生杆结构设计,建立了其有限元动力学模型,开展了“双相”仿生杆结构受冲击载荷作用下的动力学响应和能量平衡分析。（1）将“韧性增强、刚度可变的抗冲击二维双相仿生结构”拓展为一种抗冲击“双相”仿生杆结构,研究了结构设计参数对“双相”仿生杆结构粘弹性耗能特性的影响规律。（2）建立了抗冲击“双相”仿生杆结构的有限元模型,仿真分析了“双相”仿生杆结构的动力学特性。特别以运载火箭发射阶段的典型冲击载荷作为输入,仿真研究了“双相”仿生杆结构发生相变过程中的动力学响应特性和能量平衡特性。4、针对所提出的抗冲击“双相”仿生结构,分别设计并制备了二维、三维结构的原理样件,开展了“双相”仿生结构力学性能试验研究。（1）基于本文提出的“韧性增强、刚度可变的抗冲击双相仿生结构”设计方法,设计并制备了二维“双相”仿生板结构和三维“双相”仿生杆结构的原理样件。（2）分别针对两种原理样件开展了准静态轴向拉伸至断裂过程的力学特性测试试验。试验结果表明,二维、三维试验件在断裂失效前均表现出明显相变行为,拉伸过程中刚度明显减小;同时相比于对照件,二维、三维试验件均具有强度提升、结构韧性增强的特点。试验结果与相应本构方程推导以及有限元仿真结果基本吻合,验证了本文提出的设计方法和推导的理论模型。