经过上百万年的进化,甲虫发展出了与其生活环境相适应的具有特殊构造和功能的鞘翅。为研究鞘翅的微观结构,本文以东方龙虱的鞘翅为主要研究对象,对鞘翅的切片的制作方法进行了研究,并比较了不同软化鞘翅方法的切片效果,为重构鞘翅的三维结构奠定了基础。对鞘翅的不同方向的断面微结构进行了观测和分析,由此推断鞘翅不同方向的断面微结构是相似的,鞘翅的断面是由背壁、腹壁、内部圆形或椭圆形的空腔以及空腔结构之间的小柱孔结构构成。本文根据鞘翅减重结构的特点,同时结合其他相关研究,对鞘翅结构进行了合理的简化,设计了三种甲虫鞘翅轻质结构模型。利用有限元分析软件ANSYS Workbench,建立了三种仿鞘翅轻质结构的有限元模型,对三种仿生结构分别进行力学性能分析,计算得到三种仿生结构的力-位移曲线以及刚度、强度值,分析比较了三种仿生结构的比刚度、比强度值,结果表明仿生结构Ⅱ的比刚度和比强度最大,性能最优,也与原生物结构最相似。同时为验证有限元模型的有效性和分析结果的正确性,利用三维打印机制造出了三种仿生结构的模型,在万能试验机上对三种结构模型进行了力学性能实验,实验结果与有限元分析结果的比较证明了有限元模型和分析的有效性和可靠性。以ANSYS Workbench的协同优化平台,基于实验设计(DOE)优化技术,在Solidworks软件建立仿生结构的参数化模型,同时连接到ANSYS Workbench软件中,以主要影响结构强度尺寸参数为设计变量,对仿生结构Ⅱ进行了优化设计计算。经多次变参数优化分析计算,给出了结构的最优化结果,优化后的结构应力集中处的应力值明显减小,改善了应力分布情况,使其分布更加均匀,比刚度和比强度值分别提高了21.6%和35.9%。