经历亿万年的自然选择,以纳米级软相有机质和硬相无机矿物为原料的生物材料系统,受生命活动的调节与控制作用构筑出了复杂且高度有序的多级多尺度结构,从而拥有了独特的力学、物理等特性以实现材料自身的特定功能。在优胜劣汰竞争规律驱使下生物材料以极低的代价而能够获得极高的结构效率,这对于新型材料的理论研究与工程研制极具启发意义。师法自然,通过从自然中获取灵感与经验,效仿生物材料的形态、多级层次以及多尺度结构等,从力学设计的视角全面深入地分析与理解其形成原理,进而建立仿生材料相关设计理论与方法,可以为创造新型高性能的人造材料提供新的途径。本文以典型节肢动物（虾、蟹）四肢进化出的布立冈结构为研究对象,重点分析了布立冈结构具有优异力学/物理性能的机理;厘清了布立冈结构形式、组分材料性能以及界面特性等因素对其宏观抗冲击、抗断裂以及弹性波传播特性的调控关系;研究了布立冈型仿生复合材料层合板设计方法及其力学性能测试与失效机理等相关问题,其主要的研究包括以下四个部分:首先,开展了布立冈结构抗冲击性能及其机理揭示方面的研究。针对布立冈结构的形态与构型特征建立了考虑螺旋堆叠纤维与层间接触的布立冈结构动态力学行为分析模型,通过与冲击响应试验数据对比验证了模型的有效性,进而系统地分析了布立冈结构特征参数（螺旋角、节距、层板厚度以及材料性能）对其抗冲击性能的调控规律,并揭示了结构局部速度扰动与重新分布效应是布立冈结构抗冲击的动力学机理,分析了布立冈结构纤维尺度（从介观到宏观）变化对结构抗冲击性能的影响,并分析了布立冈仿生结构在抗冲击复合材料设计中应用的可能性。然后,开展了布立冈结构中弹性波传播特性及其调控规律研究。应用传递矩阵法推导建立了考虑层间界面特性的布立冈结构中弹性波传播理论模型,纵波与剪切波的频散关系曲线预测结果与文献中的解析解十分吻合,验证了模型的有效性;定量表征了螺旋角、材料性能以及层间特性等因素对布立冈结构弹性波带隙起始频率与尺寸的调控关系;采用失谐声子晶体理论推导了真实情况下含有节距梯度的布立冈结构中弹性波的反射与透射系数分析模型,分析结果显示:梯度结构能够更加有效地抑制弹性波中的中高频成分的传播,并且通过计算定量表征了雀尾螳螂虾猎食载荷作用下梯度布立冈结构对冲击能量的耗散能力,从布立冈结构带隙特性角度揭示了螳螂虾颚足的抗冲击性机理。接着,对布立冈结构在准静态在载荷作用下的断裂特性进行了理论分析。应用材料构型力理论与断裂力学理论推导建立了布立冈结构混合断裂模式下裂纹扩展驱动力的解析计算模型,进而给出了布立冈结构裂尖位置应变能释放率的数值求解方法,利用最大能量释放率准则对单边裂纹拉伸作用下布立冈结构裂纹扩展规律进行了仿真分析,并给出螺旋角以及材料性能对布立冈结构断裂行为的影响规律,从而揭示了布立冈结构裂纹扭转扩展的增韧机制;建立了考虑纤维排布构型与层间桥接纤维的双螺旋布立冈结构（布立冈结构的一种变异构型）有限元分析模型,定量评估了桥接纤维对双螺旋布立冈结构抗分层强度与等效弹性模量的影响,建立了布立冈结构单边裂纹拉伸扩展有限元仿真模型,并对两种不同纤维排布方式下的破坏载荷、破坏位移以及抗损伤断裂性能进行了对比分析,发现双螺旋纤维排布方式可以进一步提升布立冈结构的抗损伤断裂性能。最后,对布立冈型仿生复合材料层合板的设计与制备、弯曲及低速冲击载荷作用下的力学性能及其失效机理进行了研究。使用经典层合板理论分析加热固化成型法制备的层合板中热残余应力与变形的分布规律,给出了布立冈型仿生层合板结构设计准则;通过双悬臂梁拉伸、端边切口弯曲试验获得了不同界面角下层间损伤机制及断裂韧性的半解析计算公式,采用实验与仿真分析相结合的方法分析了布立冈型仿生层合板在三点弯曲载荷作用下的力学行为与失效机理,并对螺旋角、层厚、材料属性对结构弯曲力学行为的影响关系进行了仿真分析;利用仿真与试验相结合的方式对落锤冲击载荷下布立冈型仿生层合板的动态力学行为进行了分析和预报,验证了布立冈型仿生层合板的抗冲击性能,进而定量分析了螺旋角对布立冈型仿生层合板低速冲击能量耗散性能的影响。本文建立的动静态载荷作用下布立冈结构的能量耗散性能预报方法可以有助于更深入、充分地理解自然界中布立冈型生物材料的形成原理以及结构-性能间的内在联系。本文借助特定的生物结构,深度发掘该结构所具备的力学、物理方面的性能优势,并将其拓展实现多功能一体化结构的研究思路在科学上具有深刻的启发性,为航天多功能复合材料设计开辟了新思路,并且推动了固体力学与生物材料力学领域的交叉与融合,具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。