大自然是科学发展的灵感源泉。在过去的数十年里，针对生物材料的大量研究揭示了自然材料和结构的力学特性。在仿生设计领域，人类想在人工材料中重现生物材料的优越结构与材料性能。本文通过观察自然现象和还原生态实验，发现椰子自然结构的奥秘，采用力学实验、理论阐释和数值模拟的方法，揭示椰子天然形态的抗冲击性能；基于椰子的材料性能和跨尺度结构特征分析，优化设计仿生结构，并后续服务工程应用。
　　主要研究内容如下：
　　(1)观察椰子自由落体，还原生态实验，发现椰子结构的自然奥秘。首先，利用椰子果实自由落体试验，观察到椰子结构在无初始速度、无初始角度情况下，底部先触地。其次，通过解剖椰子果实结构，进行多尺度观测，发现整体具有典型的层级分布结构特征；发现纤维具有宏观有序、微观无序的分布特点，并且其底部纤维的排布方向与自由落体时的冲击载荷方向较为接近，体现了结构-功能相适应的特点。最后，利用单轴准静态压缩试验，观测椰子中果皮材料的失效模式和破坏机理，得出结构吸能量与纤维排布/载荷方向夹角值成反比的结论。
　　(2)建立椰子结构的力学模型，进行理论推导和数值模型，利用理论分析和数值模拟，阐释椰子生态结构的科学机理。首先，椰子中果皮由基体材料和纤维材料组成，属于天然的复合材料，利用纤维增强复合材料的宏观强度准则中的Tsai-Wu准则和微观强度准则中的Hashin准则，分别推导了纤维增强复合材料的弹性应变能与纤维排布角度之间关系的理论表达式，阐释了椰子自然形态中纤维宏观有序分布的科学机理。其次，利用数值模拟对理论分析结果进行了验证，并进一步证明了纤维排布与载荷方向夹角对吸能性能的影响规律。最后，建立了椰子果实跌落的仿真模型，得出在冲击过程中应力波沿中果皮纤维排布方向传播的结论。
　　(3)基于椰子中果皮纤维的微观观测，设计出抗冲击的椰子纤维启发仿生多级吸能结构，并对仿生结构进行参数化优化。首先，基于椰子中果皮纤维的实验观测结果，设计层级结构特点的仿生多级吸能管。其次，对冲击载荷作用下的仿生多级吸能管进行数值分析，发现其吸能性能优于普通圆管结构；通过理论分析，阐释其优异吸能性能的科学机理。最后，利用试验设计方法、数值分析方法、代理模型技术及多目标优化理论对其结构参数进行了优化，提高了其抗冲击性能。
　　(4)基于椰子果实结构的多尺度观测，设计出椰子果皮启发的仿生夹层结构，对其抗冲击性能进行了仿真分析和机理研究，并对结构进行了优化设计。首先，基于椰子果实结构的多尺度实验观测结果，设计层级结构特点的仿生夹层结构，其夹芯层具有椰子纤维微观结构的无序排布特点。其次，对冲击载荷作用下的仿生夹芯层进行数值分析，发现其在不同加载速率下具有不同的动力学响应，得到了仿生夹芯层动力学响应与其材料、结构参数以及加载速率之间关系的理论表达式。然后，对低速局部冲击载荷作用下的仿生夹层结构进行数值分析，发现其吸能性能优于普通六角形蜂窝夹层结构；通过理论分析，推导了仿生夹层结构的抗冲击性能与其材料、结构参数以及落锤质量、速度和几何参数之间关系的理论表达式。最后，对仿生夹层结构的结构参数进行优化，提高了其抗冲击性能。