舵翼结构是飞行器的主要承力部件之一,主要包括蒙皮及骨架结构,研制轻质高强的新型舵翼对提高其飞行性能具有重要意义。然而,传统的设计及制备方法已无法满足实际工程需要,研究人员亟需新的解决方案。近年来的研究表明,甲虫鞘翅是一种典型的空腔层板结构,具有轻质高强、高刚、耐损伤的特点,动物骨骼也因其轻质高强、高韧的特性吸引了广大工程技术人员的研究兴趣,因此本文选择这两种典型生物结构作为仿生设计模板,进行舵翼结构轻量化设计和优化设计,并基于金属3D打印先进制造方法,实现复杂结构的一体化成型,从而为新型飞行器舵翼结构的设计提供新方法和新思路。本文从甲虫鞘翅断面微结构中提取设计元素,设计出一种仿生轻质夹芯结构,同时选取两种对比结构,分别对三种结构进行压缩、三点弯曲及剪切力学性能仿真分析,结果表明仿生轻质夹芯结构具有更优异的综合力学性能。本文制备了仿生轻质夹芯结构3D打印试样,并进行压缩与三点弯曲力学性能测试,同时与工程常用轻质结构材料进行对比,试验数据表明所设计的仿生轻质夹芯结构具有更优异的力学性能,试验结果与仿真分析一致。本文建立了仿生轻质夹芯结构参数优化模型,以质量、最大等效应力及最大变形为优化目标进行多目标综合优化设计,确定了结构的最优尺寸参数。优化后的仿生轻质结构质量、最大等效应力及最大变形均有所改善,最后将优化后的仿生轻质夹芯结构应用于舵翼蒙皮的设计中。本文对舵翼整体结构建模,且对舵翼骨架进行拓扑优化设计,并通过结构仿生设计方法进行骨架的创新微结构设计。对设计后的舵翼骨架进行有限元分析,结果表明所设计的舵翼骨架结构可以满足载荷要求,同时实现了轻量化设计。本文结合金属3D打印技术要求对舵翼骨架结构进行重新设计,设计三种候选改进方案,通过有限元分析得到一组最佳改进方案,最终实现了舵翼蒙皮与骨架结构缩比模型的整体打印,为后续研究打下了良好的基础。