头盖骨是一种典型的轻量化点阵多孔结构,作为人脑的外部保护,对于维持生命安全至关重要。据统计,在人体各处损伤中,颅脑损伤发生的概率为10%~20%,诸多领域对头盖骨损伤机制的研究提出了迫切的需求。鉴于头盖骨在外部环境中所面临的多重威胁,有必要对头盖骨的力学性能进行分析,揭示其力学行为及破坏机制。为此,建立精确的理论和数值模型、设计并制备出符合人体需求的仿生头盖骨结构已经成为亟待解决的科学问题。首先,回顾了骨材料的形态学特征和力学性能的国内外研究进展,并对micro-CT及重构技术进行了简要概述;然后,回顾了夹芯结构在冲击、弯曲载荷作用下的理论预报模型,以及头盖骨力学实验和数值模拟方面的重要成果;最后,分析了仿生骨结构的研究概况。相比于人股骨植入物的研究,人头盖骨仿生替代结构的设计与制备工作极少。为此,本文旨在建立头盖骨在冲击、弯曲载荷作用下的理论及数值模型,为揭示人头盖骨的力学行为及失效机制奠定基础。鉴于多级结构高比强、高比刚的性能优势,采用多层级思想设计头盖骨替代结构的单胞构型,为头盖骨植入物的临床应用提供参考依据。然后,采用数值方法系统地研究了二维多孔头盖骨截面受中低速冲击载荷作用的吸能及破坏机制。利用非破坏性三维成像技术和逆向工程软件获得头盖骨数值模型,通过已有实验结果对该模型的可行性进行了验证。此外,对可能影响人头盖骨冲击行为的几组典型结构参数(如冲击速度、冲击角度、冲击物密度、冲击物形状、头盖骨重建截面、冲击物尺寸)进行了分析,并对头盖骨抗冲击性能及吸能特性进行汇总。其次,采用理论和数值方法研究了内部孔洞呈梯度分布的三维头盖骨多孔夹芯结构的抗冲击性能。将头盖骨等效为多层夹芯结构,得到了冲击物剩余速度、接触力、头盖骨吸能的解析解,理论分析了等效层数对结构抗冲击性能的影响。重建头盖骨模型,选取三组不同厚度、孔隙率的头盖骨截面作为几何模型,并进行有限元分析。同时,理论分析了典型结构参数(如冲击物的大小、形状以及等效夹芯结构中面板与芯层间的厚度比)对头盖骨多孔结构抗冲击行为的影响。理论结果与现有文献实验结果吻合较好。再次,基于理论和数值方法对三维头盖骨的准静态弯曲性能和失效机制开展研究。建立了头盖骨三点弯曲数值模型,分析了结构的破坏过程。将头盖骨等效成夹芯曲梁,建立了三点弯曲载荷作用下夹芯曲梁的理论预报模型,得到了头盖骨挠度的解析表达式。通过数值模拟,系统研究了模型宽度、跨距长短和不同弯曲荷载类型对头盖骨弯曲行为的影响以及由不同截面构成的头盖骨弯曲性能与其内部形态学特征间的关系,总结了结构的弯曲失效机理。现有的实验结果验证了头盖骨数值模型的失效模式。最后,采用多层级思想对头盖骨仿生替代结构进行设计。首先,针对多级夹芯结构的面外压缩性能进行了理论和数值分析,提出了超轻结构的评价指标,得到了超轻多级点阵夹芯结构在不同失效模式下的理论预报公式,并绘制了其三维失效机制图。通过对比发现:具有最高载荷质量效率的“金字塔-金字塔”多级点阵结构的面外压缩性能最优异,可将其作为头盖骨替代结构的单胞构型。然后,对“金字塔-金字塔”多级点阵结构的三点弯曲性能进行了理论分析。最后,对头盖骨植入物制备工艺需采用的几种后处理方式进行了分析,并对微点阵制备工艺及前景进行了展望。