髋关节是人体最重要的关节之一,有着高度的灵活性,承载着人体大部分的体重。关节骨骼内部还存在着大量的精密微观孔隙结构,其合适的孔隙率、附着面积、连通性等特性为骨骼载荷的应力传递、细胞和组织的生长、营养和代谢的传输提供了优越的环境。髋关节的这种整体优异结构和局部微观特征一直以来都是人工髋关节仿生设计的热点,具有重要的研究和工程应用价值。因此,论文将对人工髋关节的仿生设计展开深入的研究。主要研究工作如下:（1）针对于自然骨骼内部结构复杂,存在大量孔隙的特征,本文提出了一种基于Voronoi图算法的微孔结构仿生设计方法。该方法首先研究了构造Voronoi图的种子点的生成算法;其次,研究了微孔结构的生成,利用拓扑拼接的方法构造微孔结构的表面网格;然后,通过曲面细分算法优化结构网格质量,边缘界面适形改观结构轮廓形状;最后扩展探讨了孔梁厚度在空间中的梯度分布实现方法以及微孔单元生成方法。该方法简化了微孔结构的设计流程,提升了结构设计的自由度。（2）针对Voronoi算法构建的微孔结构,以种子点数目、梯度系数以及孔梁厚度作为输入参数,研究了规则与非规则微孔结构的几何参数可控性和相关性能。研究结果表明,孔梁厚度对微孔结构的孔隙率影响最大,两者呈负相关;孔径的大小受种子点数影响最大,点数越多,孔径越小;连通性和多样性上非规则微孔结构明显要高于规则微孔结构;均匀性则是直接相关与孔隙的梯度系数;比表面积受影响于孔梁厚度,与种子点数目相关性不强。在性能上,规则微孔结构中,C₁/2EC单元性能表现最佳;非规则微孔结构中,种子点数目、梯度系数和孔梁厚度对结构的渗透性以及模量分数都影响较大。（3）针对髋关节假体的建模设计及应用,提出了一种基于拓扑优化的微孔填充设计方案。微孔结构在设计上参考了病患的CT图片个性化特征,在孔隙分布和形态上一定程度上还原了原有的松质骨结构,具有较高的仿生性。用有限元分析的方法模拟假体植入人体后的应力遮挡效应,结果显示,优化填充设计的假体性能最佳。（4）基于VS2013开发平台,研发了一套参数化微孔建模的软件模块。缩减了微孔建模的设计流程,扩展了微孔建模的自由度。利用该软件模块设计出的微孔结构在仿生设计上达到预期要求,可以设计出类骨小梁的结构。