经过数千万年的自然选择进化,动物的骨骼具有了高的强度、刚度及断裂韧性。骨的优良力学性质密切相关于其内部多级微结构,对骨优良力学性质与其多级微结构关系的研究,可以为人造高性能仿生复合材料的设计提供重要指导。本文通过力学实验测试、观察实验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了骨优良力学性质与其多级微结构的关系。本文的主要工作及得到的结论如下:(1)通过单轴宏观压缩实验测试了牛股骨密质骨纵、横向试样的宏观力学性质,对比分析了试样取向、取样位置及应变率对密质骨力学行为的影响,进而对试样的断裂路径及断面进行了宏观与微观观察。力学实验结果表明,牛股骨密质骨具有明显的压缩各向异性力学性质。观察结果表明,纵向试样的断裂路径沿试样的纵向,而横向试样的断裂路径与试样纵向约为45o。横向试样断裂表面的粗糙度较大,断裂过程消耗的断裂能较多。基于复合材料细观力学理论,分析了骨纵向试样弹性模量与极限强度大于横向试样弹性模量与极限强度的机理,说明了密质骨压缩各向异性力学性质与其骨单元的方向密切相关。(2)通过对牛股骨密质骨四个不同方向试样的宏观弯曲实验、断面微结构观察以及断裂韧性和分形维数计算,研究了密质骨的断裂韧性及微结构特征与断面分形维数间的关系。实验结果表明,四个不同方向试样的断裂能和断裂韧性存在明显差异,这说明密质骨的断裂行为与其取向有关。在弯曲断裂过程中,0o试样的断裂路径发生明显的偏转和折拐,而90o试样的断裂路径近似沿骨的纵向扩展,几乎没有发生裂纹偏转和折拐。采用计盒维数法计算了四个不同方向试样断面的分形维数,结果表明骨的分形维数与其断裂韧性呈正相关的关系。密质骨的弯曲各向异性力学性质也与其骨单元方向密切相关。(3)根据三点弯实验结果可知,断裂试样的断裂路径发生明显的裂纹偏转和折拐。建立了三种含有微裂纹的密质骨细观分析模型:单个骨单元-骨间质密质骨模型、多个骨单元-骨间质密质骨模型及多个骨单元-黏合线-骨间质密质骨模型,基于线弹性断裂力学和有限元分析法,在细观尺度上对比分析了骨单元和黏合线对骨间质中裂纹扩展能力和扩展路径的影响。研究结果表明,骨单元与骨间质的模量比大于1时,骨单元阻碍微裂纹的扩展;模量比小于1时,骨单元促进微裂纹的扩展。多个骨单元模型中骨单元对加速或阻碍微裂纹扩展有更明显的影响。黏合线阻碍微裂纹扩展,并使微裂纹的扩展路径发生偏转和折拐。(4)密质骨断面的扫描电镜观察结果表明,骨单元中非均匀分布着椭圆形腔隙,且其长轴沿骨单元的环向(环向椭圆形腔隙)。根据观察结果,建立了三种骨单元细观分析模型:环向椭圆形腔隙骨单元模型、径向椭圆形腔隙骨单元模型和圆形腔隙骨单元模型,通过对比这三种模型在冲击及挤压载荷作用下的应力分布及损伤演化情况,分析了腔隙方向和形状对骨单元体抵抗冲击与微损伤能力的影响。结果表明,骨单元的环向椭圆形腔隙能有效改善骨单元的冲击应力集中,增强骨单元的抗冲击能力。损伤分析结果也表明骨单元的环向椭圆形腔隙使微裂纹沿着骨单元的环向扩展,从而避免其沿骨单元的径向扩展进入哈弗氏管造成骨单元破坏。(5)骨单元各层环形骨板中的矿化胶原纤维螺旋环绕哈弗氏管,并且相邻骨板层中的纤维夹角约呈30°递增。建立4种纤维螺旋夹角分别为15°、30°、45°和90°的仿骨单元复合材料模型,并采用渐进损伤法和Hashin失效准则,对这4种仿骨单元复合材料模型进行低速冲击损伤分析。分析结果表明,纤维螺旋夹角为30°的骨单元复合材料模型,其抗冲击损伤的能力最大。说明了骨单元中矿化胶原纤维螺旋夹角为30°的周期性螺旋铺层结构能有效提高密质骨抵抗外界冲击的能力,研究结果可为高性能仿生复合材料的研制提供有益指导。(6)根据密质骨矿化胶原纤维中羟基磷灰石晶体的排列结构,建立羟基磷灰石晶体在胶原蛋白基体中交错排列结构细观分析模型,研究了羟基磷灰石晶体在胶原蛋白基体中交错排列微结构的结构参数、体积分数对密质骨弹性模量和断裂韧性的影响。结果表明,密质骨的弹性模量随羟基磷灰石晶体含量的增加呈非线性增加。根据交错结构的裂纹扩展路径及断裂桥联现象,分析了羟基磷灰石晶体结构参数及其含量对密质骨断裂韧性的影响。研究结果表明随着晶体片长宽比及其含量的增加,羟基磷灰石晶体交错结构的断裂韧性明显增大。羟基磷灰石晶体交错排列微结构有助于增强密质骨的断裂韧性。