深海天然气水合物的无扰动保真取样是通过大尺寸绳索取样专用钻柱带动刮刀钻头旋转实现的。钻探取样过程中,钻柱的安全可靠性以及钻头对水合物岩层的扰动情况直接关系到能否成功获取海底天然气水合物实物样品。论文结合课题组多年对天然气水合物取样设备的研究成果,主要运用数值模拟及理论计算的方法对天然气水合物保真取样系统的力学行为进行深入研究。论文首先对大尺寸绳索取样专用钻柱进行静态有限元分析。在忽略动态因素的前提下,对钻柱进行受力和变形分析,找出钻柱应力集中部位,即危险截面。并分析了扭矩、钻压、转速等因素对钻柱受力的影响,得出钻柱等效应力变化规律及挠度变形情况。论文在忽略钻头几何尺寸的前提下,对钻柱的振动模态进行分析,得到钻柱振动的前10阶固有频率,确定钻柱发生共振的临界转速,并分析钻柱壁厚、钻铤长度对固有频率的影响,为防止钻探取样过程中钻柱发生共振提供理论依据。论文在考虑惯性力和阻尼作用的影响的基础上,对钻柱进行瞬态动力学分析,研究钻柱在随时间变化的载荷下轴向位移随时间变化的规律,并分析了转速对横向波动范围的影响。论文通过设置钻头与水合物地层之间的刚-柔接触模拟取样过程,对取样过程中钻头对水合物地层的扰动情况进行了模拟分析。研究钻探取样过程中钻头对水合物岩层的扰动率,并提出减小扰动的措施。最后,论文对钻探取样过程进行瞬态热应力分析。在天然气水合物钻探取样过程中,由于钻头与天然气水合物地层之间存在切削摩擦作用,会产生大量的热能,摩擦热量直接影响天然气水合物的原位状态,造成水合物分解。对刮刀取样钻头和水合物地层之间的这种切削摩擦过程进行瞬态热应力分析,确定钻进过程中温度变化情况,有助于了解这种影响程度,并为海底天然气水合物保温取样提供参考。