在现代油气田钻井过程中,牙轮钻头及钻柱是主要的钻井破岩工具,其工作性能的好坏直接影响到钻井质量、钻进速度以及钻井成本。解决这些问题的有效途径之一就是对钻头及钻柱系统的动态特性进行研究,以确定钻头及钻柱的振动规律及力学性能。随着现代有限元技术及数值算法的发展,对钻头及钻柱系统动力学特性的研究成为可能,因此开展钻头-岩石-钻柱-井壁互作用下系统耦合非线性动力学研究具有重要的理论意义和学术价值。论文对牙轮钻头的结构组成及岩石特性进行了探讨,在研究牙轮钻头几何学和运动学的基础上,综合考虑钻头-钻柱结构、边界条件及各种载荷的作用,考虑多向摩擦的接触边界和接触判定条件,运用固定界面子结构法将钻柱系统分为钻头-岩石和钻柱-井壁两个子结构,基于动态子结构法,应用随机振动理论、动力间隙元及非线性耦合理论,建立了钻头-岩石-钻柱-井壁互作用系统非线性动力学模型,该模型能够较为全面的反映牙轮钻头-钻柱系统在井下的实际工作状态。研究了钻头-岩石-钻柱-井壁互作用系统非线性动力学模型的解耦算法,利用ABAQUS/EXPLICIT中心差分法对牙轮钻头-钻柱系统进行了动态仿真分析。从仿真结果可以看出,牙轮钻头及钻柱的运动状态、动态响应分布都呈现出复杂的无规律性;在钻压、系统自重及动载荷等外载荷的作用下底部钻具组合弯曲失稳后与井底及井壁碰撞接触,这种接触力的位置和大小都呈现出极大的随机性,在牙轮钻头的接触碰撞作用下,井底岩石发生弹塑性变形直至发生材料破坏,同时受井底岩石与牙轮钻头的互作用,牙轮钻头及钻柱产生较大的纵向、横向、扭转及各向的耦合振动。研究为实现钻头-钻柱系统寿命的提高和井眼轨迹精度的动态优化,进而实现对牙轮钻头-钻柱系统运动规律和井眼轨迹的预测与控制提供了理论依据。