本文以我国正在实施的月面钻取采样装置的研制为工程背景,以钻具限幅机构的结构设计、力学分析及及试验验证为主要研究内容,针对采样钻具的任务需求、工作环境及具体的结构形式,采用航天产品结构设计、动力学分析和环境模拟试验验证方法,研制了一种可解锁式钻具支撑结构——钻具限幅机构。以钻取采样装置任务需求为基础,开展限幅机构方案设计研究。在多方案综合比较分析的基础上,提出了一种新型定点解锁式钻具限幅方案。该方案保证在空间运输及浅层钻进阶段的限幅导向,并在钻进后半段完成解锁避让。针对限幅机构优选方案,进行限幅机构结构详细设计及力学参数分析。以钢球锁释组件为研究对象,进行力学分析,确定其摩擦类型转换的边界条件,给出预紧力估计公式,以提高解锁力稳定性为目标匹配各构件摩擦系数;对包括锁合组件、限幅环、支撑架在内的附属结构进行相应设计及优化;以限幅机构为研究对象,进行刚度强度性能分析,分析其在不同工况下的承载能力;以结构设计内容为基础,研制限幅机构试验样机。将限幅机构作为钻具支撑系统的一部分,分析其与钻具的相互作用关系。根据钻具的结构尺寸及支撑形式,对钻具及其支撑系统进行力学简化;基于Euler-Bernoulli梁理论建立多点支撑预应力钻具刚度力学模型,分析轴向预紧与径向限幅对钻具刚度的影响;以限幅环约束下的钻具为研究对象,考虑支撑间隙的影响,采用力学分析与动力学仿真相结合的方法,分析典型工况下钻具的动力响应,并估算动力冲击载荷;基于Hertz接触理论,结合有限元仿真,分析螺旋翼与钻杆的接触情况,获得接触应力及接触变形与支撑间隙的关系,并校核现有结构参数的接触强度。针对所设计的限幅机构试验样机,开展限幅机构性能与力学试验研究。针对限幅机构试验需求,制订试验方法,并进行限幅机构性能试验系统的设计与制作;利用研制的测试系统,开展限幅机构功能性能试验测试与分析。