在钴结壳开采过程中,对钴结壳及其基岩的破碎是一个重要的环节,既要保证足够高的采集率,又要能降低破碎比能耗和废石混入率,这是相关研究的关键问题。论文通过理论推导,建立了优化模型,并构建一种基于遗传算法和蚂蚁算法的混合算法,针对不同的微地形,对所建的优化模型进行优化,同时运用LS-DYNA对模型进行动力学仿真,最后通过实验验证该优化模型的正确性。本文的主要成果及结论如下：1、根据海底采矿作业的特点,对截齿、采集头进行了力学分析,得到了截齿、采集头受力的计算公式；根据螺旋滚筒及其截齿的运动特性,推导出钻结壳切削平均切削厚度的近似计算方法。2、根据采集头的工作特点,推导出截齿的三向阻力的计算公式；根据海底微地形的特点,建立采集头切削钻结壳及其基岩的采集量计算模型；在考虑比能耗、采集率、废石混入率多种因素下,建立了优化模型。3、构建一种基于遗传算法和蚂蚁算法的混合算法,该算法充分利用了遗传算法全局快速寻优和蚂蚁算法局域收敛性能好的优点,取得了优化性能和时间性能的双赢,同时编制了相应的优化设计程序,针对不同的微地形,对所建的优化模型进行优化,最后对优化结果进行线性回归分析,分别得到了采集头轴心高度、牵引速度、滚筒转速与粗糙度、相对平均高程、高程平均标准差之间的关系。4、运用ANSYS/LS-DYNA对钴结壳的切削过程进行了模拟,通过模拟得出了在不同切削速度下钴结壳切削比能耗和切削力3个方向分力的变化规律,从而验证优化设计结果的正确性；运用MATLAB对三向阻力进行频谱分析,得到了频域中各载荷的能量分布曲线,从中分析得出各向载荷的主要频率集中在0-20Hz之间,从而在进行采集头结构设计时要尽可能使其固有频率远离主要频率。5、根据上述研究,作者进行了实验研究,通过实验测试证明,实验的结果与优化设计的结果吻合较好,达到了预期的理论研究目的。