小天体是人类了解太阳系的一个最重要的窗口,同时小天体含有丰富的贵金属及稀有元素,具有巨大的勘探价值,因此对小天体进行探测具有长远的意义。基于逆压电效应的超声波钻探装置具有结构简单、体积小、重量轻和轴向力小等优点,成功地解决了探测器运载能力紧张、尺寸限制严格、锚固力有限的问题,在深空探测领域展现出显著优势。本文针对我国首次小行星着陆采样任务,结合理论与仿真分析方法,设计了一种小行星表面岩石超声波磨削采样装置。基于弹性体假设,建立了压电换能器的动力学模型,根据压电换能器的频率方程初步确定各部分结构尺寸。借助梅森等效网络原理,建立纵-扭复合式压电换能器等效网络模型,对压电换能器的工作规律进行了描述。利用有限元方法,根据压电换能器包含输出能力、纵扭转换能力、能量利用率及输出振型稳定性在内的输出特性,对压电换能器的主要参数进行了分析与优化。针对优化后的换能器进行模态分析与谐响应分析,得到最大纵扭比、输出振幅等表征压电换能器输出特性的参数。针对纵-扭复合式压电换能器的运动输出方式,完成了能量传递单元的设计与研究。为了更好的了解自由质量单元在能量传递过程中的纽带作用,建立了包含压电换能器冲击头、自由质量单元及磨削杆在内的碰撞振动系统。对空载下的碰撞振动系统进行了离散化建模与分析,得到了确定的初始状态下,自由质量单元及磨削杆的碰撞频率及运动曲线,实现了碰撞振动系统复杂运动的非线性描述。基于岩石破碎学理论,对岩石磨削的相互作用过程进行了研究。得到了不同构型磨头对应的岩石应力分布及岩石侵深曲线,获得了不同自由质量单元对应的岩石侵深及磨削速度;实现了磨削效果的定量描述,同时指导了磨头及自由质量单元的选取。最后结合仿真分析结果完成了超声波磨削采样装置的设计。