本文结合国家自然科学基金“基于柔性多体固液耦合的机械系统动力学机理和行为仿真”、中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金“基于物理的虚拟顶驱装置样机的技术研究”和中国石油天然气股份有限公司科技风险创新研究项目“顶驱装置数字化设计与制造”项目，将“功能化虚拟样机技术”应用于顶驱装置的设计领域。基于多体系统动力学和钻柱动力学理论，结合虚拟产品开发技术，提出并建立了基于钻柱激励的顶驱装置虚拟样机动力学计算和分析方法，采用室内试验的方法对理论分析进行了验证，开发出了顶驱装置辅助设计系统。 本文在对钻柱模型进行适当简化的条件下，建立了钻柱纵向、横向和扭转全耦合的振动模型，按照哈密尔顿原理对钻柱的耦合振动方程进行了推导。提出钻柱上端只有纵扭耦合振动，采用摄动法对钻柱上端的纵扭耦合振动特性及机理进行了理论分析，采用假定模态-吉尔积分法对钻柱的纵扭振动行为进行了数值模拟，给出了数值求解的方法及程序。采用转子动力学和和固液耦合动力学理论，对环空旋转钻柱内、外钻井液流体对钻柱涡动的影响进行研究，对钻井液诱发钻柱涡动产生的机理进行分析。