岩石在PDC切削齿作用下的破碎过程是一个极端复杂的瞬态过程,其不仅涉及刀具与岩石互作用过程,还包含裂纹扩展和岩屑形成等微观细节,而目前国内外研究方法在研究PDC齿破岩微观细节存在一定局限性,对PDC齿作用下的岩石损伤规律的了解存在不足。而全面了解载荷作用下岩石破碎机理研究是促进破岩理论和钻头设计发展的关键,因此有必要在传统切削参数研究方法上,突破传统研究对瞬态破岩特征研究的难点,对PDC齿切削过程中的岩石损伤规律和破碎过程进行深入研究。本研究通过查阅大量文献,对国内外学者关于刀具破岩理论研究的方法和理论成果进行了归纳总结,在前人研究的基础上对PDC切削齿在载荷作用下受力状态和破岩过程进行了理论分析。基于显式动力学求解方法和动态损伤本构模型,本文对PDC齿破岩过程中岩石裂纹发展、应力状态、破碎模式和损伤规律进行了数值模拟研究,结合理论研究与实验数据验证了仿真结果的合理性和可行性。本文主要研究内容如下:(1)突破传统Drucker-Prager、Morh-Coulomb本构模型在模拟岩石损伤的限制,选择岩石连续盖帽模型并配合塑性损伤参数和单元侵蚀方案,建立PDC齿破岩过程的显式有限元仿真方案。(2)基于数值模拟结果,根据岩石破碎理论观点对跃进式岩石破碎过程进行分为裂纹萌生、切屑成核、裂纹扩展和块体崩裂四个阶段,并对岩石损伤、应力状态进行了阶段性分析,进一步总结了载荷作用下PDC破岩机理。通过建立仿真模拟,分析了切削齿间“相邻效应”对于岩石损伤的影响以及对PDC剪切破岩机理与结果的合理性进行了理论验证。(3)研究了不同切削角度、吃入深度和岩体强度跟地层中的刀具受力、裂纹发展、破碎损伤模式和破岩效率的关系,通过多角度分析了不同参数对破岩效果影响规律,进而为优化PDC钻头设计提供了理论根据。本文以数值模拟为研究手段,突破了研究瞬态破岩过程与损伤特征的难点,揭示了 PDC齿作用下岩石的破碎和损伤规律,为完善和发展岩石破碎理论,提高钻头设计技术提供了理论依据。