大直径冲击反循环钻机广泛应用于大口径桩基、井口等的冲击钻进工作,具有排渣速度快、冲击效率高、井壁成型好等优点。但与其配套的冲击钻头在长时间连续工作中,常出现圈层断裂、筋板脱落、焊缝开裂等缺陷,影响了该钻机的进一步推广。钻头冲击钻进岩石的过程非常复杂,影响因素多,通过对钻头破岩理论的分析,研究破岩过程及其影响因素,能够为钻机钻进参数的设定及钻头结构优化提供依据。本文首先就破岩理论的发展及仿真技术在破岩领域的应用进行了介绍,由于理论计算很难考虑众多因素耦合作用影响,随着计算机技术的发展,数值模拟技术为复杂非线性问题的解决提供了可能。利用Ansys与Ls-dyna进行联合仿真,对直径1.6-3m型号的钻头破岩机理进行了分析,结果表明:单次冲击破岩深度依次是石灰岩>砂岩>花岗岩,钻进破岩难度与岩石抗压强度呈正相关;分析了冲击高度对破岩深度的影响,确定了钻头最优提升高度区间为0.8m-1.3m;冲击过程中对其同阶梯和外围单元点的应力情况进行了追踪分析,发现同一阶梯单元应力变化趋势大致相同,外围单元应力变化具有滞后性,且钻头冲击所产生的应力波不会对井壁单元造成失效破坏;分析了钻头冲击花岗岩过程中剩余速度的变化情况,并得到冲击过程中花岗岩体的应力变化情况及破碎坑的成型过程。刀体是钻头直接接触岩石的关键部位,其结构的合理性对破岩效率产生很大的影响,通过仿真分析发现针对难以破岩的坚硬地层,可以用刃倾角较小的刀体;针对较软的地层,用刃倾角较大的刀体,破岩效率较高。将刀体结构由锥形改为斧形,通过对比仿真实验,得到了斧形刀体的最优刃倾半径,改进后的刀体与原刀体相比破岩体积提升了21%,提升了破岩效率。对钻头进行了动态响应分析,对比了不同层级刀体参与破岩时的钻头应力分布情况,并对优化前和优化后的钻头进行了对比,发现优化后的钻头关键部位的应力值峰降低了3.42%,为钻头的进一步优化设计提供了基础。