在石油钻井中，牙轮钻头使用十分广泛，并能够适应各种不同地层的钻井。牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力情况是相当复杂的。研究牙轮钻头的工作原理和破岩机理，探讨不同钻头运动参数、结构参数改变对破岩效率的影响规律，对开发设计高性能钻头和钻头选型工作具有重要的意义。 本文通过研究钻头齿圈复合运动破岩系统，开展了大量的钻头齿圈复合运动破岩试验，同时利用有限元技术仿真分析获得了钻头齿圈在不同运动参数、结构参数下的破岩效率。在研究分析过程中，建立了钻头齿圈复合运动破岩系统的几何模型和动力学模型，分析了牙齿的受力情况和运动特点；通过对各种岩石本构关系模型的研究，建立了适合钻头牙齿破碎岩石的扩展线性D-P本构关系模型和基于耗散能量的破碎准则；完成了岩石力学性质试验和钻头齿圈复合运动破岩试验，从而为建立和验证有限元模型奠定了重要的试验基础；最后通过高级有限元软件ABAQUS建立了钻头齿圈破岩系统的仿真分析模型，进行非线性动态接触分析，获得了可靠的仿真分析结果，建立了一套基于ABAQUS有限元软件的分析和评价不同结构钻头破岩效率的新方法。