面对石油价格不断上涨,减少钻井成本成为了必然趋势。牙轮钻头是常用的钻井工具之一,其失效形式之一就是牙轮钻头的磨损,给牙轮钻头快速钻进带来了巨大的挑战。本文在现有牙轮钻头研究的基础上,结合有限元的数值模拟和磨损理论的方法研究了牙轮钻头的牙齿磨损机理,并针对牙轮磨损机理,从结构和材料两方面进行了优化。本文主要开展了以下工作:首先,建立了三牙轮钻头的几何模型,通过有限元的数值模拟的方法,模拟了岩屑产生的部位以及空间分布规律,研究了岩屑对牙轮钻头牙齿的磨损作用。建立了井底流场的数值模拟,模拟了岩屑在钻井液作用下的流动规律,探索了岩屑对牙轮钻头最内排牙齿形成第二次刮擦造成磨损的过程。其次,建立了复合运动下牙轮钻头的磨损数学模型,利用子程序接口,编制了磨损程序,然后在此基础上建立了单齿磨损的有限元模型,对磨损模型进行验证。最后,基于牙轮钻头磨损的磨损理论,通过数值模拟的方式,对比了新热加工工艺方案和目前热加工工艺方案,分析了两种热加工工艺的材料性能以及组织。在牙轮钻头工作的特点和牙轮钻头磨损的机理基础上,优化了牙型角和牙齿在牙轮上的安排。