我国探月第三期工程的目标是取得有层理信息的月壤样品,在满足月球空间低重力、无水真空等特殊环境的基础上,设计低功耗、高取心率、高可靠性和高层理保持性的月壤取心机构是目前亟待解决的工作。针对此,本文就月壤取心机构的设计及优化问题进行了深入探究,主要研究内容包括月壤取心机构的系统设计、力学模型建立、EDEM离散元仿真分析以及实验研究。月壤取心工作的初始阶段,无滑差取心机构的软袋处于静止-运动临界状态,软袋内翻受到的牵拉力和扭矩较大,直接影响取样层理性和取心功耗。对此,本文建立初始阶段取心机构与月壤相互作用的力学模型,分析取心结构参数和转速、钻速等对软袋末端拉绳牵拉力和扭矩的影响;以软袋内翻阻力和扭矩最小为目标,依据我国三期探月取心机构的空间约束条件,优化取心机构的结构参数。结果表明:导向头圆角、保持心管外径等结构参数以及钻杆钻速和转速对取心拉力和扭矩均有影响;当导向头圆角半径为0.5mm,软袋厚0.2mm,钻速为100mm/min、转速为60r/min时,大大降低了软袋在内翻过程中的拉绳牵拉力和扭转程度,提高了样品层理保持性,减低了取心功耗。针对实际取样过程中,无法直接观察到月壤的运动状态及样品的层理信息,使用离散元软件EDEM建立等效月壤颗粒模型和取心机构模型进行钻进取样过程的仿真,模拟月壤粒子进入取心机构内的流动状态,运用曲面斜率法来描述粒子在取心机构中的填充性、层理保持性,并以此验证月壤取心机构力学优化结论的正确性。最后,搭建模拟月壤取样实验台,针对上述理论分析和软件仿真计算的结果,以均质模拟月壤为取样对象进行钻进取样试验研究。在实际工作过程中,验证取心机构的系统设计的合理性,并分析优化前后取心机构在工作过程中的功耗、取心率、层理保持性等特性。最终确定最优化的无滑差软袋取心机构,实现取心机构质量轻、取心过程功耗低以及取出样品的层理保持性好等目标要求。