我国探月工程三期利用取心钻具的回转进尺功能,计划获取月表2m以下的月壤样品。月岩在月表中分布广泛,硬度与体积较大,钻具破碎岩石需利用冲击作用提高钻进能力,因此对钻具冲击过程中力学特性的研究非常重要。本文以探月工程三期取心钻具冲击破碎大尺度月岩为工程背景,针对由冲击驱动机构、钻具系统、岩石构成的冲击传递链,开展冲击应力传递及岩石破碎负载特性的研究,量化冲击能量的输入与输出关系。基于波动力学与冲击力学理论,获得冲击应力入射波形、衰减模型及破碎岩石的能量效率关系;针对钻具系统中的结构结合面,以等效刚体质量及等效阻尼为参量,获得冲击能量在结合面上的损失关系;由于钻具的压/弯/扭耦合特性,建立冲击应力在钻具中传递的横波、扭转波、弯曲波关系式。利用多体动力学与有限元软件验证理论模型,为试验参数域的确定提供摸底预判。在全参数钻取平台上,研制冲击作动机构试验工装,采用光纤光栅、高速摄像机、六维力传感器、扭矩传感器作为冲击应力及负载数据采集手段,开展钻具冲击应力传递、碎岩负载特性的参数影响试验研究。针对岩石与切削刃的相互作用关系,对岩石的性质及破碎形式进行研究。基于弹性力学及波动力学理论,获得单切削刃在静载侵入和动态冲击作用下岩石负载特性关系,对钻头与单切削刃的负载侵入对比分析。为了对能量传递关系进行修正,分析切削刃构型对能量传递的影响关系。利用离散元分析软件,验证岩石破碎时理论模型。利用单切削刃测试平台,采用六维力传感器进行负载监测,开展不同冲击参数、不同切削刃构型的单因素影响试验、多因素综合试验。为了比对各个参数对负载的影响程度,开展正交试验分析,为钻进规程及切削刃构型的参数域选择提供参考。本文以理论研究、数值仿真、试验验证为手段,在考虑了冲击结合面、压/弯/扭冲击应力、切削刃构型、冲击参数的基础上,获得取心钻具的冲击应力传递及其碎岩负载特性,为我国探月工程三期月面钻取采样工程设计及地面验证提供了理论与技术支持。