孕镶金刚石钻头是资源开采和地质勘查的主要工具。随着国家能源探采工程向深部、硬岩和复杂地层方向不断发展,传统孕镶金刚石钻头存在寿命短、效率低和能耗大等技术难题。创新孕镶金刚石钻头的设计理念,提升钻头的服役寿命和工作效率,是推动孕镶金刚石钻头升级的重要研究方向。自然界中的生物经过亿万年的进化,形成了与生俱来的耐磨、自再生、自修复和自润滑功能,这为新型钻头的设计与制备提供了天然蓝本。本文基于多因素耦合仿生理论,以蜣螂、蚯蚓等典型生物为仿生模本,设计并制备了具有动态非光滑、原位自再生和弥散自润滑特性的仿生孕镶金刚石钻头试样,开展了被动、主动磨损试验和近工况条件下的钻进试验研究,以及力学和传热状态的数值仿真模拟研究,较全面地阐释了仿生孕镶金刚石钻头的耐磨、增效和自再生机理,为开发新一代仿生钻头提供更详尽的理论与技术支撑,具有重要的研究价值和科学意义。基于磨耗比评价方法的被动磨削试验发现,仿生耦合孕镶金刚石钻头样件经非光滑形态、自再生结构和自润滑材料三种耦元的耦合、协同作用,其耐磨性能和磨削能力显著优于普通孕镶金刚石试样。其中,动态自再生非光滑效应是影响仿生耦合孕镶金刚石钻头样件耐磨增效性能的关键因素。自润滑功能耦元能够产生良好的润滑效果,减少界面摩擦。摩擦界面间过小的空间和磨屑的累积是导致“微烧蚀”,胎体剥落和金刚石碎裂等影响钻头过度磨损的主要原因。凹坑形仿生非光滑表面可通过增加摩擦界面的空间,捕获磨粒和磨屑、缩短划痕、改善表面应力状态、提供润滑介质等多种功能特性进行耐磨增效,以减少甚至避免这些有害机制的发生。基于仿生钻头模拟孕镶金刚石钻头主动克取岩石的主动磨削试验,本文进一步研究了单元体尺度、数量和分布等仿生要素对仿生孕镶金刚石钻头磨损行为产生的影响。揭示了上述要素与仿生耦合孕镶金刚石试样磨损行为和钻进性能之间的对应关系。试验结果表明,仿生非光滑表面的非光滑度和仿生单元体尺度可以通过影响仿生耦合孕镶金刚石试样与砂轮摩擦界面的应力分布以及自润滑效果来影响其耐磨性能和磨削能力。通过近工况条件下仿生孕镶金刚石微钻头的台架试验,本文研究了仿生单元体排布、胎体材料力学性能和仿生单元体的自再生特性对仿生耦合孕镶金刚石钻头耐磨性能和钻进效率的影响规律,进一步验证了其良好的耐磨性能和钻进效率。通过对仿生耦合孕镶金刚石微钻头自再生功能的研究发现,仿生耦合孕镶金刚石微钻头表面的仿生单元体具有自适应能力,能够根据其所钻岩石的实际特征调整合适的单元体自再生速率以及单元体深度,以提供相应的岩屑捕获能力和自润滑能力,从而避免仿生非光滑材料的过度消耗。仿生耦合孕镶金刚石微钻头的自再生结构可以通过不断自修复、自生成表面非光滑形态从而持续保持较高的耐磨性能和钻进能力,进而延长仿生钻头的服役寿命,提高工作周期内的钻进效率。基于三维有限元建模和有限元分析软件ansys,本文模拟分析了普通钻头模型和仿生耦合孕镶金刚石钻头模型与岩石相互作用时各组表面的等效应力分布,并利用ansys-fluent流场分析软件分别评价了普通钻头模型和仿生耦合孕镶金刚石钻头模型外流场和温度场。结果表明,具有自再生功能的仿生非光滑表面能够增加仿生耦合孕镶金刚石钻头底唇面应力,提高仿生钻头的自锐能力,并使其底唇面应力均匀分布,保证其钻齿整体锐化的同步性。仿生钻头还能够增加作用在岩石上的等效应力,使岩石更易达到屈服极限,从而降低钻进能耗。仿生钻头可以在岩石上产生卸荷效应,使岩石表面的应力区域形成周期性交替,产生疲劳裂隙。仿生钻头扭矩的降低,使得钻头有用功大幅度提高,从而增加了能量的利用效率。与此同时,钻头底唇面的仿生单元体可以为冷却液提供更多的流动空间,增大换热的表面积,提高冷却液的整体流速,引导冷却液在仿生单元体周围形成涡流,使冷却液与钻头唇面换热更充分,强化冷却液与钻头底唇面的对流换热效率,进而增加仿生耦合孕镶金刚石钻头的服役寿命。本文结合传统孕镶金刚石钻头的碎岩机理和磨损特征,基于上述原理试验和数值仿真模拟,从仿生耦合孕镶金刚石钻头的非光滑耐磨、增效和自再生机理等多个角度出发,较全面地分析了仿生耦合孕镶金刚石钻头各仿生功能耦元产生的磨屑捕集、自润滑、减粘脱附、应力均布、自再生、自适应等诸多增益效应及其相互之间的协同规律,阐释了仿生耦合孕镶金刚石的耐磨增效机理与耦合机制,并初步建立了仿生耦合孕镶金刚石钻头的多元耦合效能评价指标体系,为仿生耦合孕镶金刚石钻头的优化和完善提供理论依据。