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以牙轮钻头几何学、运动学为理论基础，通过受力分析，建立了多自由度牙轮钻头动力学模型，及综合考虑扭矩、弯矩、横向力和在钻头破岩过程中多种因素耦合作用影响下的牙轮钻头与岩石互作用模型，发展了目前钻头行为力学理论；并通过仿真研究得到典型工况下牙轮钻头轨迹曲线和岩石破碎仿真计算，并模拟分析了软、硬地层岩石交替复杂环境下的井眼轨迹，为今后研究复杂钻井系统井眼轨迹预测提供新的理论依据。