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土鉆主要由手柄、鉆桿，鉆筒、取土槽和鉆頭5部分組成，如圖所示。其中鉆頭、鉆筒和取土槽總稱為鉆頭部分。土鉆鉆頭的整體形狀為圓柱筒型結構。其與金屬切削刀具結構由前刀面、主切削刃、副切削刃、后刀面、鉆筒內壁和鉆筒外壁組成。前刀面與鉆筒內壁相內切，與開口槽構成雙旋刃機構。鉆頭部分是決定土鉆取土效率的最關鍵的部分；而雙旋刃結構又是在鉆頭的結構的重要組成部分，在土鉆取土過程中起著非常重要的作用。
土鉆在取土過程中，首先前刀面的頂端接觸土壤，然后整個雙旋刃結構慢慢地增加接觸土壤的面積，這時土壤受到擠壓，形成層狀。前刀面與鉆筒內壁相內切，層狀土壤更容易順著前刀面旋轉進入鉆筒，形成卷狀的土壤更易壓實，能夠有效地克服土壤的阻力，也使土壤保持原樣，為后續土壤的檢測做好準備。雙旋刀刃結構減少了與土壤的接觸面積，借助刀口斜面通過旋轉有效克服土壤阻力，使剖面原狀土以及淹水土壤原狀土取樣得以實現。鉆頭刀刃是關鍵的部分，它的好壞直接影響著取土性能，有必要對鉆頭進行靜力學有限元分析。
土鉆在切削土壤獲得土壤樣本時，受到土壤對鉆頭的切削阻力。這些阻力主要包括，
1)貫入阻力。當土鉆切削土壤時，土壤被壓實松緊程度對鉆頭切削部分所產生的阻力，稱為貫入阻力，它與土壤地面的壓實程度和土鉆切削土壤的深度有關。
貫入阻力實際上反映了鉆頭在距離地表面。位置，鉆頭切削土壤受到的有效阻力。
2)摩擦力。土壤的摩擦力分為內摩擦力和外摩擦力兩部分。內摩擦力是土壤顆粒之間產生相對運動所受到的阻力，當外力大于內摩擦力時土壤發生斷裂或破碎。外摩擦力是土壤與鉆頭金屬壁產生對運動所產生的阻力，研究鉆頭所受的摩擦力是指外摩擦力。
附著力和摩擦力的區別是：附著力是土壤在金屬表面發生相對運動之前土壤對金屬表面所作用的力；摩擦力是土壤與金屬表面發生相對運動時土壤對金屬表面的作用力。所以，土壤對土鉆切削時的阻力等于附著力與摩擦力之和。
ANSYS提供了兩種方法來構建有限元模型，一種是建模或導入實體模型，另一種是直接用單元和節點生成有限元模型。根據需要，本文選擇前者，即在Proe3.0中創建完實體模型后導入ANSYS，再生成有限元模型。
在ANSYS軟件中，SOLID92有二次方位移和能很好劃分不規則的網格(譬如由各種各樣的CAD/CAM系統生產)。此單元由10個點定義，每個節點有3個自由度：節點，y方向位移，并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化、大變形和大張力的能力。本文選擇計算單元為SOLID92。
在對鉆頭進行靜強度分析時，ANSYS軟件要求必須要定義材料的屬性。鉆頭的材料為9Mn2V彈性模量取E=210GPa，泊松比=0.26。
ANSYS提供兩種網格劃分方法：自由網格和映射網格。其中，自由網格劃分操作對實體模型無特殊要求，任何幾何模型，即使是不規則的也可以進行網格劃分。
本文選擇自由網絡化命令，將網格尺寸選擇即網格劃分水平的最高級別。劃分網格后生成的有限元模型，如圖所示。此有限元模型有2357個單元和5045個節點。
引入合適的邊界條件會提高計算精度，邊界約束應盡量與實際相符，避免出現過約束或欠約束。土鉆的鉆頭與鉆筒直接相連接，鉆頭在工作過程中，連接部分相當于固定端約束，即藝F=0，M=0。鉆頭所受到的力主要是作用在前刀面上，可以把該力進一步簡化為在兩個前刀面上的均布面載荷，即在模型的連接圓環面上施加固定的全約束，并在鉆頭兩個前刀面上施加均布面載荷。
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