航天器交会对接是载人航天工程的一项关键技术。几乎所有的载人航天使命中（如天地往返运输、大型航天器的在轨装配与长期营运、航天器在轨服务、太空救援、登月以及星际航行等），都要应用交会对接技术。交会对接使命包括交会、对接、联合飞行、分离以及分离后的轨道转移等一系列任务，而对接机构又在这一些列任务中扮演着重要的角色。本文以探月三期工程为研究背景，设计出满足功能与性能指标要求的对接机构。首先，对国内外的强碰撞式与弱碰撞式交会对接机构进行调研。根据对接与样品转移分系统技术要求对调研方案进行方案论证，最终得出较为适合探月三期工程任务要求的方案。依据探月三期对接与样品转移分系统技术指标与性能指标要求，对将要设计的对接与样品转移机构的质量特性、刚度与承载要求、功耗要求、工作时间、结构轮廓尺寸等指标进行规范。在此基础上设计出符合各项指标要求的对接与样品转移机构。由于飞行器在发射和地月转移过程中会出现较大的振动，为保证设计的机构有足够的强度与刚度并能避免自身固有频率接近火箭发射时的激励频率，需用Hypermesh、Nastran、Patran等有限元软件对结构模型进行抗力学适应性分析。在完成对接机构的有限元设计后，应用空间闭合矢量（空间多边形）方程对对接与样品转移机构主动部分与被动部分的接触点进行确定。然后运用牛顿—欧拉法分别建立对接过程各阶段的动力学方程。在完成动力学数学模型的基础上，为保证样品转移成功，整个模型需要进行动力学仿真。仿真前需对仿真环境与模型参数进行定义，并总结出样品容器对接与转移成功的判据，然后分别对单一变量的极限工况与多变量的组合工况进行仿真分析。在得到单一变量的临界值后，通过对变量进行敏感度分析和优化设计，得到组合工况下确保对接成功的各变量的初始条件。然后运用蒙特卡洛打靶法验证在初始条件下完成对接与样品转移的可靠性。