1、全斷面巖石掘進機(簡稱TBM)是裝備制造業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品。TBM結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、市場需求大、進口依賴性強，因此加速發(fā)展TBM自主研發(fā)勢在必行。
　　刀盤作為TBM的核心部件處于掘進機最前沿并與復(fù)雜巖石地質(zhì)界面直接作用，在掘進過程中承受大扭矩、大推力和沖擊載荷，工作條件十分惡劣，因而合理、可靠的刀盤設(shè)計是TBM設(shè)計的關(guān)鍵。TBM刀盤拓撲結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計直接關(guān)系掘進效率和可靠性，而刀盤拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于復(fù)雜巖石邊界下刀群適應(yīng)性布

2、置設(shè)計與刀盤盤體結(jié)構(gòu)之間的耦合設(shè)計。針對上述設(shè)計內(nèi)容，本文綜合運用離散元法、參數(shù)化設(shè)計、協(xié)同進化等手段，研究基于碴土流動性的刀盤出碴槽設(shè)計方法;在此基礎(chǔ)上，研究刀群星型布置規(guī)則與刀盤盤體結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系，研究雙子系統(tǒng)協(xié)同進化的刀群適應(yīng)性布置與刀盤盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計方法;最終依托合作單位的實際工程進行相關(guān)理論方法的驗證與完善，為TBM刀盤自主研發(fā)提供一定的理論方法支撐。本文具體研究工作如下:
　　(1)針對TBM刀盤出碴槽設(shè)計領(lǐng)域的

3、空白，本文采用離散元方法(DEM)建立了刀盤出碴離散元仿真模型，并以此探究出碴槽設(shè)計參數(shù)對TBM出碴效率及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了基于碴土流動性的出碴槽設(shè)計規(guī)則:①出碴槽開口寬度優(yōu)先保證;②盡可能長、短出碴槽結(jié)合布置;③相鄰出碴槽開口差異盡可能小;④盡可能采用對稱式布置。通過對比工程實例中原始與改進出碴結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可知:采用改進方案的刀盤出碴效率能夠提高15.08％，出碴穩(wěn)定性提高11.97％。
　　(2)本文同時考慮刀盤支撐筋的

4、輔助出碴和支撐功能，設(shè)計了一種L形TBM刀盤支撐筋結(jié)構(gòu)，并建立了基于出碴性能的刀盤新型支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計理論模型。通過工程實例分析可知:改進后的刀盤總變形減小4.15％，應(yīng)力減小37.33％;軸向、橫向、合成振動分別減小12.76％、9.47％和12.76％。
　　(3)考慮到刀群布置與刀盤盤體支撐結(jié)構(gòu)間的耦合因素，本文提出了以刀盤側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤應(yīng)力和應(yīng)變最小化為優(yōu)化目標(biāo)，刀具安裝角與支撐筋初始位置角