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全断面岩石掘进机(TBM)是我国大型装备制造业标志性产品,TBM刀盘设计是决定TBM能否高效、可靠、稳定掘进的关键。目前我国还不具备自主设计刀盘的能力,为打破国外技术封锁,开展TBM刀盘相关设计技术的研究势在必行。本文针对复杂多变的岩石边界条件,综合运用岩石力学、机械设计、结构力学、优化设计等理论和方法,研究多滚刀作用下平面布置优化设计和刀盘结构参数优化设计,开发TBM滚刀布置与刀盘结构设计软件,通过数值算例验证,研究TBM滚刀布置设计与刀盘结构参数优化设计理论体系。论文主要研究内容包括几下几个方面:1.滚刀作用下的岩石破碎机理及滚刀受力模型:研究岩石力学性质、岩石损伤现象及破坏机理、岩石本构关系的细微统计损伤模型,总结了基于理论的滚刀受力模型,包括伊万斯(Evans)预测公式、秋三藤三朗预测公式、罗克斯巴勒(F.F.Roxborough)预测公式、科罗拉多矿业学院预测公式等,基于试验数据拟合的受力模型包括Rostami预测公式,为滚刀布置优化设计提供了受力模型的理论基础。2.滚刀布置优化设计:综合考虑破岩机理、施工参数以及两种典型岩石地质条件,通过查阅国内外文献以及同合作单位的一线工程技术专家探讨,给出一般性的TBM滚刀布置设计问题需满足的技术要求,进而为了满足这些技术要求,建立全断面岩石掘进机滚刀布置优化模型,给出了全断面岩石掘进机滚刀布置规则及基于遗传算法的滚刀布置设计方法。3.刀盘结构参数优化设计:研究刀盘结构设计中的关键技术问题,主要包括刀盘的布局、拓扑结构以及支撑的拓扑结构等问题。基于滚刀布置方案及刀盘制造、装配工艺等要求,进行刀盘结构设计,获得刀盘结构设计初步方案及相关技术性能参数。4.实用化支撑软件:基于岩石破碎理论和工程数据,在给定的典型岩石边界条件下,开发TBM滚刀布置与刀盘结构设计软件,实现滚刀布置和刀盘结构初步方案设计,输出相应的滚刀布置方案、刀盘结构初步方案及相关技术性能参数。滚刀布置设计与刀盘结构参数优化设计经过优化计算最终得到一个设计初步方案,不仅可以给出待求解的新问题的建议解决方案,也可以通过数值算例对比验证已有的项目工程和优化计算后的TBM刀盘相关技术性能参数,从而降低TBM刀盘设计成本,提高TBM刀盘设计效率。