滚刀位于隧道掘进机（TBM）最前端,是掘进的关键部件和整机设计的基础。由于滚刀工况复杂、恶劣,为避免损伤其他构件,施工中不得不频繁地开舱检查和更换磨损失效的滚刀,这严重地影响了工程的造价和工期。因此,可靠的滚刀磨损预测模型对确定换刀周期、调节掘进参数、评估破岩能力和控制成本至关重要。针对滚刀消耗严重且磨损量难以预测的问题,本论文在国内外相关研究的基础上,开展了滚刀磨损寿命预测模型、刀盘滚刀多目标布局优化及有限元仿真研究,主要内容如下:（1）在分析滚刀工作过程中的受力状态、滚刀磨损原因及主要影响因素的基础上,将基于K-means聚类的自适应神经网络模糊推理系统、人工神经网络,遗传规划算法建立滚刀磨损寿命预测模型。通过某输水隧道工程滚刀磨损量变化的数据对各模型进行训练,并以检验数据对各算法的适用性进行检验与综合评价,最终得出遗传规划更适用于建立滚刀磨损寿命预测模型的结论。（2）基于摩擦耗能理论及滚刀破岩力模型推导出滚刀摩擦耗能预测公式,通过对六个可优化因素的显著性分析,得出对滚刀摩擦耗能的可调节能力分别是安装半径为-96%～100%、贯入度为-95.7%～95.7%、刀盘转速为-50%～50%、同安装半径的滚刀数量为-630%～0、刀盘推进速度为-11.1%～44.4%、盘形滚刀半径为-128.8%～16.1%。（3）根据滚刀倾角将刀盘划分为中心区域和边缘区域,在保持原刀盘区域大小及滚刀数量的基础上,采用遗传算法,分别以均衡滚刀摩擦耗能为原则建立了滚刀极径布置的多目标非线性数学模型;以径向总荷载和倾覆力矩最小为原则建立了极角布置的多目标非线性数学模型。以TB880E刀盘为工程实例进行实验验证,发现各指标均优于原始刀盘布局,有效证明了模型准确性。（4）使用有限元软件建立单滚刀破岩模型,通过研究摩擦耗能的历程输出指出主动滚动破岩和被动滚动破岩导致的磨损量区别,滚刀主动旋转的情况下,摩擦耗能可以减少32.4%,为日后的建模和刀盘设计工作提供了有益指导。建立双滚刀协同破岩的有限元模型,通过改变两把滚刀间的距离研究刀间距对于滚刀破岩能力的影响,寻求最优刀间距,为刀盘滚刀布局提供帮助。