刀盘作为盾构掘进系统中直接从事土体切削的关键零部件,其掘进过程中的性能直接关系到盾构掘进的质量。作者结合国家973项目课题“全断面掘进系统性能仿真与实验”与企业具体需求,对土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析及多目标优化设计技术进行了研究,提出了基于特征单元的刀盘参数化建模方法、基于几何相似性的刀盘疲劳寿命预测方法、基于NSGA-Ⅱ算法的刀盘多目标优化设计方法,并将其应用到了沈阳重型机械集团有限公司研制的Φ6.28m土压平衡式盾构机刀盘性能仿真分析中。第一章主要介绍了基于有限元的性能仿真分析技术、结构疲劳寿命预测技术研究应用情况,着重分析了土压平衡式盾构机刀盘结构设计与性能仿真分析国内外研究与应用现状。针对现有刀盘结构设计中存在的不足,给出了本文的研究内容与组织结构。第二章针对刀盘性能有限元仿真分析过程中存在的刀盘建模繁琐及模型不易于后期优化设计等问题,提出了基于特征单元的刀盘参数化建模方法。该方法在分析刀盘结构特征的基础上,根据特征间的树状梯阶层次结构和拓扑结构关系对刀盘特征进行组合形成刀盘参数化模型,并通过对有限元仿真分析软件ANSYS进行二次开发实现了刀盘参数化三维建模模块。使用刀盘参数化建模模块建立了刀盘参数化模型,并在分析刀盘结构材料属性及载荷工况基础上建立了刀盘应力特性和振动特性有限元仿真分析模型,获得了各种载荷工况下的刀盘结构应力分布及振动特性。第三章针对刀盘结构疲劳寿命预测中S-N特性多样性导致疲劳寿命预测偏差较大的问题,提出了基于几何相似性的刀盘疲劳寿命预测方法。该方法将复杂结构中的常用缺口结构分为标准结构和衍生结构,从缺口结构疲劳强度影响因素出发给出了基于疲劳特性的标准结构和衍生结构几何相似性判断准则及相似度计算方法,结合刀盘衍生结构的匹配标准结构疲劳特性与相似度确定衍生结构S-N关系曲线修正系数;根据易疲劳破坏因子(平均应力、应力集中)确定刀盘各缺口结构易发生疲劳破坏位置,通过Goodman方程确定该位置最大疲劳损伤的载荷谱,采用Palmgren-Miner累积损伤理论预测刀盘结构疲劳寿命。第四章针对刀盘结构某些位置存在大平均位移、疲劳寿命较小等问题,以节点平均位移最小、疲劳寿命最长、刀盘开口率最大为优化目标,对刀盘设计参数实施了多目标优化。根据刀盘结构特性建立了刀盘多目标优化数学模型,通过多目标优化设计软件iSIGHT与ANSYS集成,采用NSGA-Ⅱ算法计算获得了刀盘多目标优化Pareto解集,基于模糊集合理论对刀盘进行Pareto解集选优,获得了刀盘设计参数最优解。第五章总结了论文的研究内容和主要工作,展望了今后研究工作的努力方向。