隧道掘进机作为隧道开挖的专用工程装备,在掘进过程中通过刀盘旋转带动盘形滚刀贯入并滚压岩石完成破岩。刀座作为盘形滚刀载体直接焊接在刀盘上,在焊接过程中由于焊接材料和工艺的原因,焊缝位置不可避免的存在初始缺陷,且刀座结构在掘进中承受交变载荷,导致刀座易疲劳断裂失效。本文针对掘进机刀座焊接结构在交变载荷下的疲劳失效问题,开展刀座的疲劳寿命预测研究,对于隧道掘进机的定期安全维护,保障施工安全,具有重要的工程意义。首先,利用有限元软件建立盘形滚刀破岩仿真模型,获得了工程中常见四种工况下的滚刀破岩的载荷历程,利用雨流计数法将破岩仿真获得的随机载荷时间历程转化为一系列载荷循环,使用先扩展后合成方法编制了刀座八级载荷谱,载荷幅值范围在133.157 k N～300.310 k N,为后续刀座的疲劳寿命预测奠定基础。其次,根据某型隧道掘进机刀座的实际结构尺寸,建立了刀座三维模型,分析了刀座结构的静态特性,确定了刀座危险位置为焊缝焊趾处,最大应力为275.22 MPa;在此基础上分析了刀座在各级载荷幅值下焊趾处不同裂纹深度裂纹尖端的应力强度因子规律,结合断裂力学理论确定了疲劳裂纹扩展参数和刀座损伤容限,并统计各级载荷幅值下的循环次数,进而应用Miner线性累积损伤准则,建立了刀座疲劳寿命预测模型,计算出焊接残余应力完全消除下的刀座疲劳裂纹扩展寿命为3.983×10~6次,并对刀座进行疲劳寿命仿真分析,仿真结果与理论值误差为3.61%,验证了理论值的合理性。最后,根据刀座焊接工艺确定合适的热源及焊接参数,利用有限元软件建立了刀座焊接结构有限元模型,采用顺序耦合法分析了刀座的瞬态温度场分布和残余应力场分布,揭示了刀座在焊趾位置沿厚度方向的横向残余应力分布规律,利用权函数法计算出刀座焊趾位置的残余应力强度因子,对刀座的疲劳寿命预测模型进一步修正,计算了考虑焊接残余应力的刀座疲劳裂纹扩展寿命为2.343×10~6次;分析了时效处理残余应力后的刀座疲劳裂纹扩展寿命,得出了不同时效处理残余应力后的刀座疲劳裂纹扩展寿命规律。研究结果不仅为隧道掘进机刀座抗疲劳设计、刀座修复提供理论依据,同时为预测其他焊接结构的疲劳寿命提供相应借鉴,具有一定的工程应用价值。