产品设计开发的传统流程为方案设计、图纸设计、制造实物样机、实物样机测试到产品上市投产。传统设计流程存在设计周期长,制造实物样机及多次进行实物样机修改带来的高额成本费用的问题。这些问题的存在无法满足现代市场对于产品设计企业对质量、效率和成本的要求。数字样机技术的出现给传统产品设计方法带来一次革命。数字样机技术是通过计算机对产品整机的所有零部件进行建模,并通过虚拟装配后,对整机进行运动学和动力学的仿真分析,根据分析结果对数字化样机进行修改,使得产品最终满足用户要求的一种设计方法,数字化设计可以在设计阶段发现潜在问题和不足,通过对模型进行修改使产品设计趋于完善,这就避免了传统设计中对实物样机的依赖,降低了多次修改设计方案的成本,缩短开发周期,使企业更具有市场竞争优势。全断面掘进机简称TBM,是指在常压情况下全断面开挖隧道的掘进机,根据地质条件的不同,采用相应的掘进机,通过计算机精确控制,在地下封闭环境内向前掘进,同时在尾部拼装能够承受巨大压力的相互咬合的管片,一次性完成隧道的掘进。全断面掘进机的机械化程度高,施工速度快,施工安全,质量高,使用范围广,对地面建筑影响小等优点,已经广泛应用于地铁、铁路隧道、引水工程、城市排水系统等大型工程。全断面掘进机作为一种结构复杂的高自动化产品,其设计对于运动性能、动力性能以及机械结构性方面有严格要求。为保证设计质量,缩短设计周期,降低设计成本,要应用数字样机技术对掘进机进行设计。本文以φ5.75m全断面硬岩隧道掘进机为研究对象,建立其三维模型,并在三维模型的基础上对整机进行运动学仿真,分析刀具的破岩机理与刀盘受力,根据分析结果对刀盘滚刀布置进行优化,进而对关键零部件进行有限元分析,就分析的结果评估全断面掘进机的结构性能、运动及动力学性能、为设计提供保证,也为掘进机的设计优化提供依据。本文采用数字样机技术有效地实现了掘进机的建模与仿真,这种方法不仅适用于掘进机的设计开发,还可以推广到其它一些复杂机械系统的研究、设计和开发中去,因此本文的研究方法及结论具有重要的实用价值。