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全断面岩石掘进机(简称TBM)是装备制造业的标志性产品。TBM结构复杂、技术含量高、市场需求大、进口依赖性强,因此加速发展TBM自主研发势在必行。刀盘作为TBM的核心部件处于掘进机最前沿并与复杂岩石地质界面直接作用,在掘进过程中承受大扭矩、大推力和冲击载荷,工作条件十分恶劣,因而合理、可靠的刀盘设计是TBM设计的关键。TBM刀盘拓扑结构适应性设计直接关系掘进效率和可靠性,而刀盘拓扑结构设计的关键在于复杂岩石边界下刀群适应性布置设计与刀盘盘体结构之间的耦合设计。针对上述设计内容,本文综合运用离散元法、参数化设计、协同进化等手段,研究基于碴土流动性的刀盘出碴槽设计方法;在此基础上,研究刀群星型布置规则与刀盘盘体结构的耦合关系,研究双子系统协同进化的刀群适应性布置与刀盘盘体支撑结构耦合设计方法；最终依托合作单位的实际工程进行相关理论方法的验证与完善,为TBM刀盘自主研发提供一定的理论方法支撑。本文具体研究工作如下：(1)针对TBM刀盘出碴槽设计领域的空白,本文采用离散元方法(DEM)建立了刀盘出碴离散元仿真模型,并以此探究出碴槽设计参数对TBM出碴效率及稳定性的影响规律,提出了基于碴土流动性的出碴槽设计规则：①出碴槽开口宽度优先保证；②尽可能长、短出碴槽结合布置；③相邻出碴槽开口差异尽可能小；④尽可能采用对称式布置。通过对比工程实例中原始与改进出碴结构设计方案可知：采用改进方案的刀盘出碴效率能够提高15.08%,出碴稳定性提高11.97%。(2)本文同时考虑刀盘支撑筋的辅助出碴和支撑功能,设计了一种L形TBM刀盘支撑筋结构,并建立了基于出碴性能的刀盘新型支撑结构参数设计理论模型。通过工程实例分析可知：改进后的刀盘总变形减小4.15%,应力减小37.33%；轴向、横向、合成振动分别减小12.76%、9.47%和12.76%。(3)考虑到刀群布置与刀盘盘体支撑结构间的耦合因素,本文提出了以刀盘侧向力合力、牵连惯性力合力、不平衡合力矩、刀盘应力和应变最小化为优化目标,刀具安装角与支撑筋初始位置角为设计变量的刀群与盘体支撑结构耦合布置优化设计模型。根据该优化模型中设计目标相互制约、协调的特点,选取协同进化算法(CCGA)作为框架,并以星型刀群布置为例提出了相应求解方法。通过工程实例分析可知,优化方案中刀盘受载情况明显改善(侧向力减小96.4%),刀盘应力与变形分别减小51.8%与35.4%,说明借助该方法解决刀群与盘体支撑结构耦合设计这一复杂工程问题可行有效。