TBM滚刀安装在刀盘前方切削岩土,滚刀的工作寿命直接影响TBM的掘进效率。研究TBM刀盘不同位置滚刀的动态载荷及在动态载荷作用下的动应力和动应变,对优化设计滚刀和刀具的布局,提高滚刀掘进性能和使用寿命,降低建设成本具有重要意义。本文以某盾构刀具公司提供的正面双刃滚刀切削为研究对象,基于多体动力学仿真平台RecurDyn,模拟滚刀的实际切削状态,建立不同位置滚刀破岩仿真模型,分析刀圈内部动态响应及其对破岩效率的影响,分析了滚刀磨损和失效机理。具体研究工作如下:利用三维建模软件Creo建立滚刀模型,包括中心轴、密封装置、轴承、端盖、刀圈等零部件。利用离散元仿真获取滚刀三向力动态载荷;将滚刀刀圈设置成为柔性体,加载外部三向力动载荷,分析同一周期内和不同周期内滚刀内部动态应力,仿真结果与实际滚刀受力工况相契合,说明加载动载荷的可靠性,为后续破岩机理和破岩效率的影响因素分析奠定基础。提出TBM不同位置滚刀3D切削岩体模型装配方法。在Recurdyn软件中建立了基于柔性体的岩土模型,进行了岩土材料参数设置和网格划分;创建滚刀切削模型,包括刚体建模、FDR单元建模、约束建模、接触建模和运动参数设置。进行了中心滚刀、正面滚刀和边缘滚刀的切削岩体仿真实验,每把滚刀均在自转、公转和推进三个运动状态下工作,探讨了刀圈内部各节点处的动应力随时间变化的趋势、分析了动应力变化的影响因素。中心滚刀刀圈上越接近岩体的点受到的应力值就越大,且在同一时间范围内,观测节点的应力值变化范围大;通过分析正面滚刀前三个周期应力的增长趋势,可以推算第四周期的应力峰值大约在2000MPa左右,且其切深应该控制在25mm～50mm的合理范围。边缘滚刀整体受到较大偏载导致其内部结构受力分布不均衡,其朝向岩体下方的一侧有可能会磨损的比较快从而容易发生侧向偏磨现象,进而滚刀的寿命有显著影响。并通过四组现场实验数据对仿真结果的合理性进行验证。运用控制变量法,进行推进速度和刀盘转速两个单因素对边缘滚刀内部动态响应产生影响的分析。若同样的掘进的距离,当使用越小的掘进速度时,滚刀所受应力值越小,这证明减少了滚刀刀刃与岩体之间的相对运动的受力,延长滚刀使用寿命,因此推进速度不宜过大。当刀盘转速较小时,三向力均随着转速的增加而减小,且减少幅度都比较大,且滚刀的轴向力相比法向力和切向力减少相对较多,故刀盘转速对轴向力的影响更大;当刀盘转速由4 r/min上升到5 r/min,三向力大小的变化与转速成正比,但两种转速下的三向力涨幅变化不明显。为防止滚刀与岩体之间过度摩擦接触,降低工作能耗和减少岩渣对滚刀产生不必要的磨损,在掘进过程中应选择适中的掘进速度和刀盘转速。