刀盘作为盾构机的关键部件,服役于地下恶劣的工作环境（高温、高压、高硬度围岩）中。刀盘工作条件极其复杂,载荷具有随机性、多样性和不确定性,随之产生的大扭矩、大推力和随机冲击载荷会导致刀盘产生强烈的振动,甚至一些关键部位（如牛腿处、刀盘连接处等）还可能出现断裂现象。所以本文主要围绕直径为8.46m复合刀盘及其关键部位焊缝的力学性能及疲劳性能展开研究。研究的内容主要包括以下几点:1)通过Solidworks软件进行刀盘实体建模并将模型导入Ansys Workbench进行网格划分、边界条件施加、材料参数定义,得到复合刀盘的有限元模型。本研究针对不同工况（均载、偏载、极限）、地质（软土、复合、硬岩）情况下的复合刀盘进行有限元结构静力分析。计算结果表明:工况和地质条件对刀盘的力学性能影响显著;刀盘的应力集中且应力较大的区域发生在刀盘截面急剧变化的牛腿附近。有限元分析结果与复合刀盘在工程实际中失效部位一致。2)针对复合刀盘进行了模态和谐响应动力学分析,研究结果表明:复合刀盘前十阶固有频率介于32.145-63.530 Hz,远离盾构机工作激励频率,刀盘在施工过程中不会发生共振。动静力学结果表明:本研究中的8米级复合刀盘结构设计满足工程需要。3)基于应力法运用n Code Design Life对不同工况条件下的刀盘结构进行疲劳耐久性分析,确定其疲劳寿命范围。在此基础上,为进一步研究复合刀盘具体疲劳薄弱区,建立了复合刀盘关键部位的焊缝模型,利用实体焊缝疲劳分析模块对焊缝处的寿命进行疲劳预测,主要内容包括焊缝位置文件的定义、材料S-N曲线以及载荷谱的获取。结果显示:刀盘疲劳损伤最大处发生在牛腿与面板相接处,与工程中发现的失效区域一致。4)为进一步提高复合刀盘的抗疲劳寿命,从焊接工艺和结构设计两方面提出改进建议。以实体焊缝为研究对象借助单元生死技术以及双椭球热源模型模拟了刀盘牛腿处焊缝的焊接过程,研究了复合刀盘焊缝处的残余应力。另外,结合有限元结果和疲劳仿真模拟通过增加支撑靴的方式对刀盘牛腿局部结构进行改进,发现改进后刀盘的最大等效应力和位移分别下降了14.69%、12.65%,且结构改进后的复合刀盘寿命从3.016E+5提高至3.874E+5次循环。本课题通过对不同工况和地质下的复合刀盘进行有限元结构分析以及疲劳耐久性分析,验证了该复合刀盘结构设计的合理性;确定了复合刀盘的应力集中区域以及疲劳薄弱区为其结构设计、疲劳寿命研究提供了有益的参考。