在国民经济和科学技术高速发展的今天,地下交通系统给人民的生活带来了极大的方便。盾构机作为建设地下交通系统必不可少的工程机械,也得到了快速发展。作为盾构机关键零部件之一的花键保险轴,在传递动力的同时,还能起到过载保护的作用。在实际工程中,保险轴常常在没有起到过载保护时就会断裂,严重阻碍了施工进程,降低了盾构施工效率。保险轴提前断裂的原因有多种,结构设计不合理是其中之一,本文就从结构上对保险轴进行分析和研究。首先从保险轴功能、结构、动力传递和相关零部件上分析其受力形式,得到其受力形式为纯扭转,并在圆轴纯扭转和应力集中理论的基础上讨论其工作原理；然后为了获得合理的保险轴弧形扭剪槽结构,引入和介绍了结构优化设计相关理论和知识,并用优化设计的方法来建立优化数学模型；介绍了ANSYS结构优化设计相关理论,并将ANSYS作为保险轴结构优化的工具,建立参数化的有限元优化模型,最终完成弧形扭剪槽结构优化设计；最后同样利用优化设计的方法,对可能存在的U型和V型扭剪槽结构进行优化分析,以得到这两种结构的合理性和可行性。优化结果表明,现有保险轴弧形结构尺寸在安全载荷作用下,切向应力大于材料抗扭强度,说明结构设计不合理是造成保险轴断裂的原因；结构尺寸优化之后,最大切应力接近材料抗扭强度,符合功能要求,同时最大切应力受到弧形扭剪槽位置和大小的影响；U型扭剪槽结构是不可取的,而V型结构是可以用于保险轴扭剪槽结构的,并且可以通过优化的方法获得具体尺寸。本文研究的内容为盾构机保险轴的设计提供了一些理论方法,对解决实际问题和改进现有结构具有重要的指导意义,可以有效的降低保险轴提前断裂的可能性。