截齿在截割头表面呈螺旋线分布,截齿的分布方式和截齿的安装姿态直接影响了截割效果,因此截齿在截割头上的分布方式是掘进机设计的关键问题之一。本研究首次基于植物叶序理论对截齿分布进行仿生设计,为截齿的分布方式提供了新的设计思路。本文以纵轴式掘进机为研究对象,在现有截割头结构设计的研究基础上,基于植物的叶序理论对截齿分布进行仿生设计,利用三维离散元软件数值模拟截割头破岩过程,通过对截割头的受力情况进行分析,验证截齿分布仿生设计的可行性。首先,系统的研究了掘进机的截割机理,分析运动参数对截割过程的影响;建立了截割过程中单个截齿和截割头整体的力学模型,根据经验公式,进一步分析截齿和截割头的受力情况,并提出通过均匀分布截齿来改善截割头的受力情况。其次,通过深入研究了截割头外形结构的设计原则,针对确定截齿安装姿态的截割功能角进行了相关研究,为截割头三维模型的建立做好铺垫。然后,通过观察发现植物叶片的生长轨迹与截齿的分布规律相似,进一步研究植物叶序理论发现:植物叶片在数量上遵循一定的生长规律,在角度上均匀分布。在均匀布齿的设计思路和现有截齿分布设计参数的基础上,利用Pro/E建立了截齿分布仿生设计的截割头三维模型。最后,基于离散元法,利用三维离散元软件EDEM,数值模拟截割头的破岩过程,以截割载荷为量化指标,分析截齿分布方式对截割头受力情况的影响。研究表明:综合对比两种截齿分布方式的截割头在不同截割过程中的受力情况得出,基于叶序理论对截齿分布进行仿生设计后,截割头在破岩时的受力情况得到了改善,初步验证了截齿分布仿生设计方案合理可行。