全断面掘进机是国务院确定的振兴民族装备制造业16项重点扶持的重大项目之一,国家在先进制造领域重点扶持全断面掘进机的研究与开发,以制造物理样机和进行工程试用为目标,争取在2015年实现系列化和产业化。国外相关方向研究已有很多成果,但大多出于商业利益考虑而处于保密状态。因此为实现国内全断面掘进机的自主开发,就要求对全断面掘进机的结构与功能进行大量的基础研究。本文以数字样机技术为基础,主要针对全断面掘进机的结构分析、功能仿真与实际施工过程的虚拟实现进行了研究。探讨了刀具工作机理并建立了相关仿真模型与磨损模型,分析了盾尾注浆过程与重要工作部件的动态机械性能,基于虚拟现实技术建立了全断面掘进机虚拟施工系统。论文主要包含以下几个方面的研究内容。(1)分析了全断面掘进机上盘形滚刀的破岩机理与受力模型,针对EPBΦ6.28m全断面掘进机上的盘形滚刀建立了破岩仿真有限元分析模型.分别就滚刀工作时的实际工况条件进行了岩石压痕试验与线性切槽试验的仿真分析,得出该盘形滚刀工作时的压力-贯入度关系与最优刀间距范围。并基于多变量非线性优化算法建立了盘形滚刀布局参数优化程序并进行了优化计算。(2)以沈阳地铁隧道工程中的实际刀具为基础建立了切削刀具-砂土有限元分析模型并验证有限元模型设置的准确性,对切削刀具中的两种主要类型(刮刀和主切削刀)进行了仿真分析,探讨了各种工作参数包括切深、切削前角以及地质条件的变化对切削刀具切割砂土过程的影响。通过对仿真结果分析,总结了不同工作参数下的切削效果、刀具整体应力分布、以及刀尖表面的受力情况;以砂土切削仿真结果与刀具的实测磨损数据为基础建立了切削刀具的磨损预测模型。(3)通过对全断面掘进机的注浆机理与注浆过程中的浆液扩散模式的分析,针对实际工况建立了浆液扩散数学模型并进行了数值计算；针对全断面掘进机注浆系统工作过程进行了流体动力学的仿真分析,为实际施工中合理安排各注浆参数提供了参考依据；应用粒子系统技术进行建模,通过流体动力学仿真得到的浆液流动数据,在虚拟场景中对注浆过程进行了三维立体呈现。(4)应用数字样机技术,以EPBΦ6.28m土压平衡式全断面掘进机为基础构建了全断面掘进机几何模型并在虚拟环境下进行了具有沉浸感的虚拟装配分析；讨论了全断面掘进机主要结构件的负载情况并针对不同的工况进行了有限元结构分析；针对盾尾关键工作部件-管片安装机进行了动力学仿真分析,并对管片抓取机构进行了刚柔混合仿真分析。(5)基于虚拟现实技术开发了具有自主知识产权并具有交互功能的全断面掘进机虚拟施工系统,该系统可在非常具有沉浸感的虚拟环境中模拟全断面掘进机真实的加载运转与施工。可进行实际工程项目的全断面掘进机工作过程施工仿真,并可用于对全断面掘进机操作人员进行虚拟操作培训,具有非常明显的研究价值与经济效益。相关成果包括已获得国家软件著作权登记(全断面掘进机虚拟施工软件系统V1.0,登记号：2010SR026732),并正在国家发明专利申请中(全断面掘进机虚拟施工系统,申请号：201010241035.6)。