全断面掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是集机械、电气、液压和自控于一体的专门用于地下隧道工程挖掘的大型施工设备,具有开挖快、优质、安全、经济并有利于环境保护和降低劳动强度等优点。国外相关方向的研究已取得较多研究成果,但大多由于商业因素处于保密状态。因此,采用数字样机技术,在虚拟环境中真实模拟TBM的各种工作情况,快速分析多种设计方案,按照优化建议或用户需求修改参数,得到改进的数字样机,反复这个过程直至获得系统优化级的TBM设计方案。这对逐步形成具有自主知识产权的TBM相关设备、替代国外产品、提高我国在全断面掘进机设备方面的设计制造水平、降低施工成本等方面都具有重要意义。本文以开发出具有自主知识产权的TBM关键部件集成开发系统为目标,在“十一五”国家重大科技支撑计划项目——全断面掘进机(大型全断面掘进机研制)项目(2007BAF09B01)子课题“全断面掘进机数字样机关键技术研究”与中央高校基本科研业务费资助项目(N090603006)“全断面掘进机虚拟样机关键技术的研究”资助下,基于数字样机技术对TBM整机以及关键零部件进行了系统的仿真与测试分析,主要进行了以下几方面的研究。(1)采用分布式虚拟现实技术,结合VRML语言的交互性和Java/JavaScript语言的网络优越性,开发了一种可运行于Web的TBM虚拟仿真系统。该系统画面逼真、功能强大,不依赖于昂贵的大型虚拟现实设备,同时可在网络上的传输,具有较好的交互性、真实性和经济性等。基于SGIOnyx4可视化系统以及Christie投影系统构建了沉浸式TBM虚拟仿真系统,完成了TBM的功能仿真与虚拟装配测试,整个系统具有较强的沉浸感,有利于企业进行TBM产品展示,为TBM的设计与改进提供了理论依据,节省了生产成本,缩短了设计周期。(2)采用数字样机技术,通过对管片拼装机的仿真分析,获得了管片拼装机的运动学和动力学特性,为机构设计及动力系统的选型设计提供了依据。对管片拼装机整机及其关键部件如微调机构、齿轮接触等进行了性能评价与仿真分析,得出了不同工况下的危险部位与应力变形分布情况,并计算了典型工况下若干位形处的刚度,结果表明,所设计的机构具有较好的刚度特性,为管片拼装机的结构优化设计提供了理论依据。(3)采用数字样机技术,以TBM的关键部件刀盘及刀具为研究对象,进行了性能评价与仿真分析。获得了刀盘的运动学和动力学特性,结果表明所设计的刀盘运动机理可行,结构设计合理且满足地下施工条件。采用有限元方法对刀盘及刀具进行了性能评价、模态分析以及可靠性分析,验证了所设计的刀盘和刀具在不同的工况下的性能需求。(4)采用三维数值模拟方法,通过建立岩石的损伤本构模型对岩石破碎过程进行了仿真分析,再现动态破岩过程,弥补了二维仿真的不足。获得了滚刀在不同的速度以及不同地质条件下的切削参数,验证了滚刀的受力模型和仿真模型的有效性。研究了最优刀间距的确定方法,并采用LCM实验测试对仿真结果进行了验证,证明了数值方法的有效性。在此基础上建立了带性能约束的多目标滚刀布置模型,应用优化算法对滚刀分布模型进行了优化。(5)分析了滚刀的磨损机理,滚刀常见的磨损形式以及滚刀磨损的原因与影响因素。基于岩石断裂力学理论和CSM预测模型提出了一种新的TBM刀盘比能预测模型,并在此基础上对复合地层的比能预测进行了研究。确立了比能与滚刀间距以及贯入量之间的定量关系,建立了滚刀磨损的预测解析模型。结合秦岭隧道工程实例,对TBM滚刀磨损水平进行了量化研究,预测结果与实际情况相符,验证了模型的有效性。