考虑形状效应的TBM主承力结构损伤机理及最优力流子结构裂纹扩展寿命预估

Full face rock tunnel boring machine (TBM) main system is composed of a variety of supporting sub structures that are constructed with different large size irregular binding form. Force behavior and stress flow transfer law of TBM main supporting structure is difficult to predict because of extreme rock environment, in which serious fracture engineering problems occurs on the key supporting structure. Focus on the above-mentioned problems, the influence of shape effect on fatigue crack propagation is considered and the fatigue damage mechanism of TBM key weak components with complex structural shape (thick plate, groove, hole and stiffener) is explored; The joint surface nonlinear characteristics of main supporting structure is analyzed, then TBM complex main supporting structure power flow transfer model is proposed by considering the multi body the structure and interface characteristics; Finally, analyzing the coupling evolution process between main supporting structure impact damage and joint surface dynamic characteristics, TBM complex main load-carrying substructure damage resistant life prediction method is established. The proposed method is validated in the Liaoning northwest project and Jilin water diversion project. This project can promote the perfection and application under multi axial impact damage theory and make life more accurate prediction of complex engineering structure.

全断面岩石掘进机(简称TBM)主机系统是由多种承力子结构以不同结合形式构建的大尺寸复杂系统。极端的围岩环境使得TBM承受随机突变冲击载荷，加以多子结构的不规则结合面使得系统中子结构间受力性态及力流传递规律难以预测，导致关键承力部件发生异常断裂的严重问题。而现有损伤理论很难描述TBM复杂主承力结构损伤以及与结合面之间相互耦合演化的过程，本课题考虑形状效应对疲劳裂纹扩展的影响，探究具有复杂结构形状（厚板、槽孔及筋板）的TBM关键薄弱部件疲劳损伤机理；同时考虑冲击载荷下结构间结合面非线性特性，建立综合考虑多结合面特征的TBM复杂主承力结构力流传递模型；进而分析主承力结构结合面动态特性与冲击损伤相互耦合演化过程，形成TBM复杂主承力子结构寿命预估方法。最后基于新疆等工程进行验证。本项目可以推动损伤理论的完善，使对TBM主承力结构损伤寿命预测更精确。

由于TBM主机在服役环境方面的极端性，承力子结构的复杂性，使得TBM主机服役过程中主承力结构传力路径极其复杂，极易造成接触区弹塑性变形以及力流畸变、偏载等非线性力学行为，严重影响TBM主机的掘进性能和寿命，上述问题已经成为 TBM 急需解决的瓶颈难题。本课题围绕着以上科学难题进行了以下研究：.(1) 建立综合考虑多体结构及其结合面特征TBM主承力子结构间力流传递模型，揭示多结合面耦合作用下复杂主承力子结构间力流传递规律及载荷分布规律，建立多结合面耦合响应、系统刚度不对称及旋转不对中等结构特征量对力流多路径传递的映射关系，提出最优力流驱动的主承力子结构多结合面最优刚度分布准则。.(2) 研究TBM主机系统各关键部位厚板对裂纹尖端应力状态的影响；建立综合考虑槽孔结构几何参数（长、宽、孔径）、位置参数及裂纹扩展路径、裂纹扩展速率的预测模型；探究单个及多个加强筋板对裂纹偏转行为和断裂特性，建立筋板结构影响的结构部件断裂韧度评估方法及剩余寿命预测模型。.(3)探索主承力结构多结合面动态特性与损伤相互耦合演化过程，建立最优力流驱动的TBM主承力结构全寿命预测模型，开展主承力结构缩尺模型加速疲劳实验，形成TBM复杂主承力子结构寿命预估方法。最后基于实际工程进行工程验证。.成果应用方面，本项目开发了国内首套TBM刀盘智能化设计系统和TBM刀盘振动损伤无线检测系统；将抗振抗损设计技术成功应用于北方重工等企业研制的掘采类重大装备自主化研制中；与企业联合进行了敞开式、护盾式等不同类型TBM主机创新设计，并成功应用于辽西北工程、悉尼铁路工程等19个国内外重大隧道工程中。.综上，本项目获得辽宁省科技进步一等奖，河南省科技进步一等奖，中国机械工业科学技术一等奖。共计发表和录用期刊文章24篇，其中SCI 20篇，其中1作12篇，通讯8篇；发表专著1部；申请专利30项；制定企业标准2项。.项目实施期间，培养博士研究生3人，硕士研究生6人。