随机突变载荷下的TBM刀具布置与刀盘盘体结构耦合设计方法

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘拓扑结构适应性设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘拓扑结构设计的关键在于复杂岩石边界下刀具适应性布置设计与刀盘盘体结构设计，二者相互耦合，相互影响。为实现刀盘地质适应性设计，本课题采用仿真和实验相结合策略，基于多滚刀与岩石相互作用机理，分析复杂岩石边界下刀盘刀具载荷的随机突变特性和分布规律，研究多滚刀顺次作用下刀间距优化设计方法；综合考虑复杂岩石边界的随机载荷分布特性、滚刀布置和刀盘盘体结构设计多种性能要求，研究星型、螺旋线型等不同刀具布置规则与刀盘盘体结构的耦合关系，建立刀具布置与刀盘盘体结构耦合模型，构建设计关联矩阵，分析耦合因素关联程度，根据关联程度进行耦合因素聚类分析及模型分解，研究双子系统协同进化的刀具适应性布置与刀盘盘体结构耦合设计方法，最终依托合作单位的实际工程（引洮等工程）进行相关理论方法的验证与完善，为我国TBM刀盘设计提供一定的理论方法支撑。

本课题总体目标是：针对刀盘系统设计的关键问题—刀具布置与盘体结构耦合问题，考虑复杂多变的岩石边界条件，建立具有一定地质适应性的TBM刀具布置与刀盘盘体结构耦合设计方法，并在合作单位的实际工程项目中进行检验与完善，为TBM刀盘系统设计提供一定的理论方法和技术支撑。. 围绕上述目标，在2010年10月-2011年12月期间，本课题建立多滚刀与典型岩石破碎的仿真模型；开展了滚刀切割物理实验，验证和完善多滚刀破碎岩石仿真模型；进而建立不同岩石边界在不同滚刀作用下对应的载荷响应特征集；针对甘肃引洮、青海隧道工程的岩石边界条件和全断面刀盘方案，研究了刀盘所受随机载荷的分布规律。. 在2012年1月-2012年12月期间，本课题建立了复杂围岩边界下刀群间距、顺次角度、安装角度与岩石破碎能量之间的映射关系；探明了刀具布置规则的特点和应用范围，考虑刀群布置的复杂技术要求、刀盘盘体结构设计和刀盘制造装配工艺要求，建立了刀具布置与刀盘盘体结构设计的耦合模型。. 在2013年1月-2013年12月期间，本课题在建立的刀具布置与刀盘盘体结构设计的耦合模型的基础上，提出了基于多螺旋线型、米字型和随机型的遗传进化和协同进化解耦设计方法；建立了空间多点弯-扭-轴向冲击激励下TBM刀盘系统动力学模型。以引洮隧道、青海隧道工程为例进行了刀群布置与盘体结构耦合优化设计。开发了全断面岩石掘进机刀盘地质适应性系统，实现刀盘的设计-分析-仿真一体化。. 同时，在深入研究TBM刀盘设计理论的基础上，通过本课题组2012年8月至2013年8月期间前往新疆中天山隧道及秦岭隧道一线调研，发现了新的工程问题“TBM刀盘大面积开裂损伤”，在此基础上进行深入分析，提出了TBM刀盘新的科学问题“空间多点分布强冲击下TBM刀盘边缘过渡区结构损伤机理及抗损定寿设计”，目前已荣幸获批自然科学基金“青年-面上连续资助”项目，正在逐步开展研究。. 研究成果方面，共计发表和录用文章25篇，其中SCI刊源5篇，EI刊源20篇。申请和授权专利7项，其中2项授权专利已成功进行成果转化，技术转让给企业，实现了理论方法与工程应用的结合。注册软件版权2项，获得辽宁省和大连市自然科学学术成果一等奖。. 综上所述，项目按原计划圆满完成预订研究内容，实现了预期的研究目标。