隧道掘进机是关键的重大技术装备，其中刀盘拓扑结构设计理论与结构性能评价方法是其关键技术之一。掘进机械施工中经常出现机器参数、施工参数和岩土特性参数不匹配，导致刀具、刀盘破损失效严重，整机故障率高、能耗大，掘进性能低下等问题。本项目以力学建模、数值仿真、实验研究为技术手段，在对决定掘进性能的多领域参数间的复杂耦合关联深入认识和掌握的基础上，提出了全面的刀盘拓扑结构性能预测评价方法，利用工程实例验证了上述设计理论与方法的正确性和有效性。 项目研究分析了国内外隧道掘进机刀盘设计研究现状，调研、收集和分析了隧道地质参数、掘进机结构参数及现场操作参数等数据。依据对掘进性能影响作用的大小，提取了主要的刀盘结构参数和地质参数，并进行了描述；基于实际工况及掘进数据，建立了描述多参数耦合作用关系之间的模型。研究了刀盘拓扑结构参数、地质特征参数和掘进操作参数之间的映射关系；开展了硬岩掘进机可掘进性预测分析方法研究，构建了掘进机性能的评价指标，建立了掘进机刀盘拓扑结构性能评价方法。建立了基于拓扑结构评价指标体系的掘进机操作参数的设置和控制方法；开展了刀盘拓扑结构方案设计研究，提出了具有地质适应性刀盘拓扑结构设计方法。 本项目研究将为掘进机械中刀盘拓扑结构设计及结构性能评价提供基础理论依据和方法指导。 2100433B

隧道掘进机是我国当前急需重点研究的重大技术装备。由于缺乏刀盘拓扑结构设计理论及结构性能评价方法的指导，施工中经常出现机器参数、施工参数和岩土特性参数不匹配，并导致刀具、刀盘破损失效严重，整机故障率高、能耗大，掘进性能低下等问题。本项目拟应用粗糙集理论研究刀盘的拓扑结构特征及地质特征参数的提取和数学描述方法，识别决定掘进性能的多领域参数间的复杂耦合关联，建立描述掘进机性能的影响因素的数学模型。进而以掘进机掘进能耗、效率、稳定性等为指标，揭示不同地质特征下，不同拓扑结构的刀盘对掘进机性能的影响机理。应用非线性回归理论，建立刀盘拓扑结构性能耦合评价指标体系。在此基础之上，建立刀盘拓扑结构性能评价指标耦合计算方法及掘进机操作参数的设置与控制方法，形成全面的刀盘拓扑结构性能预测评价方法。最终通过室内试验和实际工程对研究成果进行验证与完善，建立一套刀盘结构性能评价理论，为刀盘设计和施工优化提供方法支撑

《全断面隧道掘进机刀盘系统现代设计理论及方法》主要介绍面向全断面隧道掘进机（TBM）刀盘系统的若干关键问题及其设计理论、方法与技术体系。全书共分9章.包括绪论、滚刀群破岩机理及滚刀群多阶段受力预测模型、强冲击载荷下TBM滚刀动态特性及新结构研究、TBM刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计、滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计、性能驱动的刀盘盘体结构设计、面向可靠性和振动特性的TBM主轴承结构设计、TBM刀盘系统振动特性分析与掘进现场测试研究，以及TBM刀盘设计系统开发。《全断面隧道掘进机刀盘系统现代设计理论及方法》贴合机械工程实际，内容丰富、系统。在隧道掘进工程领域。

穿山越海，吞岩吃土，铁齿钢牙，盾构称雄。全副武装，高度智能，核心刀盘，首肖其冲。《全断面隧道掘进机刀盘系统现代设计理论及方法》以先进的机械设计理念全面地介绍了隧道掘进机刀盘系统的若干关键问题及其设计理论、方法与技术体系。可作为隧道掘进工程领域的科研人员、工程技术人员的参考书，亦可作为高等学校相关专业高年级本科生、研究生、教师的教学用书。

第1章 绪论

1．1 全断面隧道掘进机（TBM）结构组成及工作原理

1．1．1 TBM发展历史

1．1．2 TBM结构组成及工作原理

1．1．3 TBM刀盘系统组成及关键技术

1．2 滚刀破岩机理及受力预测模型研究现状

1．2．1 滚刀与岩石相互作用机理

1．2．2 滚刀受力预测模型

1．2．3 滚刀受力现场实测

1．3 滚刀结构设计研究现状

1．3．1 滚刀磨损与制造工艺研究

1．3．2 滚刀结构设计研究

1．4 滚刀群布置设计研究现状

1．4．1 滚刀群刀间距布置设计

1．4．2 滚刀群平面布置设计

1．5 刀盘盘体结构设计研究现状

1．6 小结

参考文献

第2章 滚刀群破岩机理及滚刀群多阶段受力预测模型

2．1 岩石力学性质

2．2 岩石损伤现象及破坏机理

2．3 滚刀破岩机理

2．3．1 密实核破岩机理

2．3．2 基于密实核理论的滚刀群多阶段空间复合破碎岩石机理

2．3．3 基于密实核理论的滚刀群多阶段空间复合受力预测模型

2．3．4 总体模型的表达

2．4 小结

参考文献

第3章 强冲击载荷下TBM滚刀动态特性及新结构研究

3．1 滚刀的结构和承载形式分析

3．1．1 滚刀的结构形式和类型

3．1．2 滚刀的运动特性和力学特性

3．2 滚刀系统耦合动力学模型研究

3．2．1 滚刀弯一轴一摆耦合动力学模型

3．2．2 振动模型动力学参数的确定

3．2．3 动力学模型的求解

3．3 滚刀系统动态特性研究

3．3．1 滚刀系统固有特性分析

3．3．2 内外激励下系统的动态响应分析

3．3．3 侧向载荷系数对滚刀动态响应的影响

3．4 滚刀轴承寿命预测及修形设计

3．4．1 滚刀轴承动态载荷分析

3．4．2 滚刀轴承疲劳寿命

3．4．3 滚刀轴承修形设计

3．5 新型滚刀结构设计及性能评价

3．5．1 新型滚刀整体方案设计

3．5．2 新型滚刀关键结构件设计

3．5．3 新型滚刀装配工艺设计

3．5．4 新型滚刀性能评价

3．6 小结

参考文献

第4章 TBM刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计

4．1 不同切削模式下盘形滚刀切割岩石的三维模型

4．1．1 中心滚刀三维切削模型的构建

4．1．2 正滚刀三维切削模型的构建

4．1．3 边滚刀三维切削模型的构建

4．2 不同模式下刀间距优化设计

4．2．1 刀间距优化模型

4．2．2 数据统计

4．2．3 结果分析

4．3 安装角度优化设计

4．3．1 安装角度优化模型

4．3．2 数据统计

4．3．3 结果分析

4．4 不同模式下顺次角度优化设计

4．4．1 顺次角度优化模型

4．4．2 数据统计

4．4．3 结果分析

4．5 小结

参考文献

第5章 滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计

5．1 滚刀平面布置的形式

5．2 滚刀平面布置的技术要求

5．3 不同滚刀群布置规则模型

5．3．1 多螺旋线布置模式

5．3．2 动态星形布置模式

5．3．3 随机型布置模式

5．3．4 基于工程实例的不同布置规则对比分析

5．4 滚刀群布置与刀盘盘体结构耦合问题协同求解

5．4．1 刀具布置与刀盘盘体结构耦合关系分析

5．4．2 刀具布置与刀盘盘体结构耦合设计优化模型

5．4．3 刀具布置与刀盘盘体耦合问题的协同求解方法

5．4．4 工程实例验证分析

5．5 小结

参考文献

第6章 性能驱动的刀盘盘体结构设计

6．1 刀盘结构设计中的关键问题

6．2 基于出碴性能的刀盘出碴槽结构设计

6．2．1 离散元方法基本原理

6．2．2 岩碴离散元微观参数的选取

6．2．3 刀盘排碴系统离散元仿真模型

6．2．4 基于出碴性能的刀盘出碴槽设计方法

6．2．5 工程实例分析与出碴槽改进设计

6．3 刀盘支撑筋结构改进设计

6．3．1 支撑筋设计要求及改进思路

6．3．2 岩碴生成量及运动规律分析

6．3．3 选取L形支撑筋设计参数

6．3．4 新型支撑筋改进方案实例验证

6．4 刀盘盘体结构拓扑与参数优化设计

6．4．1 刀盘支撑筋结构拓扑优化设计

6．4．2 刀盘盘体结构主参数优化设计

6．5 基于可靠性的刀盘盘体结构轻量化设计

6．5．1 结构可靠度理论及刀盘的强度和刚度可靠度计算方法

6．5．2 基于支持向量机的TBM刀盘可靠度计算

6．5．3 基于可靠性的刀盘结构的优化设计方法

6．5．4 工程实例验证

6．6 小结

参考文献

第7章 面向可靠性和振动特性的TBM主轴承结构设计

7．1 主轴承载荷预测与应力谱编制

7．1．1 主轴承结构及承载形式分析

7．1．2 主轴承载荷谱计算模型

7．1．3 复合岩层下掘进机刀盘载荷历程模拟

7．1．4 主轴承静载荷分布分析

7．1．5 主轴承应力谱预测

7．2 主轴承系统疲劳可靠性分析模型

7．2．1 结构疲劳可靠性基础

7．2．2 结构强度非线性退化模型

7．2．3 主轴承疲劳可靠性模型

7．2．4 主轴承系统疲劳可靠性分析

7．3 主轴承系统振动特性分析

7．3．1 主轴承振动成因及危害分析

7．3．2 主轴承振动形式分析

7．3．3 主轴承动力学分析

7．4 主轴承结构参数优化设计模型

7．4．1 目标函数的建立

7．4．2 边界约束的确定

7．5 工程实例分析

7．5．1 刀盘掘进载荷仿真

7．5．2 主轴承应力谱编制

7．5．3 系统的疲劳可靠度预测

7．5．4 主轴承振动分析

7．5．5 主轴承结构参数优化设计

7．6 小结

参考文献

第8章 TBM刀盘系统振动特性分析与掘进现场测试研究

8．1 TBM刀盘系统非线性时变动力学模型

8．1．1 刀盘系统等效力学模型的建立

8．1．2 等效力学模型中主要参数的确定

8．1．3 刀盘系统分析模型的建立

8．2 TBM刀盘系统动力学方程求解及稳定性分析

8．2．1 求解方法原理及求解过程简介

8．2．2 刀盘系统固有特性研究

8．2．3 刀盘系统振动特性分析

8．2．4 稳定性分析

8．3 不同因素影响下的刀盘动力学行为

8．3．1 刀盘结构对刀盘动力学响应的影响

8．3．2 其他参数对刀盘动力学响应的影响

8．4 TBM刀盘掘进现场振动测试研究

8．4．1 刀盘掘进环境调研及传感器选型

8．4．2 刀盘现场检测系统构建

8．4．3 测试结果与理论模型相互验证

8．5 小结

参考文献

第9章 TBM刀盘设计系统开发

9．1 系统架构

9．2 系统功能模块划分

9．3 系统功能模块交互界面设计

9．3．1 项目信息

9．3．2 岩石参数

9．3．3 刀盘选型

9．3．4 刀具选型

9．3．5 刀间距优化

9．3．6 刀间距设计

9．3．7 施工预测

9．3．8 平面布置

9．3．9 结构分析

9．3．10推力扭矩

9．4 工程实例验证

9．4．1 项目信息

9．4．2 岩石参数

9．4．3 刀盘选型

9．4．4 刀具选型

9．4．5 刀间距优化

9．4．6 刀间距设计

9．4．7 施工预测

9．4．8 平面布置

9．4．9 结构分析

9．5 小结

参考文献

致谢