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全断面岩石掘进机(TBM)是隧道挖掘领域中具有代表性的大型机械设备。刀盘是TBM的核心部件,其使用寿命直接决定了 TBM刀盘的服役时间,掘进过程中由于掘进环境的恶劣导致刀盘盘体、刀座、滚刀等部件在未达到预定寿命前出现不同程度的损伤,导致了巨大的经济损失。经过统计分析裂纹是导致TBM刀盘损伤的主要原因,造成刀盘疲劳失效的根本原因是缺乏对TBM刀盘疲劳性能的研究,没有针对疲劳性能提出具体的设计方案及评价方法。因此,研究TBM刀盘的疲劳失效机理、空间多点载荷下TBM刀盘抗损伤设计方案及相应的评价标准,对延长TBM刀盘使用寿命,减少经济损失有着较大的理论价值及工程意义。为了有效解决以上问题,本文对刀盘的疲劳失效机理、抗疲劳损设计方案及疲劳性能评价展开深入研究和探讨,主要研究内容如下:(1)TBM刀盘全周期裂纹扩展速率模型:针对TBM刀盘服役过程中盘体开裂严重的问题,本文根据刀盘失效样件研究TBM刀盘主要失效形式,结合影响裂纹扩展的主要因素及刀盘结构的特点,建立适合于TBM刀盘全周期裂纹扩展速率模型,并开展疲劳拉伸实验确定模型中相关参数,对比实验结果验证本文提出裂纹扩展速率模型正确性,为TBM刀盘疲劳寿命计算提供理论模型。(2)随机载荷下三维裂纹扩展数值模拟计算:针对刀盘结构复杂,载荷随机性大,导致裂纹扩展过程中相关参数难以计算的问题。本文以线弹性断裂力学为理论基础,运用有限元软件Zencrack为平台配置裂纹尖端网格,结合位移插值法及最大能量释放法计算随机载荷下三维裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展路径变化情况,并开展多裂纹与单裂纹疲劳拉伸实验验证三维裂纹扩展仿真在计算裂纹扩展情况的准确性。以此为依据计算多种裂纹扩展失效形式总结其失效规律,为TBM刀盘疲劳寿命计算提供依据。(3)TBM刀盘抗疲劳损伤设计:依据TBM刀盘自身结构的特点,以三维裂纹扩展数值模拟的方法分析筋板结构对裂纹扩展速率的影响规律,并提出TBM刀盘初始裂纹位置预估的方法,模拟刀盘在实际工况下初始的裂纹扩展路径.结合筋板结构对裂纹扩展速率的影响规律及刀盘结构制定TBM刀盘抗损伤设计方案,以达到减缓刀盘疲劳失效的目的。(4)TBM刀盘疲劳性能评价:为了检验刀盘局部结构改进对刀盘整体疲劳性能的影响,本文提出TBM刀盘疲劳性能评价方法,根据TBM刀盘结构及不同区域的应力响应对TBM刀盘进行危险区域划分,以各个危险区域作为TBM刀盘疲劳性能的二级指标建立刀盘评价体系,基于累积损伤理论以临界裂纹长度为基准建立TBM刀盘疲劳性能评价指标计算模型,并考虑模型中参数的不确定性,以Monter-Claro的方法计算各个区域的评价值结果,应用线性叠加法结合指标间权重大小计算TBM刀盘整体疲劳性能评价结果。(5)吉林引水工程TBM刀盘抗损设计与刀盘疲劳性能评价分析:为了进一步验证本文提出模型及方法的实用性及有效性,以吉林引水工程刀盘为例,预估刀盘初始裂纹位置,结合TBM刀盘结构及裂纹扩展路径预估,提出刀盘抗损伤结构改进方案,并分析影响TBM刀盘裂纹扩展参数的不确定性,计算改进前及改进后的刀盘疲劳性能评价结果,通过结果对比验证本文提出方法的实用性。