全断面岩石掘进机以其先进性、安全性以及环境友好性已经成为高速交通、水电工程、市政建设等大型工程中各种长大隧道施工的首选装备。我国正大力开展研发、设计和制造具有自主知识产权的国产装备的相关工作,但隧道开挖过程复杂而且影响因素众多,还存在大量值得深入研究的问题。本文以数字样机技术为基础,结合数值仿真技术针对全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩机理相关问题进行了研究;建立了盘形滚刀受力模型并进行试验验证;对掘进机数字样机的功能仿真、虚拟装配等一些亟待解决的关键技术问题进行深入研究。论文主要包含以下几个方面的研究内容。(1)根据盘形滚刀空间运动规律,建立了滚刀破岩刃运动学方程并推导破岩弧长的理论公式。考虑到掌子面不断更新变化,提出一种新算法,利用空间几何理论及坐标变换矩阵法对盘形滚刀破岩刃的运动学规律进行研究。采用MATLAB编程,计算滚刀破岩刃各点破岩弧长,得到其在掌子面上产生的理论压碎轨迹图形。在此基础上对盘形滚刀破岩刃磨损规律进行分析。(2)根据盘形滚刀作用下岩石内部裂纹形成和扩展的特点,利用历史文献对模拟岩石破裂问题的数值方法进行了比较研究。基于光滑粒子流方法的基础理论及其工程应用范围,探讨其应用于滚刀破岩仿真研究的可行性。(3)针对全断面岩石掘进机刀具选型和刀盘布局的问题,采用光滑粒子流方法和有限元方法复合建模,对全断面岩石掘进机常用的V型和常截面盘形滚刀在同时加载和顺次加载不同工况下的侵入破岩过程进行二维数值仿真研究,得到了不同截面滚刀在不同工况下动态破岩过程中岩石裂纹的产生和扩展过程,并进行了分析。(4)针对盘形滚刀动态破岩力预测问题,对推力和滚动力作用下滚刀动态破岩过程进行试验和仿真研究。仿真过程中岩石采用无网格粒子和有限元网格复合建模,利用光滑粒子流方法对岩石破碎过程中大应变和大变形问题进行求解。对盘形滚刀破岩进行了全尺寸线性切割试验,将仿真结果与试验结果、科罗拉多矿业学院模型进行对比验证。通过一系列顺次破岩仿真试验,研究了贯入度、刀间距、滚刀半径、刀位安装半径等参数对滚刀受力特性的影响。(5)应用数字样机技术,构建了Φ5.75m全断面岩石掘进机数字样机;对掘进机的主要构件进行了不同工况的有限元分析;以三维模型为起点,建立基于OpenFlight数据格式的全断面岩石掘进机几何模型库;利用视景仿真软件Vega构建掘进机施工场景,可以在虚拟现实环境中实现岩石掘进机的工作原理展示。(6)基于虚拟现实技术开发一套具有高级人机交互功能的专用虚拟装配系统,可在非常具有沉浸感的虚拟环境中模拟全断面岩石掘进机的装配和拆卸过程。虚拟装配系统包括硬件架构、数字模型和软件架构三大部分。通过该系统可以对典型的全断面掘进机行虚拟装配操作,改善装配工艺,从而为产品开发设计提供理论依据,节省生产成本,缩短产品的生产周期。该系统也可以对装配人员进行虚拟操作培训,具有非常明显的研究价值与经济效益。