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汽輪機的葉片通過葉根與轉(zhuǎn)子上葉輪的輪緣聯(lián)接在一起作高速旋轉(zhuǎn)，對于葉片、葉輪等強度分析，最早是用建立在理論分析基礎(chǔ)上的簡化公式或經(jīng)驗公式進行分析計算的，需要對模型進大量的簡化，將葉片簡化為葉根固定的變截面梁，輪緣按作用有離心載荷的三維實體進行強度分析，這些方法由于在模型和載荷等方面進行較大的簡化，其分析結(jié)果所體現(xiàn)的是平均值，不能真實反映模型受載后各點的應(yīng)力情況，尤其是應(yīng)力集中部位的情況，靠經(jīng)驗用安全系數(shù)進行校準，這種方法已不能適應(yīng)目前快速、精確的設(shè)計需要，但這種傳統(tǒng)的方法用于判斷數(shù)值分析結(jié)果的合理性還是有一定的參考價值，隨著有限元分析理論的完善和計算機技術(shù)的發(fā)展，用有限元等數(shù)值計算方法來分析結(jié)構(gòu)的強度已成現(xiàn)代設(shè)計的重要組成部分，目前用有限元技術(shù)分析單個零件的強度在工程上已得到較普遍的應(yīng)用。
在汽輪機設(shè)計中用有限元法分析葉片與輪緣的強度時，常規(guī)的處理方法是將這兩部分分開，在接觸面上施加法向位移約束，也就是把接觸面作為完全接觸處理，獨立進行分析，這樣忽略了接觸面間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，計算中存在一定的不合理性。實際上葉根與輪緣間，在徑向和軸向均存在接觸面接觸面間的受力情況與接觸狀態(tài)密切相關(guān)，靜態(tài)時完全接觸的接觸面，在汽輪機高速旋轉(zhuǎn)情況下，接觸體的變形將改變靜止狀態(tài)下的接觸情況，若按常規(guī)的有限元分析方法，勢必會給力學(xué)計算帶來明顯的誤差，甚至?xí)绊懥慵䦶姸劝踩缘呐袛�。受有關(guān)汽輪機廠的委托，對某一機組的末級扭葉片及輪緣進行強度分析，按常規(guī)的有限元分析時，發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力所在位置與實際情況有差異，為此不得不用更詳細精確的分析模型及分析方法。
近年來，隨著非線性理論的不斷完善和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用非線性有限元法按接觸問題來分析裝配體的強度，已日趨成熟。提出的面面接觸模型是把兩接觸休分為主動體和被動體，在模型接觸面上覆蓋一層接觸單元，在分析時研究主動體上接觸表面的節(jié)點變形與被動體上接觸表面的節(jié)點變形，然后從邊界變形協(xié)調(diào)的變分原理出發(fā)，建立整個接觸系統(tǒng)的控制方程。ANSYS支持剛體-柔體的面-面的接觸單元，剛性面被當作“目標”面，分別用Targel70來模擬2 D和3D的“目標”面，柔性體的表面被當作“接觸”面，用Contal7x，eontal72，eontal73來模擬目標單元和接觸單元跟蹤變形階段的運動，構(gòu)成一個接觸對的目標單元和接觸單元通過共享的實常號聯(lián)系起來。由于接觸問題是一種高度非線性行為，且在求解問題之前，不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的，是突然變化的，這與載荷、材料、邊界條件等因素有關(guān)，按實際接觸情況進行分析存在一定的技術(shù)難點，迄今為止，用二維接觸解決工程實際中的接觸問題已有研究，但用三維接觸研究工程實際中裝配體的強摩尚未見到詳細的報道。現(xiàn)嘗試按產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)及接觸狀況，建立葉片與葉輪的三維接觸模型，在接觸界面上施加接觸單元，用ANSYS軟件對汽輪機中葉片、輪緣等關(guān)鍵部件的強度進行詳盡的分析。
汽輪機中的葉片是通過葉片根部(葉根)與葉輪或轉(zhuǎn)鼓的輪緣聯(lián)接在一起作高速旋轉(zhuǎn)，要求葉根與輪緣的固定應(yīng)該是牢靠的，在任何運行條件下保證在轉(zhuǎn)子中位不變。根據(jù)廠方提供的型線部分各截面的數(shù)據(jù)、外包T型葉根及輪緣的施工圖，建立末級扭葉片與葉輪的裝配結(jié)構(gòu)圖，葉片通過葉根裝配于葉輪的輪緣中，在外包T型葉根與輪緣間在徑向有兩對接觸面(I、II)，軸向也有兩對接觸面(m、vr)，葉片圖與輪緣間通過接觸面來傳遞運動和動力。
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