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汽輪機的葉片通過葉根與轉子上葉輪的輪緣聯(lián)接在一起作高速旋轉，對于葉片、葉輪等強度分析，最早是用建立在理論分析基礎上的簡化公式或經(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力情況，尤其是應力集中部位的情況，靠經(jīng)驗用安全系數(shù)進行校準，這種方法已不能適應目前快速、精確的設計需要，但這種傳統(tǒng)的方法用于判斷數(shù)值分析結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的發(fā)展，用有限元等數(shù)值計算方法來分析結構的強度已成現(xiàn)代設計的重要組成部分，目前用有限元技術分析單個零件的強度在工程上已得到較普遍的應用。
在汽輪機設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)調關系，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，靜態(tài)時完全接觸的接觸面，在汽輪機高速旋轉情況下，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，勢必會給力學計算帶來明顯的誤差，甚至會影響零件強度安全性的判斷。受有關汽輪機廠的委托，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，按實際接觸情況進行分析存在一定的技術難點，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)品的實際結構及接觸狀況，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)與葉輪或轉鼓的輪緣聯(lián)接在一起作高速旋轉，要求葉根與輪緣的固定應該是牢靠的，在任何運行條件下保證在轉子中位不變。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構圖，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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