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汽輪機(jī)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(duì)于葉片、葉輪等強(qiáng)度分析，最早是用建立在理論分析基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)算的，需要對(duì)模型進(jìn)大量的簡(jiǎn)化，將葉片簡(jiǎn)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(shí)體進(jìn)行強(qiáng)度分析，這些方法由于在模型和載荷等方面進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化，其分析結(jié)果所體現(xiàn)的是平均值，不能真實(shí)反映模型受載后各點(diǎn)的應(yīng)力情況，尤其是應(yīng)力集中部位的情況，靠經(jīng)驗(yàn)用安全系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，這種方法已不能適應(yīng)目前快速、精確的設(shè)計(jì)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(jià)值，隨著有限元分析理論的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用有限元等數(shù)值計(jì)算方法來分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已成現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要組成部分，目前用有限元技術(shù)分析單個(gè)零件的強(qiáng)度在工程上已得到較普遍的應(yīng)用。
在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中用有限元法分析葉片與輪緣的強(qiáng)度時(shí)，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(dú)立進(jìn)行分析，這樣忽略了接觸面間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，計(jì)算中存在一定的不合理性。實(shí)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(shí)完全接觸的接觸面，在汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)情況下，接觸體的變形將改變靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸情況，若按常規(guī)的有限元分析方法，勢(shì)必會(huì)給力學(xué)計(jì)算帶來明顯的誤差，甚至?xí)绊懥慵䦶?qiáng)度安全性的判斷。受有關(guān)汽輪機(jī)廠的委托，對(duì)某一機(jī)組的末級(jí)扭葉片及輪緣進(jìn)行強(qiáng)度分析，按常規(guī)的有限元分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力所在位置與實(shí)際情況有差異，為此不得不用更詳細(xì)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(jì)算機(jī)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(qiáng)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(dòng)體和被動(dòng)體，在模型接觸面上覆蓋一層接觸單元，在分析時(shí)研究主動(dòng)體上接觸表面的節(jié)點(diǎn)變形與被動(dòng)體上接觸表面的節(jié)點(diǎn)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(gè)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(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用Targel70來模擬2 D和3D的“目標(biāo)”面，柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面，用Contal7x，eontal72，eontal73來模擬目標(biāo)單元和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)接觸對(duì)的目標(biāo)單元和接觸單元通過共享的實(shí)常號(hào)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(shí)際接觸情況進(jìn)行分析存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，迄今為止，用二維接觸解決工程實(shí)際中的接觸問題已有研究，但用三維接觸研究工程實(shí)際中裝配體的強(qiáng)摩尚未見到詳細(xì)的報(bào)道。現(xiàn)嘗試按產(chǎn)品的實(shí)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(duì)汽輪機(jī)中葉片、輪緣等關(guān)鍵部件的強(qiáng)度進(jìn)行詳盡的分析。
汽輪機(jī)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(yùn)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(jí)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(duì)接觸面(I、II)，軸向也有兩對(duì)接觸面(m、vr)，葉片圖與輪緣間通過接觸面來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
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