在設備維護過程中，運維人員在緊固件的凹槽底部發現了裂痕。這引起了研究設計人員們的重視，因為連接處結構的任何缺陷都有可能造成葉片脫落的嚴重事故。為了能夠及時觀測到新裂縫產生并采取相應的維護和應對措施，工程師們需要一款能夠快速診斷這些缺陷的強大工具。

下面我們將通過Code_Aster對上述情景進行仿真分析。

首先，我們需要導入已有研究對象的數據并建立幾何模型，并對其進行網格劃分與細化。完整模型將利用更加接近實際情況的非線性方式計算，因此需要的網格也會更加復雜。完整模型的網格如下圖所示，包括葉片以及緊固件部分。

幾何和網格的生成在SALOME平臺中完成操作。該平臺可以將我們在網格生成過程中的每一步操作都采用python語言記錄下來，因此，我們可以很便利地在腳本中更改命令和參數，著眼于我們感興趣的現象集中的區域，再運行腳本直接得到期望的網格，使得整個網格劃分的過程參數化、定制化。

緊固件和葉片的接觸面可以在下圖處清晰的看到。在葉片旋轉過程中，由于離心力的作用，葉片作用于固件的力將主要施加于紅色標注的區域上，緊固件這部分的壓力變化將被記錄下來以研究在存在裂縫和不存在裂縫情況下不同之處。

Python-Aster腳本可以用來定義裂縫的幾何特征以及位置（示例中，從頂端至底端一共5個凹口），自動網格細化由HOMARD軟件完成（通過Code_Aster里的MACR_ADAP_MAIL指令調用）。

網格劃分并細化好之后，進入模擬運算階段，輸入設定條件：

• 分析方式：彈性行為分析

• 施加載荷：模擬轉速1500rpm的離心旋轉

• 邊界條件：假設剛體間（葉片與緊固件）不發生相對運動；邊界條件為模擬實際載荷而具有具有循環重復性。

• 緊固件接觸面設定為連續性；使用NEWTON_GENERALISE算法計算摩擦

計算也將分為兩種情況：一是假設葉片與緊固件均完好無損，二是假設緊固件凹槽處有裂紋的存在。后者可利用XFEM(Extended FInite ELement Model)來對裂縫處進行建模。

分析要點一 —— 網格細化程度對于凹口受力分布計算結果的影響

通過計算不同網格單元數對應的葉片吸力面與壓力面的應力占比，可以優化細化網格的離散程度。如圖中示例，在葉片徑向單元分割數設定為120時，吸力面與壓力面應力占比最為平衡，即為最優解。

分析要點二 —— 應力在結構上的分布

止動環與最底部凹口外側面交叉處出現應力集中現象，代表此處就是裂紋容易萌生的位置。

分析要點三 —— 摩擦系數對于凹口受力分布計算結果的影響

隨著摩擦增大，接口的負載分布向著壓力面偏移。

以下是幾類模擬運算時網格數量和所用時長等相關的數據：

1、在無摩擦基礎上假設緊固件無裂縫并使用細化網格

•     條件：模型的節點自由度設為10^6，緊固件接觸面節點數為3000

•     最終計算時間：大約需要1小時計算時間

2、在上述基礎上考慮接觸面摩擦系數C

•     C=0（無摩擦，情況1）時，計算時間為1小時

•     C=0.2時，計算時間為2小時40分鐘

•     C=0.3時，計算時間為5小時

3、在無摩擦基礎上假設緊固件有裂縫（使用XFEM模型）

•     條件：模型的節點自由度設為2.5 x 10^5，分配在裂縫末梢處的緊固件接觸面上節點數為1400

•     最終計算時間：大約15分鐘計算時間

根據這些數據提出三個優化運算時間的方案：

1、優化網格的細化和質量

2、選擇更適合的求解器（MUMPS）

3、使用超算平臺實現大規模并行運算

建立簡化模型的目的是為了能夠更快速準確的診斷出接口處安全隱患（如下圖），對于簡化模型中的凹口進行的模擬運算屬于線性運算。

使用完整模型模擬運算的數據來驗證簡化模型的可行性，得到結論如下：

- 最大主應力（MPa）出現在吸力側的最底部凹口（葉根與止動環接觸的位置），與完整模型的結果相符。

- 同一位置所受應力的模擬數值 → 簡化模型 > 完整模型

- 負載從出現裂紋的凹口轉移向其他凹口

- 環向裂紋對于吸力面和壓力面凹口總負載的影響很小

驗證結果：

相比完整模型而言，簡化模型可以較為快速和預警性地反映出接口實際隱患。

對于葉片接口缺陷危害研究的通用方法如下圖（包含步驟以及對應步驟需要用到的Code_Aster命令）。

1、導入研究對象幾何數據；

2、生成網格并細化；

3、使用X-FEM方法模擬裂紋擴展；

4、對于葉輪正常運行狀態的模擬計算；

5、對于剛體結構斷裂的模擬計算。