[en] Turbine blades normally use mechanical joints to attach themselves to turbine disks. In this kind of joints, contact problems are very common. They are called contact problems because they occur where two localized surfaces are in contact. In these cases, peculiar behaviours with respect to the global behaviour of the structure due to high stresses and friction-related effects occur. In some cases, the specific contact behaviour can affect the global behaviour of the structure and it cannot be neglected: from the static point view possible stress intensifications can lead to failure, while from the dynamic point of view the joint may act as a constraint. Therefore, the contact might affect natural frequencies of the structure and associated normal modes. Thus, it is necessary to characterize the contact behaviour in terms of stiffness and damping associated to friction forces. To do so, usually three parameters are used: the normal contact stiffness, the tangential contact stiffness, and the friction coefficient between the surfaces. In this project, a method to estimate the contact stiffness between two flat punches with rounded edges is investigated. To do so, numerical simulations will be performed using Ansys, using the finite element analysis (FEA) and the solution of non-linear equations since contact elements are used. As a consequence, a numerical equation solver and a solution method will be defined. To perform a numerical simulation, the finite element is defined in Ansys using a parametric construction of the model. The model will be meshed to obtain more precise results in specific areas close to the contact, but the mesh might affect the results of the contact simulation when a preload is applied. Therefore, before obtaining contact stiffness results, a mesh validation study will be developed comparing the numerical and analytical results for normal pressure distribution of a specific geometry to select the adequate mesh that will provide robust numerical results similar to the ones obtained with the analytical formulation. Then, the stiffness of the joint characterized by a flat punch will be obtained, first applying only a normal displacement to the top surface of the flat punch to calculate an equivalent normal contact stiffness and then applying a normal and a tangential displacement in the same location to calculate an equivalent tangential contact stiffness. Attention to the results is paid if the numerical results depend on the mesh (mesh-dependency). Therefore, a way to define a contact stiffness that is mesh-independent will be provided in order to find the pattern that the local stiffness of the joint (affected by the material property and the geometry of the punch) follows along the body. In detail, it will result smaller near the contact surface because of the specific geometry of the flat punch geometry: for a given force, the relative displacements and therefore the elastic strain will be larger close to the contact surface.

[es] Las palas de turbina usan normalmente articulaciones mecánicas para adjuntar la pala en el disco de la turbina. En este tipo de articulaciones, los problemas de contacto son muy comunes. Se les llama problemas de contacto porque ocurren donde dos superficies localizadas están en contacto y se distingue un comportamiento peculiar en comparación al comportamiento global de la estructura debido a presiones elevadas o efectos relacionados con la fricción. En algunos casos, el comportamiento específico de la zona de contacto puede afectar al comportamiento global de la estructura y no puede ser negligido: desde el punto de vista estático, pueden aparecer posibles intensificaciones de tensiones que pueden provocar fallos, y desde el punto de vista dinámico, la articulación puede actuar como una restricción y en consecuencia el contacto puede afectar a las frecuencias naturales y a sus modos normales asociados. Por tanto, es necesario caracterizar el comportamiento de contacto en términos de rigidez y de amortiguamiento asociado a las fuerzas de fricción. Para hacerlo, normalmente se usan tres parámetros: la rigidez de contacto normal, la rigidez de contacto tangencial y el coeficiente de fricción entre las superficies. En este proyecto, se investigará un método para estimar la rigidez de contacto entre dos golpes planos con bordes redondeados. Para ello, se realizarán simulaciones numéricas usando Ansys, que usa un análisis de elementos finitos y soluciones de ecuaciones no lineares, ya que usará elementos de contacto para caracterizar la zona de contacto. Como consecuencia, se definirá un solucionador de ecuaciones y un método de solución. A continuación, se obtendrá la rigidez de la articulación caracterizada por un golpe plano, primero aplicando solo un desplazamiento normal a la superficie superior del golpe plano para calcular la rigidez normal de contacto equivalente y a continuación se le añadirá fricción y un desplazamiento normal y tangencial en el mismo lugar para evaluar la rigidez tangencial. Se prestará especial atención a si los resultados numéricos dependen del mallado. Por tanto, se detallará una manera de definir la rigidez de contacto que sea independiente del mallado para encontrar el patrón que la rigidez local de la articulación (afectada por las propiedades del material y por la geometría del golpe plano) sigue a lo largo del cuerpo. En detalle, la rigidez será menor cerca de la superficie de contacto debido a la geometría específica del golpe plano: para una fuerza dada, los desplazamientos relativos, y en consecuencia la deformación elástica, serán mayores cerca de la zona de contacto.