熱器結構簡有限元計算模型
3.1 有限元單元劃分說明
為簡化計算，在建立有限元模型時，只考慮換熱器的管板、殼體、管束和膨脹節等主要結構，法蘭墊片用等效的均布比壓來代替。
由於整台換熱器結構是前後左右對稱，所以只取組合體的四分之一，換熱管長度取一半。換熱管是細長形狀，所以用桿單元來模擬。這樣的作法對管子附近的管板應力計算是不準確的，事實上，如果考慮換熱管和管板的脹焊連接，該處的真實應力也很難計算。根據聖維南原理，這樣處理對遠處的非布管區管板的計算影響不大。
殼體和膨脹節用20節點六面體單元劃分網格，管板用10 節點四面體單元來劃分網格，在管板和殼體過渡的區域是13節點的五面體錐型單元。管束用2節點桿單元來劃分網格。表示換熱管的桿單元節點與表示管板的實體單元節點在對應位置上重合。整個分析過程使用ANSYS有限元軟體來完成，如圖2所示。
有限元計算模型圖3.2 載荷和邊界條件
在結構的前後對稱面和左右對稱面上加上對稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。換熱管的一端固定位移，另一端與管板連接。此外，還需要限制整體結構的剛體位移。
取正常操作工況為校核的工況，其具體數值為：殼程壓力：Ps .= -0.1 MPa；殼程溫度：Ts=230℃；管程壓力：Pt =0.2MPa；管程溫度：Tt=50℃；管板溫度：T=140℃；法蘭墊片壓力：Pc=69MPa；法蘭螺栓預緊力：116.5kN。
由於管板上的開孔面積只佔其總面積的約5%，所以忽略當量壓力和管程壓力之間的差別。
根據換熱器操作工況下溫度載荷的經驗數據，其分佈如下：在結構的下半部，管板的中截面處的溫度為140 ℃，膨脹節處的溫度為230 ℃，在結構的上半部，管板的中截面處的溫度為120℃，膨脹節處的溫度為200 ℃，從管板到膨脹節，根據空間位置的不同，進行雙線性插值。筋板的溫度，也按照這一規律進行插值。
4 強度校核及結構改進
4.1 原結構尺寸條件下的強度校核
根據JB4732-95《鋼製壓力容器———分析設計標準》［2］，該標準採用應力強度（Stress Intensity）作為強度校核的準則，其實質是第三強度理論。
經過計算，在應力雲圖中可以發現，最大應力強度發生在管板和殼體連接的地方，靠近底部。如圖2 中的A處。本換熱器在正常操作工況下壓力載荷不大，結構的變形和應力主要是由溫度載荷引起的。為了驗證此推論，這裡將正常操作工況下的壓力載荷與溫度載荷作為兩個工況，它們有共同的位移邊界條件。具體就是在第一種工況下結構受到管程壓力，殼程壓力，法蘭螺栓預緊力和法蘭墊片比壓力的作用，在第二種工況中，結構只受到管程溫度，殼程溫度和管板溫度的溫度載荷。由於結構是線彈性小變形，所以將這兩種載荷工況下的結果相加后，就是正常操作工況下的結果。在圖2的A處，沿著殼體的厚度方向，做應力校核線。圖3就是第一種載荷（壓力）工況、第二種載荷（溫度）工況和它們的疊加組合（即正常操作工況）下的應力校核結
