石油機械有限元課程二次開發(fā)實例應用
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［摘要］如何在石油機械類本科有限元分析課程教學中融入程序語言二次開發(fā)實例，進而深化石油機械類本科專業(yè)學生對有限元課程重要性概念的認知理解，結(jié)合二次開發(fā)的石油機械工程實例的引入，有助于學生理解有限元課程與本專業(yè)領域的關系，培養(yǎng)學生的工程意識以及靈活解決工程實際問題的能力，有助于學生滿足復合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，同時增強課程的實用性，創(chuàng)新性和趣味性。
［關鍵詞］二次開發(fā)；有限元應用教學；石油機械
一、引言
近年來，隨著計算機性能的不斷提高和有限元仿真技術的飛速發(fā)展，各種有限元軟件為科研人員和機械工程師們提供了高效便捷的分析手段。作為石油機械類大學生非常有必要掌握利用有限元進行分析解決實際問題的能力[1]。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的有限元課程的教學過程以理論知識和分析推導為主，其工程實例通常相對簡單且未考慮實際工程的復雜性，導致學生面對復雜工程問題時，雖然思路清晰，但實現(xiàn)困難或無法實現(xiàn)，例如有限元軟件中找不到所需特定功能、操作過于煩瑣以及無法直接優(yōu)化計算結(jié)果等各類問題。如何引導學生拓寬思路解決復雜石油機械工程問題是培養(yǎng)優(yōu)秀學生的重要組成部分[2]。
二、二次開發(fā)實例在有限元軟件應用教學中的應用
隨著技術進步，越來越多的高端石油機械產(chǎn)品研發(fā)設計需要專門定制特殊化處理來實現(xiàn)分析計算目的，這就需要對有限元軟件進行二次開發(fā)或者將軟件的前后處理與其他程序軟件結(jié)合起來共同完成相關工作[3]。通常有限元軟件留有二次開發(fā)接口，以實現(xiàn)對有限元軟件功能的特殊化定制，從而解決復雜的實際工程問題。與此同時選擇合適的二次開發(fā)實例引入到有限元課程中，不僅加深了學生對有限元原理的理解，同時豐富其解決問題的方法和手段，提高學生對課程的興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新和創(chuàng)造能力[4]。有限元軟件應用課程是一門實用性為主的課程，如何結(jié)合石油機械本科學生的特色，選擇合適的二次開發(fā)實例，既滿足原理方法方面的教學又結(jié)合學生后續(xù)升學就業(yè)方面的專業(yè)需求也是授課老師需要思考的問題。
三、融合二次開發(fā)的石油機械有限元應用實例
石油裝備產(chǎn)品的結(jié)構受力分析比較復雜，通常可拆分為相對簡單的零部件進行受力分析。將智能制造、裝備升級引出的結(jié)構優(yōu)化減重等因素和典型石油裝備零部件產(chǎn)品受力分析結(jié)合的課程實例設計更符合當前石油裝備技術需求。為使石油機械類本科生在掌握力學理論知識和有限元分析的基礎上掌握當前石油裝備產(chǎn)品設計理念，將考慮結(jié)構優(yōu)化減重等因素的典型二次開發(fā)的有限元應用案例融入教學，提高學生解決實際問題的能力。綜上，在結(jié)合石油機械產(chǎn)品設計特色的同時，充分利用授課教師的科研經(jīng)驗，將石油機械二次開發(fā)有限元應用實例引入有限元應用的課程教學中，以增加學生在解決工程實際問題方面的知識儲備。考慮到Abaqus軟件的二次開發(fā)程序Python語言簡單易懂，且交互式建模（GUI）的相關操作記錄可直接修改、編程二次開發(fā)腳本程序，因此結(jié)合該軟件略舉幾個例子說明。實例1：帶倒角的平板拉伸網(wǎng)格尺寸影響對剛接觸有限元分析的學生，往往對網(wǎng)格劃分密度與計算結(jié)果精度的關系不清楚，考慮到石油機械中平板受拉類型的零部件比較典型，針對該種問題，我們采用結(jié)合二次開發(fā)參數(shù)化建立網(wǎng)格尺寸變化的平板拉伸模型，統(tǒng)計計算結(jié)果的應力數(shù)值和網(wǎng)格尺寸數(shù)據(jù)繪制應力與網(wǎng)格尺寸關系圖，建立精度和網(wǎng)格尺寸變化的概念。通過該實例可提高學生對網(wǎng)格尺寸與計算結(jié)果精度含義的理解，使同學們在掌握網(wǎng)格尺寸精度問題的同時開拓了后續(xù)遇到相似問題的快速解決能力。實例2：曲柄結(jié)構不連續(xù)對應力集中影響石油機械中經(jīng)常會遇到各種各樣的結(jié)構不連續(xù)問題，該種類型問題在有限元力學計算中非常普遍，大多會在結(jié)構不連續(xù)位置處發(fā)生應力集中現(xiàn)象。通常遇到該種類型問題時的處理手段是增加一個過渡倒角或修改結(jié)構不連續(xù)位置斜率來降低不連續(xù)的程度。針對石油機械曲柄作為典型零部件，考慮曲柄端部位置到中間的結(jié)構連續(xù)性，首先利用GUI建立幾何模型和有限元分析模型，隨后讀取其操作記錄，針對倒角和斜率作為變量參數(shù)編寫二次開發(fā)程序模型實現(xiàn)對模型的參數(shù)化處理。隨后學生即可統(tǒng)計分析相關參數(shù)變化對計算結(jié)果的影響。通過該實例的學習，同學們可以對有限元中最常見的應力集中有個感性認識，提高了對產(chǎn)品設計過程中的結(jié)構不連續(xù)性導致應力集中知識的掌握。實例3：有限元計算結(jié)果的后處理的二次開發(fā)石油機械屬于特定行業(yè)，其有限元分析結(jié)果和有限元分析報告有其典型的行業(yè)特點。通常軟件中提供的快速后處理模塊不能解決結(jié)果自動化提取和快速出具有限元報告的需求。結(jié)合當前環(huán)境下對石油機械行業(yè)本科學生高技能型培養(yǎng)要求，設計針對石油井架桿件類中的某一定長桿件的壓桿失穩(wěn)特性進行分析，利用Abaqus軟件的buckle屈曲求解模塊和二次開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)自動提取壓桿失穩(wěn)的臨界值并以特定視角保存結(jié)果圖片。實現(xiàn)了特殊需求下的壓桿失穩(wěn)分析。通過對該實例的學習，可以讓同學們將壓桿失穩(wěn)的力學理論知識和有限元分析結(jié)合起來，在此基礎上實現(xiàn)了引導學生靈活處理常見的有限元分析的后處理問題的能力。實例4：管系接頭螺紋設計在石油天然氣開采過程中，管系連接的接頭螺紋形式具有多種類型，每種類型都有其獨特的設計特點，有的螺紋形式密封性比較好，有的螺紋形式耐用性比較好，然而針對特殊用途設計新型螺紋時往往會發(fā)現(xiàn)無從下手，這是因為影響螺紋受力的參數(shù)不止一個，例如螺距、牙型，倒角等，多個參數(shù)相互影響，因此在分析其受力過程中需要處理大量數(shù)據(jù)[5]。針對該問題設計一個簡化的常規(guī)螺紋，分析螺距和螺紋根部倒角變化對螺紋受力影響。我們可結(jié)合Abaqus軟件和Python程序編寫變化參數(shù)的螺紋受力模型，以根部受力情況為監(jiān)測點提取該位置Mises應力數(shù)據(jù)，最終得到優(yōu)化后的螺距和螺紋根部倒角結(jié)果。該實例即實現(xiàn)了對螺紋類產(chǎn)品的有限元求解教學，又具有一定的實際工程應用價值。
四、結(jié)語
綜上所述，在石油機械類本科生有限元軟件應用課程教學中，采用有限元原理和操作實例結(jié)合，同時結(jié)合當前對石油機械本科生的更高素質(zhì)要求，在實例中添加二次開發(fā)相關內(nèi)容，可以使學生更深刻的理解有限元原理、有限元工程處理方法和石油機械產(chǎn)品設計特點。同時在學生學習過程中，增加其學習有限元應用課程的興趣，積累解決工程問題的經(jīng)驗和能力，為今后就業(yè)或深造奠定良好基礎。有限元應用的教育改革的探索是一個長期的過程，需要緊跟時代需求，確立理論聯(lián)系最新發(fā)展趨勢的案例教學理念，以滿足高等學校應用型人才培養(yǎng)的需要。
參考文獻
［1］郭世偉.《有限元法與ANSYS軟件應用》課程教學改革與實踐［J］.當代教育實踐與教學研究,2019(4):74,113-114.
［2］吳修德,馮進,汪建華.石油機械裝備特色應用型人才培養(yǎng)方案的制訂及實施［J］.中國電力教育,2011(14):59-60.
［3］蘇培莉.有限單元法課程教學改革初探［J］.當代教育實踐與教學研究,2016(10):203-204.
［4］楊建福,龍連春.基于VB的ANSYS二次開發(fā)在結(jié)構優(yōu)化仿真教學軟件中的應用［A］.北京力學會第二十二屆學術年會會議論文集［C］.2016.
［5］黃學偉.ABAQUS軟件在材料力學連接件強度計算教學中的探索［J］.當代教育實踐與教學研究,2018(6):202-203.
作者：安晨 魏代鋒 單位：中國石油大學
