石油機(jī)械有限元課程二次開(kāi)發(fā)實(shí)例應(yīng)用

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［摘要］如何在石油機(jī)械類本科有限元分析課程教學(xué)中融入程序語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)實(shí)例，進(jìn)而深化石油機(jī)械類本科專業(yè)學(xué)生對(duì)有限元課程重要性概念的認(rèn)知理解，結(jié)合二次開(kāi)發(fā)的石油機(jī)械工程實(shí)例的引入，有助于學(xué)生理解有限元課程與本專業(yè)領(lǐng)域的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)以及靈活解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，有助于學(xué)生滿足復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)增強(qiáng)課程的實(shí)用性，創(chuàng)新性和趣味性。

［關(guān)鍵詞］二次開(kāi)發(fā)；有限元應(yīng)用教學(xué)；石油機(jī)械

一、引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和有限元仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，各種有限元軟件為科研人員和機(jī)械工程師們提供了高效便捷的分析手段。作為石油機(jī)械類大學(xué)生非常有必要掌握利用有限元進(jìn)行分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的有限元課程的教學(xué)過(guò)程以理論知識(shí)和分析推導(dǎo)為主，其工程實(shí)例通常相對(duì)簡(jiǎn)單且未考慮實(shí)際工程的復(fù)雜性，導(dǎo)致學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)，雖然思路清晰，但實(shí)現(xiàn)困難或無(wú)法實(shí)現(xiàn)，例如有限元軟件中找不到所需特定功能、操作過(guò)于煩瑣以及無(wú)法直接優(yōu)化計(jì)算結(jié)果等各類問(wèn)題。如何引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路解決復(fù)雜石油機(jī)械工程問(wèn)題是培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的重要組成部分[2]。

二、二次開(kāi)發(fā)實(shí)例在有限元軟件應(yīng)用教學(xué)中的應(yīng)用

隨著技術(shù)進(jìn)步，越來(lái)越多的高端石油機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)需要專門定制特殊化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算目的，這就需要對(duì)有限元軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或者將軟件的前后處理與其他程序軟件結(jié)合起來(lái)共同完成相關(guān)工作[3]。通常有限元軟件留有二次開(kāi)發(fā)接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有限元軟件功能的特殊化定制，從而解決復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題。與此同時(shí)選擇合適的二次開(kāi)發(fā)實(shí)例引入到有限元課程中，不僅加深了學(xué)生對(duì)有限元原理的理解，同時(shí)豐富其解決問(wèn)題的方法和手段，提高學(xué)生對(duì)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和創(chuàng)造能力[4]。有限元軟件應(yīng)用課程是一門實(shí)用性為主的課程，如何結(jié)合石油機(jī)械本科學(xué)生的特色，選擇合適的二次開(kāi)發(fā)實(shí)例，既滿足原理方法方面的教學(xué)又結(jié)合學(xué)生后續(xù)升學(xué)就業(yè)方面的專業(yè)需求也是授課老師需要思考的問(wèn)題。

三、融合二次開(kāi)發(fā)的石油機(jī)械有限元應(yīng)用實(shí)例

石油裝備產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)受力分析比較復(fù)雜，通常可拆分為相對(duì)簡(jiǎn)單的零部件進(jìn)行受力分析。將智能制造、裝備升級(jí)引出的結(jié)構(gòu)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(shí)例設(shè)計(jì)更符合當(dāng)前石油裝備技術(shù)需求。為使石油機(jī)械類本科生在掌握力學(xué)理論知識(shí)和有限元分析的基礎(chǔ)上掌握當(dāng)前石油裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，將考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重等因素的典型二次開(kāi)發(fā)的有限元應(yīng)用案例融入教學(xué)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。綜上，在結(jié)合石油機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)特色的同時(shí)，充分利用授課教師的科研經(jīng)驗(yàn)，將石油機(jī)械二次開(kāi)發(fā)有限元應(yīng)用實(shí)例引入有限元應(yīng)用的課程教學(xué)中，以增加學(xué)生在解決工程實(shí)際問(wèn)題方面的知識(shí)儲(chǔ)備。考慮到Abaqus軟件的二次開(kāi)發(fā)程序Python語(yǔ)言簡(jiǎn)單易懂，且交互式建模（GUI）的相關(guān)操作記錄可直接修改、編程二次開(kāi)發(fā)腳本程序，因此結(jié)合該軟件略舉幾個(gè)例子說(shuō)明。實(shí)例1：帶倒角的平板拉伸網(wǎng)格尺寸影響對(duì)剛接觸有限元分析的學(xué)生，往往對(duì)網(wǎng)格劃分密度與計(jì)算結(jié)果精度的關(guān)系不清楚，考慮到石油機(jī)械中平板受拉類型的零部件比較典型，針對(duì)該種問(wèn)題，我們采用結(jié)合二次開(kāi)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(jì)計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力數(shù)值和網(wǎng)格尺寸數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力與網(wǎng)格尺寸關(guān)系圖，建立精度和網(wǎng)格尺寸變化的概念。通過(guò)該實(shí)例可提高學(xué)生對(duì)網(wǎng)格尺寸與計(jì)算結(jié)果精度含義的理解，使同學(xué)們?cè)谡莆站W(wǎng)格尺寸精度問(wèn)題的同時(shí)開(kāi)拓了后續(xù)遇到相似問(wèn)題的快速解決能力。實(shí)例2：曲柄結(jié)構(gòu)不連續(xù)對(duì)應(yīng)力集中影響石油機(jī)械中經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣的結(jié)構(gòu)不連續(xù)問(wèn)題，該種類型問(wèn)題在有限元力學(xué)計(jì)算中非常普遍，大多會(huì)在結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。通常遇到該種類型問(wèn)題時(shí)的處理手段是增加一個(gè)過(guò)渡倒角或修改結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置斜率來(lái)降低不連續(xù)的程度。針對(duì)石油機(jī)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(gòu)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(duì)倒角和斜率作為變量參數(shù)編寫(xiě)二次開(kāi)發(fā)程序模型實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的參數(shù)化處理。隨后學(xué)生即可統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)參數(shù)變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。通過(guò)該實(shí)例的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以對(duì)有限元中最常見(jiàn)的應(yīng)力集中有個(gè)感性認(rèn)識(shí)，提高了對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性導(dǎo)致應(yīng)力集中知識(shí)的掌握。實(shí)例3：有限元計(jì)算結(jié)果的后處理的二次開(kāi)發(fā)石油機(jī)械屬于特定行業(yè)，其有限元分析結(jié)果和有限元分析報(bào)告有其典型的行業(yè)特點(diǎn)。通常軟件中提供的快速后處理模塊不能解決結(jié)果自動(dòng)化提取和快速出具有限元報(bào)告的需求。結(jié)合當(dāng)前環(huán)境下對(duì)石油機(jī)械行業(yè)本科學(xué)生高技能型培養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)針對(duì)石油井架桿件類中的某一定長(zhǎng)桿件的壓桿失穩(wěn)特性進(jìn)行分析，利用Abaqus軟件的buckle屈曲求解模塊和二次開(kāi)發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了特殊需求下的壓桿失穩(wěn)分析。通過(guò)對(duì)該實(shí)例的學(xué)習(xí)，可以讓同學(xué)們將壓桿失穩(wěn)的力學(xué)理論知識(shí)和有限元分析結(jié)合起來(lái)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)學(xué)生靈活處理常見(jiàn)的有限元分析的后處理問(wèn)題的能力。實(shí)例4：管系接頭螺紋設(shè)計(jì)在石油天然氣開(kāi)采過(guò)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(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，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(duì)特殊用途設(shè)計(jì)新型螺紋時(shí)往往會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)從下手，這是因?yàn)橛绊懧菁y受力的參數(shù)不止一個(gè)，例如螺距、牙型，倒角等，多個(gè)參數(shù)相互影響，因此在分析其受力過(guò)程中需要處理大量數(shù)據(jù)[5]。針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的常規(guī)螺紋，分析螺距和螺紋根部倒角變化對(duì)螺紋受力影響。我們可結(jié)合Abaqus軟件和Python程序編寫(xiě)變化參數(shù)的螺紋受力模型，以根部受力情況為監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取該位置Mises應(yīng)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(shí)例即實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺紋類產(chǎn)品的有限元求解教學(xué)，又具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在石油機(jī)械類本科生有限元軟件應(yīng)用課程教學(xué)中，采用有限元原理和操作實(shí)例結(jié)合，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前對(duì)石油機(jī)械本科生的更高素質(zhì)要求，在實(shí)例中添加二次開(kāi)發(fā)相關(guān)內(nèi)容，可以使學(xué)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同時(shí)在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中，增加其學(xué)習(xí)有限元應(yīng)用課程的興趣，積累解決工程問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和能力，為今后就業(yè)或深造奠定良好基礎(chǔ)。有限元應(yīng)用的教育改革的探索是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要緊跟時(shí)代需求，確立理論聯(lián)系最新發(fā)展趨勢(shì)的案例教學(xué)理念，以滿足高等學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。

參考文獻(xiàn)

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作者：安晨 魏代鋒 單位：中國(guó)石油大學(xué)