面向流體機械專業的流體機械強度計算課程改革

代翠 高波 康燦 楊敏官

摘 要：根據“卓越工程師教育培養計劃”對工程教育的要求，結合江蘇大學能源動力類流體機械強度計算課程的特點，進行了融合工程實際的教材建設、結合工程需要的案例教學以及最終指導工程實踐等多方面的教學改革，探索工程創新型人才培養的途徑，旨在為卓越計劃背景下能源動力類專業課的教學改革提供參考和借鑒。

關鍵詞：卓越工程師 實踐能力 流體機械強度計算 人才培養

中圖分類號：G645 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0129-02

“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）提出培養造就一大批創新能力強的各類型卓越工程師，以降低我國關鍵核心技術的對外依存度，增強國家核心競爭力[1-2]。本科層次的卓越工程師應能夠在工程現場創新性地從事產品的生產、營銷和服務或工程項目的施工、運行和維護，成為優秀的應用型創新工程師[3]。

流體機械強度計算是針對能源與動力工程專業（流體機械及其自動控制方向）的專業課程，是后續畢業設計的有效輔助工具，在課程體系中占有重要地位。該課程以水力計算等提供的載荷為初始條件，研究流體機械零件的強度、剛度和穩定性，以期合理確定零件的結構、尺寸及相互聯接方式等。流體機械強度計算課程理論性較強，要求具備一定的數學、流體力學與流體機械、固體力學以及機械設計基礎；又具有較強的工程應用背景，可用于指導最初的結構設計，滿足不同類型泵的可靠性設計要求。因此，教學中需要同時兼顧知識的繼承性與先進性，尤其如何在卓越計劃背景下構建與工程教育相銜接的教學內容、教學形式等已成為課程改革的首要任務。

1 流體機械強度計算工程實踐能力培養的認識

流體機械強度計算課程的強大生命力在于它的實踐性，其研究的出發點和歸宿點都是為流體機械結構設計服務。流體機械強度計算課程力求使學生具備以下3個方面的技能和經驗：（1）堅實的理論基礎，包括流體力學理論和有限元理論；（2）程序使用經驗，對常用的商業有限元分析程序能夠應用；（3）工程實踐經驗，對不同的工程問題能夠評判和確定方案。流體機械強度計算的基本流程為：初步分析→詳細分析→有限元分析→結果分析→問題解決。在實際計算中，需要根據工程經驗進行問題初判，并非所有問題都需進一步分析，有限元分析不一定是解決問題的最佳手段。要做出正確的初判，需要對常見問題的理論有清晰的解決思路，需要對有限元方法的能力和局限有清楚的認識，同時對可能進行的有限元分析所需的時間和人力有準確的判斷。在決定進行有限元分析后，運用理論和經驗上的判斷，決定計算的模型、規模和類型。能夠用盡可能簡單的模型、盡可能短的時間獲得解決問題所需的分析結果。運用商業有限元軟件進行分析，需要清楚每個輸入參數的意義和作用，僅僅熟悉軟件界面不夠。獲得分析結果后，問題并沒有解決，需要從紛繁復雜的數據中尋找問題的解決方案，總結出簡單有效的結論和方案。

2 融合工程實際，編寫教材

對于卓越工程師培養而言，面向工程需要的教材建設成為課程建設的一項重要工作[4]。目前該專業應用的課程教材為《水力機械強度計算》，該教材采用傳統經典的強度計算方法，以解析的手段初步設計或后續校核泵軸、葉輪、泵體等強度問題。經試用，存在不適于該專業卓越工程師能力培養的兩個方面：（1）教材內容與前期學習內容重復率較高。如將近30%篇幅涉及的彈性力學基礎以及軸、法蘭的應力計算等，學生已在大二系統學習過相關內容。（2）教材內容與強度理論和有限元軟件的發展不符。有限元法概念淺顯、適用性強，通過將實際物理模型離散化，廣泛應用于理論分析無法解決的復雜工程問題，而傳統教材較少涉及。任課教師較多在原教材基礎上編寫講義，穿插講解一些現代有限元理論及應用。

為適應流體機械專業卓越工程師的培養目標，應當編寫適用于卓越工程師的專門教材。該校教師尤其是青年教師應到產學研合作的企業鍛煉，熟悉企業工程項目生產、運作和管理的諸多環節，初步具備和企業技術人員合作進行產品研發、聯合攻關的能力。在此基礎上，聯合一些有經驗的企業技術人員，有目的地把工程應用的思想引入課程體系，增加實際工程中的一些概念、案例等內容。既依托高校和企業對于工程人才培養的理解與經驗，又結合雙方各自具備的硬件條件，企業在實際產品結構設計過程中遇到的問題和積累的經驗也將反映到教材中，為該專業工程技術人才培養提供了幫助。

3 著眼工程實際，案例教學

提倡以分析解決實際問題為主導的案例教學。課程組精心設計專題討論課，利用工程案例學習、討論，加強學生分析、歸納、總結的能力。在案例選取上，為克服有限元分析可能脫離工程實際的問題，所采用案例均為具有明確解析解和實際測試結果的算例，使得講解更具指導意義。例如：對多級泵（8級）軸靜強度進行校核，以及確定蝸殼泵殼體壁厚，這些實例都有較準確的解析結果或經驗公式。又如，葉輪連接軸的轉子部件的模態分析，以及包括泵體、端蓋、懸架及支腳在內整個殼體結構的自由模態分析，這兩個典型算例都有試驗測試結果。

此外，學生需要提交一份報告。要求采用ProE、UG、Solidworks等對三維結構建模；利用ANSYS軟件對結構劃分網格，施加合適的載荷和邊界條件，對軸、葉輪和蝸殼進行有限元靜強度校核。通過這樣的訓練，增強了學生的三維造型能力以及對流體機械各部件所受載荷和應力的理解。在有限元分析結果的評價方面，嘗試應用量化方法進行更進一步訓練。如對轉子部件計算與實驗的模態振型置信度進行比較，使有限元分析更接近實際。

4 凝練工程實際，指導教學實踐

從工程實踐出發，指導學生自主建模和分析。在橫向科研活動中積累了一些具有代表性的結構有限元分析實例，如在葉輪強度計算分析時，分析單純離心力、流體力及兩者合力作用下葉輪的等效應力及變形情況，確定葉輪結構的危險點及危險點應力。這些工程實例多數都有現場實驗，通過有限元計算研究，可以使本科生得到直接的訓練，對結構有限元分析有更為真實的經驗。

積極引導學生參與科研項目，鼓勵學生參與課外科技活動，增加軟件解決問題的應用功能，如：科研立項、大學生實踐創新訓練計劃項目、節能減排大賽、星光杯及校園科技競賽等。實際上，很多學生希望了解、學習相關軟件，并積極參與科研項目。

5 總結與討論

通過精心設計流體機械強度計算的教材、案例與教學實踐，以及流體機械結構有限元建模、載荷加載與結果分析與評價等，提高了流體機械專業本科生解決實際問題的能力。但綜合提高本科生的應用型創新能力是個系統工程，更加需要按照工程人才培養的規律，借鑒國內外創新能力培養的先進經驗，逐步改善和勇于探索，為流體機械專業培養更多高素質人才。

參考文獻

[1]林健.面向卓越工程師培養的研究性學習[J].高等工程教育研究，2011（6）：5-15.

[2]林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

[3]林健.卓越工程師創新能力的培養[J].高等工程教育研究，2012（5）：1-17.

[4]付興建，劉小河，陳雯柏.卓越工程師培養模式下實習教材建設探討[J].大學教育，2015（8）：7-8.