工程實(shí)例教學(xué)在石油機(jī)械類本科工程力學(xué)課程中的應(yīng)用

安晨 張玉

摘要：本文主要討論了如何在石油機(jī)械類本科工程力學(xué)課程教學(xué)中融入工程實(shí)例，進(jìn)而深化石油機(jī)械類本科專業(yè)學(xué)生對工程力學(xué)課程中重要基本概念的認(rèn)知理解。現(xiàn)場實(shí)際的石油機(jī)械工程實(shí)例的引入，有助于學(xué)生理解工程力學(xué)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)及解決工程實(shí)際問題的能力，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)有助于增加課程的實(shí)用性、創(chuàng)新性及趣味性。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)例教學(xué)法；工程力學(xué)；管道

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）27-0174-02

一、引言

《工程力學(xué)》是一門聯(lián)系工程實(shí)際與理論科學(xué)的工科專業(yè)課程，既是工程類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，又與生活及工程實(shí)際聯(lián)系緊密，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)用性。目前很多高校的工程相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了該課程，對于石油機(jī)械類本科專業(yè)的學(xué)生而言，力學(xué)知識(shí)的掌握及運(yùn)用直接影響了學(xué)生的工程問題解決能力。在全國范圍內(nèi)，各高校開展的工程力學(xué)課程普遍存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法單一、教學(xué)質(zhì)量下降等問題[1]。因此，如何結(jié)合各高校的專業(yè)特色及專業(yè)學(xué)科的特點(diǎn)，探索出一種實(shí)際與理論結(jié)合的創(chuàng)新式工程力學(xué)教學(xué)方法，如何將工程力學(xué)實(shí)例融入工程力學(xué)課程的教學(xué)，遵循學(xué)生培養(yǎng)大綱及知識(shí)接受能力，實(shí)踐出一條理論性與趣味性完美融合的工程力學(xué)教學(xué)路徑，已成為各高校力學(xué)教師急需解決的問題。

二、工程實(shí)例教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用

工程實(shí)例引入教學(xué)法不是簡單地引入工程中的實(shí)例進(jìn)行例題分析與講解，而是在教學(xué)基本知識(shí)和內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)墓こ袒蛏顚?shí)例，通過對這些實(shí)例的觀察、分析、建模、提出問題并解決問題。在分析過程中引入課程要求的概念、原理和方法，加深學(xué)生對書本知識(shí)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力[2]。《工程力學(xué)》作為一門工程應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程，相關(guān)的工程實(shí)例非常豐富。然而，教師在選擇工程實(shí)例時(shí)，應(yīng)考慮其既滿足教學(xué)大綱與課程進(jìn)度的需求，又有助于學(xué)生在日后的工作與學(xué)習(xí)中的工程力學(xué)知識(shí)的運(yùn)用，同時(shí)更要有助于掌握解決實(shí)際工程問題的能力，因此，如何合理選擇工程實(shí)例也是力學(xué)授課教師需要思考的問題。

三、石油機(jī)械工程中的力學(xué)實(shí)例

我國石油資源豐富，目前石油儲(chǔ)量增長的主要領(lǐng)域在西部和海上，然而隨著油氣田的開發(fā)不斷向深地和深水發(fā)展，其存在的力學(xué)問題也日益突顯，急需一批專業(yè)人才來解決這些問題，以提高我國油氣資源開采技術(shù)的核心競爭力。石油工程及海洋油氣工程領(lǐng)域存在大量管柱結(jié)構(gòu)，其受力變形行為都可歸結(jié)為工程力學(xué)中桿梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題。為使石油機(jī)械類本科學(xué)生了解工程實(shí)踐，掌握工程力學(xué)基本概念，提高借助理論知識(shí)解決工程問題的能力，可將石油工程及海洋油氣工程中典型實(shí)例融入工程力學(xué)的教學(xué)中，描述工程背后的力學(xué)問題，介紹其力學(xué)分析方法，從而提升學(xué)生在工程實(shí)際中解決問題的經(jīng)驗(yàn)和能力。

綜上，在結(jié)合石油類院校特色的同時(shí)，充分利用授課教師的科研經(jīng)驗(yàn)，將石油工程與海洋油氣工程中的力學(xué)實(shí)例引入工程力學(xué)的課程教學(xué)中，以增加學(xué)生在解決工程實(shí)際問題方面的知識(shí)儲(chǔ)備。以下略舉幾個(gè)例子說明：

實(shí)例1：鉆桿的拉伸

在石油、天然氣開采過程中，鉆桿不僅是鉆井液的循環(huán)通道，而且在旋轉(zhuǎn)鉆井中需要傳遞扭矩，承受內(nèi)外壓力、軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種載荷的共同作用，同時(shí)還受到鉆井液、地層水以及油氣中的腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，在鉆進(jìn)過程中常常發(fā)生失效，造成井下事故[3]。例如：井口處鉆桿由于起下鉆時(shí)的慣性作用而承受著較大瞬間陡增的沖擊載荷，致使拉應(yīng)力大幅度上升，另一方面在處理復(fù)雜井下事故如“卡鉆”上提鉆具解卡時(shí)，井口鉆柱拉應(yīng)力最大，很容易因拉應(yīng)力超過鉆柱本身抗拉極限而發(fā)生斷裂失效。

可將該鉆桿拉伸失效問題與工程力學(xué)中的“材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能”一章相對應(yīng)，通過對鉆桿的拉伸測試來強(qiáng)化學(xué)生對材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中屈服、強(qiáng)化、伸長率、斷面收縮率等概念的理解。

實(shí)例2：水下臍帶纜的扭轉(zhuǎn)

臍帶纜是海洋油氣開發(fā)的重要裝備之一，其本質(zhì)是一個(gè)由管道、光纜、電纜以及填充物所組成的復(fù)合型管纜。臍帶纜起到了連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)以及海面控制系統(tǒng)的功能，為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供其正常工作所必需的電力、液壓動(dòng)力以及化學(xué)藥劑，同時(shí)傳遞控制數(shù)據(jù)信號(hào)；臍帶纜在保證海洋油氣開發(fā)安全、穩(wěn)定工作方面起著不可或缺的作用，被譽(yù)為海洋油氣開發(fā)的“生命線”[4]。

扭轉(zhuǎn)荷載相對于拉伸以及彎曲來說屬于次一級(jí)荷載，其主要出現(xiàn)在安裝工況中。早期臍帶纜結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用海況溫和，臍帶纜的安裝相對簡單，對臍帶纜的扭轉(zhuǎn)性能要求不高。近年來，隨著深水臍帶纜數(shù)量的增加，在臍帶纜安裝過程中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)破壞，這對臍帶纜的扭轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生了新的要求。

可將臍帶纜扭轉(zhuǎn)性能分析與工程力學(xué)中“扭轉(zhuǎn)”一章相對應(yīng)，分析臍帶纜承受扭矩與其轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，以強(qiáng)化學(xué)生對扭矩、極慣性矩、抗扭截面系數(shù)等概念的認(rèn)識(shí)。

實(shí)例3：石油套管的彎曲變形

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程進(jìn)行和完井后整個(gè)油井的正常運(yùn)行。每一口井根據(jù)不同的鉆井深度和地質(zhì)情況，要使用幾層套管。然而地殼內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)、地層（油層）的非均質(zhì)性、油層傾向、巖石性質(zhì)、地層斷層活動(dòng)、地層腐蝕等將導(dǎo)致井下服役石油套管損壞。套管中的彎曲現(xiàn)象是非常普遍的，可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可以伴隨著變形或錯(cuò)斷一起出現(xiàn)[5]。

可將鉆井套管彎曲問題與工程力學(xué)中“彎曲應(yīng)力”、“彎曲變形”一章相對應(yīng)，分析不同地層壓力對于套管彎曲變形的影響，加強(qiáng)學(xué)生對彎曲正應(yīng)力、彎曲剪應(yīng)力、撓曲線等概念的理解。

實(shí)例4：海底管道的屈曲

管道的屈曲主要是指管道的失穩(wěn)，通常可以分為局部屈曲與整體屈曲兩種形式。局部屈曲是指管道在內(nèi)外壓、軸力、沖擊等載荷的作用下產(chǎn)生的局部失穩(wěn)形式；整體屈曲又叫歐拉屈曲，即把整個(gè)管道看成歐拉桿，在軸向力作用下發(fā)生的失穩(wěn)形式[6]。按管道屈曲的方向，分成側(cè)向屈曲與垂向屈曲（隆起屈曲）兩種形式。隆起屈曲屬于整體屈曲，當(dāng)管道發(fā)生隆起屈曲時(shí)，管道會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩以及較大的塑性變形，甚至可能進(jìn)一步出現(xiàn)裂紋、疲勞、局部屈曲。

可將該問題與工程力學(xué)中“壓桿穩(wěn)定”一章相結(jié)合，分析管道受到的軸向載荷，如鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的張力、管道運(yùn)行過程中由于溫度的變化所產(chǎn)生的軸向載荷，以及管道與海底的摩擦、管道與溝槽之間的摩擦等因素對管道穩(wěn)定性的影響，使學(xué)生對桿梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題深入理解。

四、結(jié)束語

綜上所述，在石油機(jī)械類本科生工程力學(xué)課程教學(xué)中，采用實(shí)例引入法，結(jié)合課程內(nèi)容特點(diǎn)在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)中添加與石油工程、海洋油氣工程密切相關(guān)的工程實(shí)例，可以使學(xué)生增加學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程的興趣，積累分析工程實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)，為今后的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。力學(xué)教育改革的探索是一個(gè)長期的過程，教師應(yīng)重視理論與實(shí)踐結(jié)合、知識(shí)與能力并重的教學(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)：

[1]劉新柱，王冬，潘佳卉.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)的工程力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].黑龍江教育，2014，1089（1）：39-40.

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[3]鄧寬海，林元華，郭海濤，周明信，沙東，史交齊.G105鉆桿的拉伸和扭轉(zhuǎn)失效研究[J].石油鉆采工藝，2013，（6）：5-8.

[4]賀語.水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜基本扭轉(zhuǎn)性能分析設(shè)計(jì)研究[D].大連理工大學(xué)，2017.

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[6]車小玉，段夢蘭，曾霞光，譚雙妮，龐熠騫.海底埋設(shè)高溫管道隆起屈曲數(shù)值模擬研究[J].海洋工程，2013，（5）：103-111.