二次開(kāi)發(fā)實(shí)例在石油機(jī)械有限元課程中的應(yīng)用

安晨 魏代鋒

[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

[基金項(xiàng)目]2020年本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目，中國(guó)石油大學(xué)（北京）“《基于ANSYSWorkbench的海洋油氣工程管柱結(jié)構(gòu)有限元分析》教材建設(shè)”

[作者簡(jiǎn)介]安 晨（1981—），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京），安全與海洋工程學(xué)院副教授，主要從事海洋油氣工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安全評(píng)估研究;魏代鋒（1983—），男，山東日照人，博士研究生，中國(guó)石油大學(xué)（北京），安全與海洋工程學(xué)院助教，主要從事海洋油氣工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究。

[中圖分類號(hào)] TE9-4;G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-02 [收稿日期] 2020-05-14

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(mén)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(mén)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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Application of Secondary Development Example Teaching in the Course on Finite Element Analysis Software Application of Petroleum Machinery

AN Chen， WEI Dai-feng

（College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum at Beijing， Beijing 102249， China）

Abstract： This paper mainly discusses how to introduce the secondary development examples of programming language in the teaching of petroleum machinery undergraduate finite element analysis courses. It is promoted the understanding of the concept of the importance of finite element courses for undergraduate students majoring in petroleum machinery. The introduction of mechanical engineering examples helps students understand the relationship between the finite element course and the professional field， cultivate students' engineering awareness and the ability to flexibly solve practical engineering problems， help students meet the training goals of composite innovative talents， and enhance the practicality， innovation and interest of the course.

Key words： secondary development; finite element analysis teaching; petroleum machinery