石油工程全日制專(zhuān)業(yè)碩士《現(xiàn)代CAE》課程改革
——以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為目的

于浩，林鐵軍，練章華，張強(qiáng)

（1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都）

一 引言

CAE的全稱(chēng)是Computer Aided Engineering （計(jì)算機(jī)輔助工程），主要以有限元數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程管理學(xué)以及現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)綜合形成的一門(mén)知識(shí)密集型學(xué)科。目前，CAE技術(shù)在土木工程、海洋工程、電子機(jī)械、航天航空、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域以及企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的作用[1]。近十年來(lái)，現(xiàn)代CAE技術(shù)在石油工程中應(yīng)用也是極其廣泛，王莉莉、付世博等[2]利用有限元方法對(duì)立式儲(chǔ)罐進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)開(kāi)展焊縫中的裂縫起裂、擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究，評(píng)估了儲(chǔ)罐的剩余強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)優(yōu)化及其安全服役壽命預(yù)測(cè)；王磊、練章華等[3]應(yīng)用ANSYS軟件建立了鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)有限元模型，經(jīng)過(guò)合理假設(shè)和模態(tài)分析技術(shù)計(jì)算分析得出了鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)規(guī)律；祝效華、劉少胡等[4]針對(duì)現(xiàn)有套管防磨工具使用壽命短和壓耗大的問(wèn)題，應(yīng)用CAE和CFD技術(shù)分析了其過(guò)流壓耗及間歇碰撞滾滑狀態(tài)下的工作應(yīng)力，提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施；薛繼軍、郭誼民等[5]應(yīng)用現(xiàn)代CAE技術(shù)，針對(duì)ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架穩(wěn)定性及力學(xué)強(qiáng)度開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，獲取了不同振動(dòng)載荷下井下失穩(wěn)的臨界模態(tài)參數(shù)，為鉆井井架承載能力評(píng)估提供了理論依據(jù)。

高等院校承擔(dān)著為國(guó)家培養(yǎng)和輸送高素質(zhì)人才的責(zé)任，根據(jù)社會(huì)發(fā)展的需要，許多工科類(lèi)院校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）相關(guān)類(lèi)別課程，而且該課程是應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的重要組成部分[6]，圖1所示為西南石油大學(xué)《現(xiàn)代CAE》課程上課人數(shù)及專(zhuān)業(yè)型碩士和學(xué)術(shù)型碩士人數(shù)百分比，可以看出從2014年到2020年，選修《現(xiàn)代CAE》課程的碩士研究生人數(shù)從193人增加到400人，并且專(zhuān)業(yè)型碩士研究生在選課總碩士研究生的比例也是逐漸增加，這反映了石油工程碩士研究生《現(xiàn)代CAE》課程的興趣逐漸增加，尤其是專(zhuān)業(yè)型碩士研究生越來(lái)越重視《現(xiàn)代CAE》課程。圖2是西南石油大學(xué)碩士論文中數(shù)值模擬占比，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬內(nèi)容在碩士論文中占比逐年增加，并且專(zhuān)業(yè)型碩士研究生在畢業(yè)論文中涉及數(shù)值模擬內(nèi)容占比更多。這些都說(shuō)明了《現(xiàn)代CAE》課程在碩士研究生培養(yǎng)中的重要性，但是該課程屬于多學(xué)科交叉且專(zhuān)業(yè)性非常強(qiáng)，這些有別于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)課程。目前，《現(xiàn)代CAE》課程的授課對(duì)象是全日制碩士研究生，對(duì)于專(zhuān)業(yè)型碩士和學(xué)術(shù)型碩士的授課方式、授課內(nèi)容、授課學(xué)時(shí)及培養(yǎng)目標(biāo)上都沒(méi)有進(jìn)行區(qū)分。事實(shí)上，現(xiàn)有的CAE教學(xué)體系沿用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，更適用于學(xué)術(shù)型碩士研究生的培養(yǎng)，而對(duì)于專(zhuān)業(yè)型碩士研究生，需要結(jié)合石油工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和企業(yè)的需求，開(kāi)展課程內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，探索新的培養(yǎng)體系。

圖1 西南石油大學(xué)《現(xiàn)代CAE》課程上課人數(shù)及專(zhuān)業(yè)型碩士和學(xué)術(shù)型碩士人數(shù)百分比

圖2 西南石油大學(xué)數(shù)值模擬在石油工程碩士論文中的占比

二 專(zhuān)業(yè)型碩士的定義及其與學(xué)術(shù)型碩士的區(qū)別

全日制專(zhuān)業(yè)碩士指的是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展急需的應(yīng)用型和工程研究型人才，按照“全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)”的要求，實(shí)現(xiàn)研究生教育的分類(lèi)培養(yǎng)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化；運(yùn)用“統(tǒng)籌兼顧”的方法，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型與學(xué)術(shù)型高層次人才培養(yǎng)的共同發(fā)展[7]。

自2009年開(kāi)始，針對(duì)目前的學(xué)位制，教育部進(jìn)行了深化改革，包括對(duì)于研究生培養(yǎng)理念的改革，為了滿(mǎn)足和適應(yīng)國(guó)家對(duì)于高新人才的需求，從應(yīng)屆畢業(yè)生中招收人才作為專(zhuān)業(yè)型碩士的培養(yǎng)目標(biāo)[8]。全日制專(zhuān)業(yè)碩士與學(xué)術(shù)型碩士在培養(yǎng)方案和目標(biāo)上具有顯著的不同，專(zhuān)業(yè)型碩士重點(diǎn)不側(cè)重于學(xué)術(shù)上的研究，而在培養(yǎng)出工程能力強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用型人才，致力于社會(huì)的發(fā)展。從2010年開(kāi)始，根據(jù)教育部發(fā)布的政策和要求，逐步降低招收學(xué)術(shù)型碩士的數(shù)量，而全日制專(zhuān)業(yè)碩士人數(shù)得到相應(yīng)的增加[9]。

三 石油工程全日制專(zhuān)業(yè)碩士培養(yǎng)要求

石油工程碩士應(yīng)當(dāng)擁護(hù)中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)，掌握中國(guó)特色社會(huì)主義理論，積極踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，身心健康，具有嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)和一定的創(chuàng)新能力。在學(xué)術(shù)上要對(duì)本學(xué)科具有豐富的理論知識(shí)和較深入的專(zhuān)業(yè)儲(chǔ)備，具備一定的實(shí)驗(yàn)操作或軟件編程、軟件應(yīng)用能力及外語(yǔ)讀寫(xiě)能力[10]。石油工程學(xué)術(shù)型碩士主要從事本專(zhuān)業(yè)范圍內(nèi)相關(guān)研究方向的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和技術(shù)試驗(yàn)工作。而專(zhuān)業(yè)型碩士采用“雙導(dǎo)師制”，側(cè)重于培養(yǎng)出能夠在工程實(shí)踐中進(jìn)行科技攻關(guān)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)與施工、工程規(guī)劃與管理高層次工程技術(shù)人才。

專(zhuān)業(yè)型碩士專(zhuān)業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)所掌握的理論知識(shí)的必需途徑，而在實(shí)踐中的不斷積累并達(dá)到較高的技能是培養(yǎng)的最終目標(biāo)[11]。由于平時(shí)的課程學(xué)習(xí)和案例研究具有一定的局限性，導(dǎo)致大多數(shù)全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，所以為學(xué)生設(shè)立專(zhuān)業(yè)時(shí)間環(huán)節(jié)是必要和必需的，在專(zhuān)業(yè)實(shí)踐中去檢驗(yàn)理論知識(shí)，積累操作經(jīng)驗(yàn)，為以后進(jìn)入職場(chǎng)打下基礎(chǔ)。校外導(dǎo)師對(duì)學(xué)生的實(shí)踐作出具體指導(dǎo)，達(dá)到理論與油田相結(jié)合的目的。專(zhuān)業(yè)型碩士在工程實(shí)踐期間將自身所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐，推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)施工有序進(jìn)行，同時(shí)專(zhuān)業(yè)型碩士也從實(shí)際工程中積累經(jīng)驗(yàn)，盡早適應(yīng)未來(lái)所從事的崗位環(huán)境，因此，工程實(shí)踐環(huán)節(jié)是石油工程專(zhuān)業(yè)碩士非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于石油工程專(zhuān)業(yè)型碩士培養(yǎng)的特殊性，結(jié)合相關(guān)的具體要求是很有必要的。

(一) 專(zhuān)業(yè)背景要求

石油工程全日制專(zhuān)業(yè)碩士依靠石油行業(yè)背景，石油院校培養(yǎng)出來(lái)的專(zhuān)業(yè)碩士最終走向石油企業(yè)或公司，從事石油工程相關(guān)工作。因此，每一位專(zhuān)業(yè)碩士要掌握扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及石油行業(yè)的一些新知識(shí)、新技術(shù)、新方法，而學(xué)生能夠?qū)⑺e累的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)際工作中是檢驗(yàn)其學(xué)習(xí)成果的唯一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)有所成的高素質(zhì)人才也必將會(huì)為我國(guó)石油行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮作用。

(二) 因材施教

全日制專(zhuān)業(yè)碩士的培養(yǎng)旨在培養(yǎng)應(yīng)用型人才，課程安排中除安排所修課程外，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了8學(xué)分的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程，實(shí)踐課程總時(shí)間要求不小于一年。通過(guò)學(xué)校與石油企業(yè)建立聯(lián)合培養(yǎng)基地，專(zhuān)業(yè)碩士在油田或者單位進(jìn)行結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的本專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中專(zhuān)業(yè)碩士能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)與實(shí)際工況相結(jié)合，既能用所學(xué)知識(shí)對(duì)工程提出可行性建議，也能夠從工程中學(xué)到課堂上學(xué)不到的知識(shí)，進(jìn)一步提升專(zhuān)業(yè)碩士現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、解決問(wèn)題的能力。

(三) 企業(yè)人才需求

石油工程專(zhuān)業(yè)碩士就業(yè)于石油行業(yè)及其相關(guān)企業(yè)，企業(yè)需要能力強(qiáng)、掌握工程技能多的畢業(yè)生。專(zhuān)業(yè)型碩士因掌握更多工程應(yīng)用型軟件而有利于工程實(shí)踐活動(dòng)，以現(xiàn)代CAE相關(guān)軟件為例，石油工程中諸多方面可采用現(xiàn)代CAE軟件進(jìn)行輔助工作，能夠高效解決工程難題。因此，專(zhuān)業(yè)型碩士應(yīng)當(dāng)掌握工程輔助型軟件的使用，提升自我綜合能力，從而為企業(yè)輸送高效、高質(zhì)量人才。

(四) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要

專(zhuān)業(yè)型碩士的起源是為了滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需要。我國(guó)仍處于發(fā)展中國(guó)家，需要高層次人才投入到國(guó)家建設(shè)之中，需要學(xué)術(shù)型碩士從事研究，因此國(guó)家大力推動(dòng)專(zhuān)業(yè)型碩士的培養(yǎng)，從而推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

四 CAE課程對(duì)于石油工程全日制專(zhuān)業(yè)碩士的重要性

石油工程專(zhuān)業(yè)碩士未來(lái)主要從事鉆完井工程、油氣開(kāi)采工程、油藏地質(zhì)工程以及油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的技術(shù)創(chuàng)新與現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工作。在工程實(shí)踐中，現(xiàn)代CAE技術(shù)發(fā)揮著重要作用。以鉆井過(guò)程中鉆柱在井眼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為例，實(shí)際鉆井過(guò)程中鉆柱在井眼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，鉆柱的受力、彎曲變形、與井壁接觸等情況不能被地面上的技術(shù)人員全面了解。因此，采用現(xiàn)代CAE有限元方法模擬鉆柱在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，采用這種方法可以直觀地認(rèn)識(shí)到鉆柱在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、受力等情況，進(jìn)而分析鉆井時(shí)鉆柱是否會(huì)發(fā)生失效，有了這種預(yù)測(cè)分析，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員便能及時(shí)采取預(yù)防措施，避免鉆井過(guò)程中事故發(fā)生。

隨著現(xiàn)代CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將現(xiàn)代CAE與石油工程相結(jié)合，通過(guò)現(xiàn)代CAE的模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化既能實(shí)現(xiàn)石油工程技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)也能提高石油開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效減少開(kāi)發(fā)成本和周期，提升經(jīng)濟(jì)效益。

五 《現(xiàn)代CAE》課程對(duì)于專(zhuān)業(yè)型碩士的教學(xué)改革

《現(xiàn)代CAE》課程面向?qū)I(yè)型與學(xué)術(shù)型碩士，但在教學(xué)內(nèi)容上對(duì)于兩者有著明顯的區(qū)別。學(xué)術(shù)型碩士更多的是注重對(duì)于學(xué)生理論知識(shí)的傳授，和對(duì)其創(chuàng)新能力的激發(fā)與培養(yǎng)，而專(zhuān)業(yè)型碩士注重現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與解決問(wèn)題。對(duì)于專(zhuān)業(yè)型碩士，課程改革目的在于突顯現(xiàn)代CAE的應(yīng)用性、實(shí)用性以及廣泛性，通過(guò)課程改革旨在解決教育實(shí)踐中石油領(lǐng)域的具體問(wèn)題，更具針對(duì)性和緊迫性，對(duì)于教育教學(xué)效果、質(zhì)量的提高更具有實(shí)質(zhì)意義；改革是為教育實(shí)踐而展開(kāi)、在教育實(shí)踐中進(jìn)行的，不僅應(yīng)使學(xué)生理解、掌握學(xué)科知識(shí)，而且應(yīng)促進(jìn)學(xué)生智能、思維、個(gè)性的發(fā)展；改革實(shí)際意義在于，它能完善CAE課程的教學(xué)內(nèi)容，提高教師的教學(xué)水平，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)水平，為企業(yè)輸送高效、高質(zhì)量人才，為行業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

以《現(xiàn)代CAE》課程經(jīng)典實(shí)例對(duì)稱(chēng)孔板應(yīng)力分析為例。有一個(gè)尺寸為20mm×20mm的方板，厚度為1mm，中心圓孔半徑為1mm。彈性模量E=2×105N/mm2，泊松比為0.3，底部和頂部受拉力為10N/mm2，如圖3所示。由于對(duì)稱(chēng)性，只取孔板的四分之一來(lái)建立模型。分析方板內(nèi)的Mises應(yīng)力及其y方向的應(yīng)力分布。

圖3 受均布載荷的帶孔平板

針對(duì)上述同一問(wèn)題，學(xué)術(shù)型碩士的培養(yǎng)目標(biāo)是可以明確孔板受力變形問(wèn)題背后抽象的力學(xué)問(wèn)題，并且從力學(xué)的角度對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)展、延伸及應(yīng)用，在研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。而對(duì)于專(zhuān)業(yè)碩士的培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)該通過(guò)對(duì)孔板受力變形模擬計(jì)算結(jié)果的分析，將其與實(shí)際鉆井過(guò)程中鉆開(kāi)井眼相聯(lián)系，即圓孔對(duì)應(yīng)井筒，板對(duì)應(yīng)井周巖石，如圖4所示的井眼內(nèi)實(shí)際情況。利用現(xiàn)代CAE技術(shù)對(duì)孔板受均布載荷時(shí)的應(yīng)力分布可知，孔板上應(yīng)力集中分布于圓孔附近，即說(shuō)明實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，鉆開(kāi)井眼井周應(yīng)力分布最大，井壁容易發(fā)生垮塌事故，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，進(jìn)而合理選用套管進(jìn)行固井工作，確保鉆井工作的正常進(jìn)行。通過(guò)現(xiàn)代CAE技術(shù)的預(yù)測(cè)性分析，研究鉆井過(guò)程中地層應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)井壁的穩(wěn)定性，從而將研究結(jié)果直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，這種理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)方式真正意義上培養(yǎng)了專(zhuān)業(yè)型碩士的實(shí)際應(yīng)用能力。因此，基于專(zhuān)業(yè)碩士應(yīng)用能力的培養(yǎng)要求和特點(diǎn)，《現(xiàn)代CAE》課程應(yīng)當(dāng)改革以下幾個(gè)方面。

圖4 實(shí)際井眼情況

(一) 教學(xué)課時(shí)的安排

根據(jù)CAE主流商業(yè)軟件應(yīng)用的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，合理安排相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加學(xué)生對(duì)目前商業(yè)軟件的操作，盡可能多地學(xué)習(xí)并掌握主流CAE軟件的使用以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，并提高學(xué)生使用CAE軟件解決石油工程問(wèn)題的能力。

(二) 結(jié)合石油工程其他專(zhuān)業(yè)課，擴(kuò)大現(xiàn)代CAE的應(yīng)用

《現(xiàn)代CAE》課程是一門(mén)綜合性學(xué)科，它的應(yīng)用存在于多方面。在針對(duì)專(zhuān)業(yè)型碩士的教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)該課程與其他石油工程專(zhuān)業(yè)工程的相融性，使得學(xué)生掌握多方面知識(shí)，進(jìn)一步提升現(xiàn)代CAE在石油工程中的應(yīng)用。

(三) 以實(shí)驗(yàn)室相關(guān)項(xiàng)目推動(dòng)專(zhuān)業(yè)型碩士的培養(yǎng)

以校企項(xiàng)目分析驅(qū)動(dòng)課堂教學(xué)的模式。避免單一的教材實(shí)例分析，用具體的項(xiàng)目讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用平時(shí)積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展討論和分析，獨(dú)立而完整地完成從分析問(wèn)題到查閱資料再到建模最后得出結(jié)果的整個(gè)過(guò)程，是對(duì)其專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)與強(qiáng)化。

(四) 理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法

現(xiàn)代CAE技術(shù)涉及數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限單元離散分析法、數(shù)值分析等多學(xué)科知識(shí)，因此在教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合專(zhuān)業(yè)型碩士研究生工程實(shí)踐過(guò)程遇到的實(shí)際石油工程具體問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生有限元數(shù)值模型建立、網(wǎng)格優(yōu)化、邊界條件分析等CAE技術(shù)運(yùn)用和處理的能力，在實(shí)例分析中對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行講解和深化。

六 結(jié)語(yǔ)

全日制專(zhuān)業(yè)碩士的培養(yǎng)具有重大戰(zhàn)略意義。對(duì)于石油工程而言，不同于學(xué)術(shù)型碩士的培養(yǎng)，專(zhuān)業(yè)型碩士的培養(yǎng)突出專(zhuān)業(yè)型碩士的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用特點(diǎn)，大力培養(yǎng)實(shí)踐能力。因此重視專(zhuān)業(yè)型碩士對(duì)于現(xiàn)代CAE實(shí)踐性的培養(yǎng)，將現(xiàn)代CAE真正作為一種解決實(shí)際工程問(wèn)題的有效手段，從而培養(yǎng)出高質(zhì)量的達(dá)到國(guó)家認(rèn)可的全日制專(zhuān)業(yè)碩士人才。當(dāng)這些學(xué)生走向社會(huì)，從事國(guó)家建設(shè)活動(dòng)時(shí)，他們有能力解決實(shí)際問(wèn)題，為社會(huì)的建設(shè)、國(guó)家的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。