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1、【石油工業(yè)論文】石油機(jī)械有限元課程二次開發(fā)實例應(yīng)用 ［摘要］如何在石油機(jī)械類本科有限元分析課程教學(xué)中融入程序語言二次開發(fā)實例，進(jìn)而深化石油機(jī)械類本科專業(yè)學(xué)生對有限元課程重要性概念的認(rèn)知理解，結(jié)合二次開發(fā)的石油機(jī)械工程實例的引入，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)生的工程意識以及靈活解決工程實際問題的能力，有助于學(xué)生滿足復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，同時增強(qiáng)課程的實用性，創(chuàng)新性和趣味性。 ［關(guān)鍵詞］二次開發(fā)；有限元應(yīng)用教學(xué)；石油機(jī)械 一、引言 近年來，隨著計算機(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

2、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)行分析解決實際問題的能力[1]。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的有限元課程的教學(xué)過程以理論知識和分析推導(dǎo)為主，其工程實例通常相對簡單且未考慮實際工程的復(fù)雜性，導(dǎo)致學(xué)生面對復(fù)雜工程問題時，雖然思路清晰，但實現(xiàn)困難或無法實現(xiàn)，例如有限元軟件中找不到所需特定功能、操作過于煩瑣以及無法直接優(yōu)化計算結(jié)果等各類問題。如何引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路解決復(fù)雜石油機(jī)械工程問題是培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的重要組成部分[2]。 二、二次開發(fā)實例在有限元軟件應(yīng)用教學(xué)中的應(yīng)用 隨著技術(shù)進(jìn)步，越來越多的高端石油機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計需要專門定制特殊化處

3、理來實現(xiàn)分析計算目的，這就需要對有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)或者將軟件的前后處理與其他程序軟件結(jié)合起來共同完成相關(guān)工作[3]。通常有限元軟件留有二次開發(fā)接口，以實現(xiàn)對有限元軟件功能的特殊化定制，從而解決復(fù)雜的實際工程問題。與此同時選擇合適的二次開發(fā)實例引入到有限元課程中，不僅加深了學(xué)生對有限元原理的理解，同時豐富其解決問題的方法和手段，提高學(xué)生對課程的興趣，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，選擇合適的二次開發(fā)實例，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題。 三、融合二次

4、開發(fā)的石油機(jī)械有限元應(yīng)用實例 石油裝備產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)受力分析比較復(fù)雜，通?？刹鸱譃橄鄬唵蔚牧悴考M(jìn)行受力分析。將智能制造、裝備升級引出的結(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)合的課程實例設(shè)計更符合當(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)計理念，將考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重等因素的典型二次開發(fā)的有限元應(yīng)用案例融入教學(xué)，提高學(xué)生解決實際問題的能力。綜上，在結(jié)合石油機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計特色的同時，充分利用授課教師的科研經(jīng)驗，將石油機(jī)械二次開發(fā)有限元應(yīng)用實例引入有限元應(yīng)用的課程教學(xué)中，以增加學(xué)生在解決工程實際問題方面的知識儲備。考

5、慮到Abaqus軟件的二次開發(fā)程序Python語言簡單易懂，且交互式建模（GUI）的相關(guān)操作記錄可直接修改、編程二次開發(fā)腳本程序，因此結(jié)合該軟件略舉幾個例子說明。實例1：帶倒角的平板拉伸網(wǎng)格尺寸影響對剛接觸有限元分析的學(xué)生，往往對網(wǎng)格劃分密度與計算結(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，針對該種問題，我們采用結(jié)合二次開發(fā)參數(shù)化建立網(wǎng)格尺寸變化的平板拉伸模型，統(tǒng)計計算結(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。通過該實例可提高學(xué)生對網(wǎng)格尺寸與計算結(jié)果精度含義的理解，使同學(xué)們在掌握網(wǎng)格尺寸精度問題的同時開拓了后續(xù)遇到相似問題的快速

6、解決能力。實例2：曲柄結(jié)構(gòu)不連續(xù)對應(yīng)力集中影響石油機(jī)械中經(jīng)常會遇到各種各樣的結(jié)構(gòu)不連續(xù)問題，該種類型問題在有限元力學(xué)計算中非常普遍，大多會在結(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題時的處理手段是增加一個過渡倒角或修改結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置斜率來降低不連續(xù)的程度。針對石油機(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，針對倒角和斜率作為變量參數(shù)編寫二次開發(fā)程序模型實現(xiàn)對模型的參數(shù)化處理。隨后學(xué)生即可統(tǒng)計分析相關(guān)參數(shù)變化對計算結(jié)果的影響。通過該實例的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以對有限元中最常見的應(yīng)力集中有個感性認(rèn)識，提高了對產(chǎn)品

7、設(shè)計過程中的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性導(dǎo)致應(yīng)力集中知識的掌握。實例3：有限元計算結(jié)果的后處理的二次開發(fā)石油機(jī)械屬于特定行業(yè)，其有限元分析結(jié)果和有限元分析報告有其典型的行業(yè)特點。通常軟件中提供的快速后處理模塊不能解決結(jié)果自動化提取和快速出具有限元報告的需求。結(jié)合當(dāng)前環(huán)境下對石油機(jī)械行業(yè)本科學(xué)生高技能型培養(yǎng)要求，設(shè)計針對石油井架桿件類中的某一定長桿件的壓桿失穩(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發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)自動提取壓桿失穩(wěn)的臨界值并以特定視角保存結(jié)果圖片。實現(xiàn)了特殊需求下的壓桿失穩(wěn)分析。通過對該實例的學(xué)習(xí)，可以讓同學(xué)們將壓桿失穩(wěn)的力學(xué)理論知識和有限元分析結(jié)合起來，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了引

8、導(dǎo)學(xué)生靈活處理常見的有限元分析的后處理問題的能力。實例4：管系接頭螺紋設(shè)計在石油天然氣開采過程中，管系連接的接頭螺紋形式具有多種類型，每種類型都有其獨特的設(shè)計特點，有的螺紋形式密封性比較好，有的螺紋形式耐用性比較好，然而針對特殊用途設(shè)計新型螺紋時往往會發(fā)現(xiàn)無從下手，這是因為影響螺紋受力的參數(shù)不止一個，例如螺距、牙型，倒角等，多個參數(shù)相互影響，因此在分析其受力過程中需要處理大量數(shù)據(jù)[5]。針對該問題設(shè)計一個簡化的常規(guī)螺紋，分析螺距和螺紋根部倒角變化對螺紋受力影響。我們可結(jié)合Abaqus軟件和Python程序編寫變化參數(shù)的螺紋受力模型，以根部受力情況為監(jiān)測點提取該位置Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)，最終得到優(yōu)

9、化后的螺距和螺紋根部倒角結(jié)果。該實例即實現(xiàn)了對螺紋類產(chǎn)品的有限元求解教學(xué)，又具有一定的實際工程應(yīng)用價值。 四、結(jié)語 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例結(jié)合，同時結(jié)合當(dāng)前對石油機(jī)械本科生的更高素質(zhì)要求，在實例中添加二次開發(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)計特點。同時在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，增加其學(xué)習(xí)有限元應(yīng)用課程的興趣，積累解決工程問題的經(jīng)驗和能力，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長期的過程，需要緊跟時代需求，確立理論聯(lián)系最新發(fā)展趨勢的案例教學(xué)理念，以

10、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］郭世偉.《有限元法與ANSYS軟件應(yīng)用》課程教學(xué)改革與實踐［J］.當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究,2019(4):74,113-114. ［2］吳修德,馮進(jìn),汪建華.石油機(jī)械裝備特色應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案的制訂及實施［J］.中國電力教育,2011(14):59-60. ［3］蘇培莉.有限單元法課程教學(xué)改革初探［J］.當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究,2016(10):203-204. ［4］楊建福,龍連春.基于VB的ANSYS二次開發(fā)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真教學(xué)軟件中的應(yīng)用［A］.北京力學(xué)會第二十二屆學(xué)術(shù)年會會議論文集［C］.2016. ［5］黃學(xué)偉.ABAQUS軟件在材料力學(xué)連接件強(qiáng)度計算教學(xué)中的探索［J］.當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究,2018(6):202-203.