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二次开发实例在石油机械有限元课程中的应用

  • 教育论文
  • 2021-07-02

安晨 魏代锋

[摘 要]如何在石油机械类本科有限元分析课程教学中融入程序语言二次开发实例,进而深化石油机械类本科专业学生对有限元课程重要性概念的认知理解,结合二次开发的石油机械工程实例的引入,有助于学生理解有限元课程与本专业领域的关系,培养学生的工程意识以及灵活解决工程实际问题的能力,有助于学生满足复合型创新人才的培养目标,同时增强课程的实用性,创新性和趣味性。

[关键词]二次开发;有限元应用教学;石油机械

[基金项目]2020年本科教育教学改革项目,中国石油大学(北京)“《基于ANSYSWorkbench的海洋油气工程管柱结构有限元分析》教材建设”

[作者简介]安 晨(1981—),男,辽宁沈阳人,博士,中国石油大学(北京),安全与海洋工程学院副教授,主要从事海洋油气工程结构强度与安全评估研究;魏代锋(1983—),男,山东日照人,博士研究生,中国石油大学(北京),安全与海洋工程学院助教,主要从事海洋油气工程结构分析与设计研究。

[中图分类号] TE9-4;G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324(2020)45-0-02 [收稿日期] 2020-05-14

一、引言

近年来,随着计算机性能的不断提高和有限元仿真技术的飞速发展,各种有限元软件为科研人员和机械工程师们提供了高效便捷的分析手段。作为石油机械类大学生非常有必要掌握利用有限元进行分析解决实际问题的能力[1]。现阶段,传统的有限元课程的教学过程以理论知识和分析推导为主,其工程实例通常相对简单且未考虑实际工程的复杂性,导致学生面对复杂工程问题时,虽然思路清晰,但实现困难或无法实现,例如有限元软件中找不到所需特定功能、操作过于烦琐以及无法直接优化计算结果等各类问题。如何引导学生拓宽思路解决复杂石油机械工程问题是培养优秀学生的重要组成部分[2]。

二、二次开发实例在有限元软件应用教学中的应用

随着技术进步,越来越多的高端石油机械产品研发设计需要专门定制特殊化处理来实现分析计算目的,这就需要对有限元软件进行二次开发或者将软件的前后处理与其他程序软件结合起来共同完成相关工作[3]。通常有限元软件留有二次开发接口,以实现对有限元软件功能的特殊化定制,从而解决复杂的实际工程问题。与此同时选择合适的二次开发实例引入到有限元课程中,不仅加深了学生对有限元原理的理解,同时丰富其解决问题的方法和手段,提高学生对课程的兴趣,培养学生创新和创造能力[4]。有限元软件应用课程是一门实用性为主的课程,如何结合石油机械本科学生的特色,选择合适的二次开发实例,既满足原理方法方面的教学又结合学生后续升学就业方面的专业需求也是授课老师需要思考的問题。

三、融合二次开发的石油机械有限元应用实例

石油装备产品的结构受力分析比较复杂,通常可拆分为相对简单的零部件进行受力分析。将智能制造、装备升级引出的结构优化减重等因素和典型石油装备零部件产品受力分析结合的课程实例设计更符合当前石油装备技术需求。为使石油机械类本科生在掌握力学理论知识和有限元分析的基础上掌握当前石油装备产品设计理念,将考虑结构优化减重等因素的典型二次开发的有限元应用案例融入教学,提高学生解决实际问题的能力。

综上,在结合石油机械产品设计特色的同时,充分利用授课教师的科研经验,将石油机械二次开发有限元应用实例引入有限元应用的课程教学中,以增加学生在解决工程实际问题方面的知识储备。考虑到Abaqus软件的二次开发程序Python语言简单易懂,且交互式建模(GUI)的相关操作记录可直接修改、编程二次开发脚本程序,因此结合该软件略举几个例子说明。

实例1:带倒角的平板拉伸网格尺寸影响

对刚接触有限元分析的学生,往往对网格划分密度与计算结果精度的关系不清楚,考虑到石油机械中平板受拉类型的零部件比较典型,针对该种问题,我们采用结合二次开发参数化建立网格尺寸变化的平板拉伸模型,统计计算结果的应力数值和网格尺寸数据绘制应力与网格尺寸关系图,建立精度和网格尺寸变化的概念。

通过该实例可提高学生对网格尺寸与计算结果精度含义的理解,使同学们在掌握网格尺寸精度问题的同时开拓了后续遇到相似问题的快速解决能力。

实例2:曲柄结构不连续对应力集中影响

石油机械中经常会遇到各种各样的结构不连续问题,该种类型问题在有限元力学计算中非常普遍,大多会在结构不连续位置处发生应力集中现象。通常遇到该种类型问题时的处理手段是增加一个过渡倒角或修改结构不连续位置斜率来降低不连续的程度。针对石油机械曲柄作为典型零部件,考虑曲柄端部位置到中间的结构连续性,首先利用GUI建立几何模型和有限元分析模型,随后读取其操作记录,针对倒角和斜率作为变量参数编写二次开发程序模型实现对模型的参数化处理。随后学生即可统计分析相关参数变化对计算结果的影响。

通过该实例的学习,同学们可以对有限元中最常见的应力集中有个感性认识,提高了对产品设计过程中的结构不连续性导致应力集中知识的掌握。

实例3:有限元计算结果的后处理的二次开发

石油机械属于特定行业,其有限元分析结果和有限元分析报告有其典型的行业特点。通常软件中提供的快速后处理模块不能解决结果自动化提取和快速出具有限元报告的需求。结合当前环境下对石油机械行业本科学生高技能型培养要求,设计针对石油井架杆件类中的某一定长杆件的压杆失稳特性进行分析,利用Abaqus软件的buckle屈曲求解模块和二次开发程序实现自动提取压杆失稳的临界值并以特定视角保存结果图片。实现了特殊需求下的压杆失稳分析。

通过对该实例的学习,可以让同学们将压杆失稳的力学理论知识和有限元分析结合起来,在此基础上实现了引导学生灵活处理常见的有限元分析的后处理问题的能力。

实例4:管系接头螺纹设计

在石油天然气开采过程中,管系连接的接头螺纹形式具有多种类型,每种类型都有其独特的设计特点,有的螺纹形式密封性比较好,有的螺纹形式耐用性比较好,然而针对特殊用途设计新型螺纹时往往会发现无从下手,这是因为影响螺纹受力的参数不止一个,例如螺距、牙型,倒角等,多个参数相互影响,因此在分析其受力过程中需要处理大量数据[5]。针对该问题设计一个简化的常规螺纹,分析螺距和螺纹根部倒角变化对螺纹受力影响。我们可结合Abaqus软件和Python程序編写变化参数的螺纹受力模型,以根部受力情况为监测点提取该位置Mises应力数据,最终得到优化后的螺距和螺纹根部倒角结果。

该实例即实现了对螺纹类产品的有限元求解教学,又具有一定的实际工程应用价值。

四、结语

综上所述,在石油机械类本科生有限元软件应用课程教学中,采用有限元原理和操作实例结合,同时结合当前对石油机械本科生的更高素质要求,在实例中添加二次开发相关内容,可以使学生更深刻的理解有限元原理、有限元工程处理方法和石油机械产品设计特点。同时在学生学习过程中,增加其学习有限元应用课程的兴趣,积累解决工程问题的经验和能力,为今后就业或深造奠定良好基础。有限元应用的教育改革的探索是一个长期的过程,需要紧跟时代需求,确立理论联系最新发展趋势的案例教学理念,以满足高等学校应用型人才培养的需要。

参考文献

[1]郭世伟.《有限元法与ANSYS软件应用》课程教学改革与实践[J].当代教育实践与教学研究,2019(4):74,113-114.

[2]吴修德,冯进,汪建华.石油机械装备特色应用型人才培养方案的制订及实施[J].中国电力教育,2011(14):59-60.

[3]苏培莉.有限单元法课程教学改革初探[J].当代教育实践与教学研究,2016(10):203-204.

[4]杨建福,龙连春.基于VB的ANSYS二次开发在结构优化仿真教学软件中的应用[A].北京力学会第二十二届学术年会会议论文集[C].2016.

[5]黄学伟.ABAQUS软件在材料力学连接件强度计算教学中的探索[J].当代教育实践与教学研究,2018(6):202-203.

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

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