数值仿真辅助下的石油工程材料力学实验教学探索＊

刘敦卿

（中国石油大学克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

材料力学是研究外力作用下构件变形及破坏行为的学科，是机械、土木、石油工程等工科专业重要的基础课程[1]。以石油工程专业为例，课程大纲要求学生掌握材料拉伸、压缩、剪切、扭转、应力应变分析、强度理论等内容，这些是石油工程专业必须掌握的重要基础技能，也是后续专业课中关键知识的重要理论基础，因此保障材料力学教学质量对石油工程专业的本科生培养尤为重要。材料力学是一门理论与实践紧密结合的课程，实验课的加入有效提高了学生对构件受力、变形及破坏特征的直观认识。但受限于实验设备、人员、课时以及课前预习情况，线下实验教学效果受到了较大限制[2]。为解决材料力学实验教学中面临的诸多问题，在教学中积极融入“互联网+教育”模式、探索线上线下混合教学是新时代本科教育改革发展的新方向[3-4]。数值仿真是随计算机科学、数学以及工程技术发展而来的一门新兴信息技术，在众多领域得到了广泛的应用。材料力学课程中也有仿真类课程的涉及，因此在本科阶段适当引入数值仿真技术一方面能够克服线下实验的不足，另一方面也能为后续专业课程培养提供一定的基础引导，提高学生对学科的认识与兴趣。

1 石油工程材料力学数值仿真实验内容与平台优选

由于数值仿真的灵活性与拓展性，仿真实验题材可超越现有课程设置中的四个实验案例，结合钻井工程、岩石力学、采油工程等专业课或矿场实际涉及的实际问题加以拓展。比如脆性页岩破坏、塑性泥岩蠕变，钻杆的扭转变形，有杆泵抽油杆的拉伸变形、以及更加复杂的水平井分支井井壁稳定等。即能加深授课对象对材料力学核心知识点的理解，又能增强与后续专业课程的联系，同时还能锻炼学生逻辑思维、数学抽象以及动手实践能力。

仿真平台可结合学校软件授权或授课教师对软件的熟悉情况灵活选择。常用的商业有限元软件如Ansys、Abaqus、COMSOL 等均可完成现有材料力学中固体力学案例的仿真。若无软件授权，可选择如CalculiX、Code-Aster、或基于Matlab 的FEATool 等开源平台，也能实现仿真案例的复现。若采用以上平台，可由熟悉软件的老师预先编制好案例后在课上实时演示。但直接应用于学生的自主仿真探索（如改变关键参数、调整结果显示等）则有诸多不便，这些软件平台体积较大，对计算机硬件性能要求高，通常都是英文界面，入门难度较大，花时间讲解具体操作则会占用过多课时，影响课程整体教学进度。

用于学生自主探索、辅助线下实验的仿真平台或程序需满足上手难度低、直观易操作、硬件要求低、计算结果实时反馈等特点，目前基于云端计算的仿真平台能满足以上要求。近年随着国内自主工业软件的发展，出现了一批功能强大、使用稳定的云端有限元仿真平台，以Simapps 为例，云端提供了不少现成的仿真案例，且这些仿真案例被打包成app 的形式，通过浏览器可以直接访问，使用非常方便。但以上所有基于云端的仿真平台都依赖良好的网络通信条件，若教学单位网络条件受限或教学班级人数众多，大量学生在同一教室同时访问云端服务器可能会导致网络节点通讯降速或故障，因此网络基础条件较差的教学单位使用云端仿真平台也存在一定限制。对于网络受限的情况，可采用COMSOL 等具有案例打包编译功能的软件平台，将教学用的案例编译成离线可执行程序于课前分发。这些离线可执行程序不依赖高速网络，对计算机性能要求低，也无需安装仿真软件本体，能有效克服网络与计算机性能的限制，极大的降低了学员的使用门槛。

2 石油工程专业材料力学数值仿真实验教学案例

以国内云端仿真平台Simapps 和COMSOL 打包的离线仿真程序为例，分别介绍云端和离线端的仿真实验教学案例。

2.1 云端数值仿真案例

云端数值仿真平台Simapps 中材料力学基础仿真实验案例众多，在此以金属拉伸试验为例做具体介绍。金属拉伸试验为材料力学刘鸿文版第二章轴向拉伸与压缩理论的配套实验，线下试验采用万能试验机结合铸铁、碳钢等金属拉伸标准试样参照GB/T 228.1-2010 完成。本实验用于辅助学生理解各类材料的拉伸变形及破坏特征、应力应变曲线等知识要点，学生需绘制拉伸过程中的应力应变曲线，指出曲线的弹性、屈服、强化阶段，计算材料的模量。线下实验只能获取材料在不同应力条件下的应变参数，对于材料内部的受力情况无法直观显示，而云端仿真平台可以1:1 还原试件的变形过程，并实时展示试件应力、应变的分布变化。Simapps中材料拉伸试验的仿真平台界面如图1所示，此系统通过接入网络的浏览器直接访问，可实时显示不同材料参数条件下试件应力与应变的动态结果。

图1 金属拉伸试验仿真界面

如图1 所示，仿真界面左侧为测试的参考标准及试件具体参数，其中试件直径可由学生灵活调整。界面右侧为仿真结果显示界面，可现实试件的几何外形、网格划分结果显示。通过鼠标点击显示界面上部显示模式按钮可转换显示模式及参数对象，点击播放键可动态呈现试件各部位变形云图、应力云图的变化过程，此外还可呈现试件轴线剖面的应力、应变分布，以上所有结果均能与网格耦合呈现。结果显示界面左侧为对应参数的云图标尺，可根据颜色映射云图的的具体数值。此案例由于网格数较少，在高速网络的接入条件下，仿真结果可随仿真参数实时变化。此外，仿真结果显示区域还可通过鼠标实现构件的平移、旋转及缩放，实现仿真结果的全方位展示。

2.2 离线数值仿真案例

若没有网络接入或者网络情况不佳，可以借助COMSOL 的APP 编译功能，将对应模型编译为离线可执行程序于课前分发，实现离线条件下的仿真模拟。在此以COMSOL 5.4 编译的梁截面应力计算APP 为例做具体介绍。梁的截面剪力、正应力、弯矩计算是材料力学刘鸿文版第四章到第六章的核心内容，线下实验中仅能测量梁截面的应变，间接计算截面正应力，且梁的界面形状固定，拓展性非常有限，而本仿真APP 可充分模拟不同规格梁截面、不同空间力系作用下的截面受力及变形情况，极大的拓展了测试条件的多样性。该程序在8 核心移动处理器（AMD R4800H @ 3.9GHz）、16GB DDR4 @ 3200 MHz 内存平台上的计算耗时为2-3秒钟左右，在16 核心处理器（AMR 5950X @ 4.5GHz）、32G BDDR4 @ 3600MHz 内存平台上的计算耗时小于2 秒钟，满足即时计算、即时显示的要求。

图2 所示为COMSOL 打包的离线梁截面应力计算APP 界面，其中左侧为梁的设计参数区域，包括梁的标准、具体形状及类型，可通过鼠标灵活选定。选定后梁的深度、法兰与腹板厚度参数会在程序左侧的尺寸区域显示。梁的受力也可由学生在程序左侧的“力”区域自主设置。完成参数选择与受力输入后，点击程序上部的“计算”按钮，计算结果就会在右侧区域显示。显示选项包括梁的几何形态、对应受力参数下的弯矩、剪力、有效应力等信息。通过修改梁的规格以及对应的受力参数，可直观、实时显示梁截面各部位的弯矩、剪力、以及校核结果的变化。若课时允许，可以进一步展示水平井分支井破坏、拧螺丝时扳手受力分析的案例，加强仿真内容与石油工程的关联性。

图2 梁截面应力仿真APP 离线程序界面

3 结语

材料力学是石油工程专业重要的基础理论课程，注重理论与实践结合，实验课时的教学效果与理论课时同等重要。通过引入有限元为基础的数值仿真方法，借助云计算或本地编译的仿真小程序辅助线下实验，能克服线下实验的课时、设备、师资、题材、网络条件、结果展示方式等限制，增强材料力学与石油工程生产实际的联系，加深学生对学科专业的认识，提高学生自主思考、积极动手的能力，对于提高石油工程专业材料力学整体的教学效果具有积极意义。