基于仿真数值模拟平台的石油工程专业材料力学课程教学改革探索

1、基于仿真数值模拟平台的石油工程专业材料力学课程教学改革探索摘 要 材料力学是石油工程专业的一门必修课，保证此 课程的教学质量对于学生学习后续开设的石油工程主干课 程十分关键。材料力学与机械、土木等行业关系较为紧密， 教学中缺乏石油工程行业相关案例，很可能导致学生在学 习时理解困难。为了提高教学质量，该文探索了一种基于 仿真数值模拟平台的石油工程专业材料力学教学改革方 法，选取与石油工程相关的简化力学案例，结合数模工具可 视性、互动性强的特点开展教学。这种教改方法使抽象的 力学概念具象化，能调动学生的学习积极性，引导学生活学 活用，最终达到提升石油工程专业本科生材料力学课程教 学质量的目的。关键

2、词 材料力学；数值模拟；教学模式改革Exploration on the Teaching Reform of the Mechanics of Materials Course for the Major of Petroleum Engineering Based on Numerical Simulation Platforms / GUO Xuyang, HUANG LeiAbstract Mechanics of Materials is a compulsory course in the major of petroleum engineering. The guarantee

3、of good teaching quality of this course is important for the core curriculum taught afterwards in the major. Since the connection between mechan - ics of materials and mechanics and civil engineering is closer, it lacks examples related to petroleum engineering. This makes it possible that students

4、may find it hard to comprehend some of the ideas. To improve the teaching quality, this paper explores a reformed educational strategy which involves numerical simulation platforms for the course of Mechanics of Materials for the major of petroleum engineering. Simplified mechanical exam - ples are

5、selected. Visualization and user interaction in the plat - form are used during the teaching process. This strategy makes it easier for students to comprehend obscure ideas and makes students feel enthusiastic and use the knowledge later. Eventu - ally, the teaching quality of the Mechanics of Mater

6、ials course for undergraduates is improved.Key words Mechanics of Materials； numerical simulation； teaching mode reform材料力学课程是很多工科专业开设的重要必修课，主 要针对工程结构和机械构件的强度、刚度和稳定性等内容 展开教学，让学生掌握拉伸、压缩、剪切、扭转、变形及压杆 稳定等内容。深部地层的岩石力学性质、钻采工具的材料 与其力学特性、钻完井优化设计等都与材料力学有着紧密 联系11，因而材料力学课程在石油工程专业本科的培养方案 中具有重要地位，在土木、机械、水力、地质、石油

7、等行业的 相关专业均有开设。石油工程的主要任务是将埋藏在地下 油气储层中的碳氢化合物经济高效地开采至地而，这一过 程涉及钻井、采油、油藏和储层评价等相关工作，涉及岩石 和钻采工具的力学行为分析。而开展相关的力学行为分析 离不开材料力学的相关理论知识，因此，在石油工程本科培 养方案中，材料力学课程是钻井工程、岩石力学等重要专业 课必修的先选课程，保证材料力学课程的教学质量，对于石 油工程本科生的培养尤为关键2-3。材料力学课程教学内容与固体力学和机械联系较为紧 密，很多开设材料力学课程的专业，并无金工实习和金属材 料学等相关教学环节，因此学生在接触材料力学相关理论 知识时可能会遇到一定困难4。石

8、油工程专业本科培养方 案中包含了金工实习，一定程度上缓解了这种不利影响，但 学生对于变形和失稳等现象依然理解困难。此外，目前材 料力学课程的教学示例与石油工程关联性不足，导致石油 工程专业本科生无法将所学知识运用到后续专业主干课程 的学习中，不利于学生形成知识体系，降低了应用型人才培 养效果。针对这一现象，本文探讨一种适用于石油工程专 业本科生的材料力学教学模式改革方法,选取代表性强、难 度适宜的石油工程相关材料力学教学内容，依托数值模拟 软件可视化、互动性、可重复性强的优点开展教学。这种方 法不仅能够提升学生对材料力学知识的理解，也能够培养 学生解决石油工程实际问题的能力，逐步形成符合本科培

9、 养方案的系统性石油工程知识体系。1教学模式改革可行性分析本文主要从教学团队和数值模拟平台两方而，分析教 学模式改革的可行性。教学团队由中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学 院和中国石油大学（北京）石油工程学院的多名教师组成， 具有整合后的优势教学资源和依托油田生产现场的一手工 程数据。团队教师具有多年理论力学、材料力学、石油工程 岩石力学基础等力学相关课程的教学经验，承担多项教学 改革项目，形成了针对石油工程专业内固体力学问题的系 统性教学方法，能较好地把握石油工程专业的核心力学问 题。此外，团队成员均长期承担石油工程行业的力学相关 科研工作，作为一线科研骨干，具有丰富的工程实践经验， 长

10、期通过数值模拟和室内物理实验手段开展研究，能够发 现油田生产一线中的材料力学相关问题，并具备将复杂工 程问题合理简化后引入本科生教学的能力。在数值模拟平台方而，近年来，随着计算机技术和相关 软件的飞速发展，数模技术已经成为理论研究和物理实验 研究外的另一种重要研究方法，被广泛运用于石油工程领 域。数值模拟软件利用有限差分、有限休积、有限元等数值 方法，具备解决各种尺度工程问题的能力。借助性能良好 的超级计算机，某石油公司开发的GigaPOWERS模拟器能够 模拟超过6000万个网格的超大型油藏模型5。此外，随着 数值模拟软件的兴起，越来越多的研究型大学开始引进如 ABAQUS、COMSOL、R

11、FPA、ANSYS等具有代表性的软件工具。这 些软件不但能够帮助学校开展科学研究工作，也能够辅助 本科生教学工作6。上述软件均具有计算固体力学相关问 题的能力，对于本科生材料力学课程中均质性强、结构相对 简单的问题，能够准确、高效地进行计算与求解，为本文提 出的教学模式改革提供了重要的方法支撑。而且，此类软 件均设计了可视化窗口，能够生动地展示变形、应力、材料 失效等随着载荷施加的变化过程，也能够生成动画、云图和 曲线图，便于向学生展示。学生可参考软件手册，通过用户 界而与软件互动，自主探索各个物理量与物理过程，有助于 激发主观能动性、加深对相关知识的认识。2基于数模平台的教改探索已有的石油工

12、程专业本科材料力学课程常采用理论授 课结合演示性实验的方式。理论教学主要介绍拉伸、压缩 与剪切、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力应变分 析、强度、组合变形、压杆稳定等内容7；演示性实验主要展 示金属样品的拉伸和压缩等，并展现其破坏过程。材料力 学课程的很多教学内容是从机械、土木相关行业中提炼总 结而来，而向石油工程专业本科生讲授时可能不够直观，导 致学生对于材料力学模型和适用情况的理解不够深刻。因 此，如何能够将抽象的材料力学现象（例如材料失效、应力 集中等）较为直观地向学生展示，显得尤为关键。如果不能 有效改进教学方法，可能导致学生积极性下降、新知识接受 程度低，进而影响教学质量。为

13、了解决这一问题，本次教学模式改革引入COMSOL商 业数值模拟软件为平台，探讨有限元方法在教学改革中的 作用。该数值模拟平台能够针对固体力学、流体力学、传质 传热等多种不同的物理现象进行定量计算，表征各主要物 理量随时间和空间的变化规律，得到业内广泛认可。固体 力学模块可以模拟常见金属材料的拉伸、压缩、扭转、弯曲 等过程，而且可以利用其庞大的材料数据库，快速准确地导 入所研究材料的力学参数,通过设置初始条件和边界条件等， 仿真模拟各种典型材料力学现象。固体力学模块还预设了线 弹性、非线弹性、弹塑性、土壤塑性等多种应力应变本构关系， 能够较好地展示不同材料特性的变形、破坏情况。传统教学方法中的演

14、示性实验，是通过对铸铁和低碳 钢等材料施加外部载荷，向学生展示材料变形与破坏的过 程。这一方法直观、表现力好，能够辅助学生巩固相关知识 点。但是，演示性实验需要耗时、耗费实验材料，针对不同 教学班级的学生，需要分组多次、重复开展实验，受场地和 实验条件等因素的制约，部分学生无法充分地观察、分析整个 实验流程，影响了教学效果。针对这一问题，在“理论授课+演示性实验”教学方式的基础上，引入COMSOL数值模拟平台，将 实验过程在计算机可视化平台上多次、反复展示。不同于物 理实验，数值模拟平台开展仿真模拟研究可以快速分析多种 不同载荷条件、材料条件等，可拓展性更强。且数值模拟平台 受室内物理实验场地

15、、耗材、高温高压设备安全规范的影响较 小，比较适用于开展可视性、互动性强的教学工作。在已有教学模式（课堂讲授理论+教学演示性实验）的 基础上，加入依托仿真数模平台的可视性、互动性较强的教 学内容。该模式综合了课堂理论讲解、室内物理实验演示 和仿真数模平台的优势，从多个维度出发，而向石油工程专 业本科生讲授材料力学知识点。对于需要着重讲解的理论 知识（如本构关系和强度准则等），加强概念、推导，弱化物 理实验和仿真数模，尽可能使学生牢固掌握基本理论知识。 而对于例如“拉伸/压缩时的材料力学性能”这种需要将抽 象概念可视化的内容，则应着重利用仿真数模平台演示，通 过用户界而提高拉伸、压缩时应力应变的

16、可视化程度，指导 学生掌握基本的界而交互方法，引导学生自由探索全仿真 过程数值模拟结果。例如，依托COMSOL平台的固体力学模块，根据研究材料 的不同给定研究样品的尺寸和力学性质，并设置不同的边 界条件（边界载荷）。然后开展数值模拟，仿真材料拉伸/压 缩的过程。模拟完毕后，利用仿真数模平台的可视化功能， 展示各时间节点的变形、应力、强度失效情况，利用动画、云 图等增进学生的理解。仿真数模平 台能够具体展示材料内部空间各点 各物理量随着时间变化而发生的变 化，弥补了在室内物理实验中学生无 法充分观察和分析材料内部的不足， 增强了实验展示的全而性。学生掌 握了用户界而的交互功能后，能够自 主调整载

17、荷、而积、构建结构、材料力 学性质等，自由探索各个物理量对材 料力学各特性的影响，激发了求知 欲，初步形成科研探索思维，加深了 对材料力学抽象概念的认知与理解。3教学案例展示本文以砂岩岩石样品压缩过程 的仿真数模为例，展示针对石油工程 专业本科生的材料力学“三向应力状 态”教学案例，描述仿真数值模拟平 台在教学过程中的角色与作用。在 材料力学课程中，拉伸与压缩部分的 教学较为靠前，在课程后半段进入应 力应变分析和强度理论的讲授后，乂 出现了三向应力状态的知识点。石 油工程专业开设材料力学课程的时间为大二上学期，此时 很多学生尚未形成抽象分析三维空间内应力的能力，以张 量形式存在的应力十分抽象、

18、难以具象化，学生在学习该内 容时感觉难度较大。为了讲好这一部分内容，帮助石油工 程专业学生初步建立力学知识体系，本案例通过COMSOL平 台搭建三维均质砂岩岩心压缩数值模拟模型。图1石油工程本科材料力学教学模式改革示意图首先，向学生展示从油气藏储层中获取的砂岩岩心 及根据其力学特性和几何尺寸建立的数学模型（图2）。 由于多数学生未接触过有限元数值模拟方法，教师需要 通过科普性讲解使学生理解建立三维网格的必要性。砂 岩岩心直径25mm长50mm，利用有限元网格将其还原。基 于已有岩石力学的实验分析，确定该岩心样品弹性模量 为17GPa、泊松比为0.20、密度为2600kg/m3图1石油工程本科材

19、料力学教学模式改革示意图砂岩岩心仿真模型径向载荷径向载荷4结语相比石油工程专业，材料力学课程的内容设置与机械 和土木等专业联系更加紧密。材料力学作为石油工程本科 必修课，地位十分重要。为了进一步提高石油工程专业本 科生对材料力学相关知识的掌握程度，保证教学质量，促进 学生将材料力学知识灵活运用于石油工程专业，本文提出 了一种基于仿真数值模拟平台的材料力学教学模式改革方 法，利用COMSOL仿真平台建立简化力学模型，开展变形和应 力分析。该平台可视化程度高、用户界而互动性强、操作简单图2砂岩岩心三向应力状态分析数值建模便捷,能够有效提高学生的参与程度和学习热情，帮助学生更 好地理解相对抽象的力学概念，做到活学活用，最终达到提升 教学