研究生工程虛擬與物理場仿真創新實踐平臺建設與探索

丁宇奇　劉巨保　羅敏　張強　李治淼

摘要：介紹了東北石油大學以培養研究生創新實踐與解決工程問題的能力為建設目標，通過工程虛擬與物理場仿真創新平臺的建設，結合多學科共同發展，全面塑造研究生創新能力的平臺建設規劃情況。通過對多學科的整合，以科研課題與工程案例為建設手段，通過虛擬仿真平臺對科研課題進行虛擬仿真，增強研究生創新實踐能力，達到解決工程實際問題的能力。

關鍵詞：虛擬仿真平臺；創新能力；工程案例

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0107-02

當前，世界正處于大發展大調整大變革之中，經濟全球化深入發展，科技進步日新月異，加快人才培養成為在國際競爭中贏得主動的重大選擇，具有創新實踐能力的高層次人才成為推動經濟轉型、創新發展的關鍵。隨著高校研究生招生規模不斷擴大，如何培養綜合素質較高的創新型人才已成為各高校研究生教育工作的重要課題。自從2003年春教育部啟動“研究生教育創新工程”以來，許多高校掀起了研究生創新實踐基地建設的高潮。而伴隨著高等教育改革的不斷深化，傳統的教學模式受到場地、設備等眾多因素的限制，極大地制約著研究生創新意識和創新能力的培養。而計算機技術的飛速發展，使工程數值仿真計算軟件已成為工程設計與分析的重要工具之一。

開發出工程虛擬仿真與物理場仿真平臺，可以實現一些教學功能，在教學中使用虛擬現實，可以充分調動學習者的感官和思維，使觀察的實物能夠更生動地體現在學習者的面前，甚至還可以進入到內部觀察。多層次、多結構的虛擬化平臺是培養高水平研究生人才的關鍵。

通過工程虛擬仿真與物理場仿真創新實踐平臺的建設，可以提高我校研究生創新能力、實踐能力、科研能力以及計算機應用能力，培養獨立承擔專業技術與管理工作、具有良好職業素養的高層次工程人才。

一、平臺建設可達到目標

結合本校研究生創新教育特色，依托地球科學學院、石油工程學院、機械科學與工程學院、土木建筑工程學院、電氣信息工程學院。以培養具有卓越工程師水平的高層次應用型人才為目標，建設集程序編寫、系統建模、仿真實踐和工程案例于一體的工程數值仿真計算平臺，滿足我校多個專業領域的研究生創新實踐和科研能力的提高需要，著力提高專業學位研究生實踐能力和職業素養，促進專業學位研究生綜合素質和創新能力的提升。

同時，該平臺建設將給教師提供一個良好的教學手段，促使學生自主學習，培養學生計算機應用能力、創新精神和實踐操作能力，彌補了一些大型試驗無法開展的弊端，為諸多創新實踐活動提供平臺。

虛擬平臺的建設可以根據專業特點的相同或不同為實驗發掘點，同時兼顧不同層次學生的需求，在實驗平臺上提供多樣性、專業性的實驗項目。虛擬實驗平臺可以應對對象的多元化、實驗項目可以重組、平臺結構開放等特點。

綜上，通過本平臺建設，可針對多個專業領域學位研究生在專業學位研究生教育、工程仿真數值計算、研究生創新實踐能力、科研能力方面得到提高。

二、平臺主要建設方法與步驟

結合本校研究生教育特色，本平臺主要針對工程應用中的地質工程、石油與天然氣工程、機械工程、建筑與土木工程和電氣工程開展建設。

為了更好地進行創新實踐平臺建設，降低平臺建設風險，將采用分階段建設：

第一階段：創新實踐平臺基礎軟件環境搭建（為創新實踐平臺提供基礎條件）；

第二階段：創新實踐平臺多人次沉浸式實踐環境搭建；

第三階段：多學科、多專業研究生科研創新能力培養與案例庫建設。

首先進行第一階段的建設，建設一個跨學科、能運行、貼近工業實際，集工程應用、工程改進、計算軟件開發應用于一體的綜合性工程數值計算實踐平臺軟件環境。

第二階段，將第二課堂和科技活動有機結合起來。實現多人次，多方科研方向工程數值仿真計算實踐平臺拓展課程建設內容。

第三階段，依據各專業領域技能、平臺支撐和特定場景實踐環節建設創新訓練項目，初步進行創新實踐建設，具體如下：

1.地質工程類工程數值計算研究生創新實踐建設。圍繞石油地質中的液-固耦合問題進行研究。開展斷層再活動地層中的應力及應變分布、分析流體運移的優勢通道、流體運移方向與運移趨勢、模擬巖石力學的單軸實驗以及三軸試驗、地震對地層結構的影響數值模擬、預測裂縫及其發育程度、分析巖漿侵入體對巖層的影響等問題的研究。發揮專業研究生的創新思維和創新設計方法，為石油地質問題的研究提供仿真計算平臺。

2.石油與天然氣工程類工程數值計算研究生創新實踐建設。開展地應力場反演、井壁穩定研究、壓裂、防砂等方面的研究，進行區塊重復壓裂應力場和滲流場研究、煤層氣有利勘探區應力場和壓力場研究等研究生創新項目。為井網部署、壓裂設計、洗井方案設計及工具或設備的優化設計提供研究手段。通過平臺的建設，能夠改善數值模擬仿真方面的學習條件，學生能夠自主地運用工程數值計算軟件完成油氣田開發、鉆井、采油及集輸方面的工程問題，能夠提高學生的學習和研究能力。

3.機械工程類工程數值計算研究生創新實踐建設。圍繞石油、石化典型設備力學問題進行研究。開展石油鉆采管柱力學研究、石油鉆采機械新產品研發、管道振動分析與控制技術、石化裝備應力分析與強度評價理論的研究。在石油鉆采管柱力學分析方面：主要以直井、定向井、水平井、分枝井、老井加深以及深井、氣井、稠油井中的鉆柱、套管串、油管柱、抽油桿柱為研究對象，進行非線性靜力學分析和動力學仿真、流固耦合分析。為井下桿管柱設計、工藝參數優化、事故分析與預防提供技術支撐。在石油石化裝備有限元分析與強度評價方面：主要針對石油石化裝備中的塔、儲罐、井架等設備，應用有限元理論進行變形和應力分析，為這些裝備的結構優化設計、可靠性分析和強度評價提供理論方法。使學生能夠深入了解工程背景，為提高解決工程實際問題，提高科研能力與科研水平奠定基礎。

4.建筑與土木工程類工程數值計算研究生創新實踐建設。圍繞組合結構力學性能研究、鋼結構穩定研究、特種結構力學研究、鋼-混凝土組合結構溫度場研究、埋地管道和架設管道的抗震研究進行創新實踐建設。通過平臺對一些新型結構體系（新型的鋼混組合結構、框架結構、特種結構）進行數值模擬，開展靜力分析、擬靜力分析、模態分析、諧響應分析和動力瞬態分析，獲得結構的靜力與動力響應，為進一步開展結構的設計與理論研究奠定基礎。提高學生一定的專業水平，補充課外的專業知識，提高科研能力及動手能力。

構建高仿真的虛擬實驗環境進行教學，使實踐訓練及時跟上相關技術的發展，能夠有效解決土木工程類專業實踐教學中遇到的各種技術困難，培養學生的工程實踐能力，達到培養高素質人才的目的。

5.電氣工程類工程數值計算研究生創新實踐建設。圍繞非接觸電能傳輸技術研究進行創新實踐建設。利用ANSYS有限元分析軟件進行“組合蜂窩式非接觸電能傳輸技術研究”，同時對電氣工程領域中，仿真分析電場、磁場、電磁場以及發熱分析和損耗分析等，對于研究生進行研究性學習和教師科研具有重要的支持意義。

三、結語

研究生的教育是我國高等教育的最高層次的教育，也是我國發展人才的重要來源，在研究生的教育培養過程中，提高研究生的各項能力，均衡發展是至關重要的。構建豐富的教育平臺，有助于研究生科學的學習與創新能力的培養。

通過對多學科多專業研究生教學實踐平臺的建設，將課堂教學、平臺實踐教學和科研方向有機結合起來。依托工程數值計算與仿真實踐平臺，拓展課程建設內容，并提高研究生創新實踐能力。有利于深化教學內容改革、促進數值仿真內容更新，大幅度提高設計性、創新性、綜合性課程的比例，實現學生設計性和創新性實驗的夢想，更好地拓展學生創新性思維，培養高質量創新性人才。

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