石油工程全日制專業碩士《現代CAE》課程改革
——以現場應用為目的

于浩，林鐵軍，練章華，張強

（1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都；2.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都）

一 引言

CAE的全稱是Computer Aided Engineering （計算機輔助工程），主要以有限元數值模擬技術為基礎，綜合計算力學、計算數學、工程管理學以及現代計算技術綜合形成的一門知識密集型學科。目前，CAE技術在土木工程、海洋工程、電子機械、航天航空、石油化工等工業領域以及企業的產品開發、優化設計中具有舉足輕重的作用[1]。近十年來，現代CAE技術在石油工程中應用也是極其廣泛，王莉莉、付世博等[2]利用有限元方法對立式儲罐進行靜力學分析，通過開展焊縫中的裂縫起裂、擴展的數值模擬研究，評估了儲罐的剩余強度，實現了儲罐的設計優化及其安全服役壽命預測；王磊、練章華等[3]應用ANSYS軟件建立了鉆柱的扭轉振動有限元模型，經過合理假設和模態分析技術計算分析得出了鉆柱扭轉振動規律；祝效華、劉少胡等[4]針對現有套管防磨工具使用壽命短和壓耗大的問題，應用CAE和CFD技術分析了其過流壓耗及間歇碰撞滾滑狀態下的工作應力，提出了有針對性的改進措施；薛繼軍、郭誼民等[5]應用現代CAE技術，針對ZJ30/1700CZ鉆機井架穩定性及力學強度開展了數值模擬分析，獲取了不同振動載荷下井下失穩的臨界模態參數，為鉆井井架承載能力評估提供了理論依據。

高等院校承擔著為國家培養和輸送高素質人才的責任，根據社會發展的需要，許多工科類院校已經開設了計算機輔助工程（CAE）相關類別課程，而且該課程是應用型人才培養體系的重要組成部分[6]，圖1所示為西南石油大學《現代CAE》課程上課人數及專業型碩士和學術型碩士人數百分比，可以看出從2014年到2020年，選修《現代CAE》課程的碩士研究生人數從193人增加到400人，并且專業型碩士研究生在選課總碩士研究生的比例也是逐漸增加，這反映了石油工程碩士研究生《現代CAE》課程的興趣逐漸增加，尤其是專業型碩士研究生越來越重視《現代CAE》課程。圖2是西南石油大學碩士論文中數值模擬占比，可以發現數值模擬內容在碩士論文中占比逐年增加，并且專業型碩士研究生在畢業論文中涉及數值模擬內容占比更多。這些都說明了《現代CAE》課程在碩士研究生培養中的重要性，但是該課程屬于多學科交叉且專業性非常強，這些有別于傳統的基礎課程。目前，《現代CAE》課程的授課對象是全日制碩士研究生，對于專業型碩士和學術型碩士的授課方式、授課內容、授課學時及培養目標上都沒有進行區分。事實上，現有的CAE教學體系沿用了傳統的教學模式，更適用于學術型碩士研究生的培養，而對于專業型碩士研究生，需要結合石油工程專業特點和企業的需求，開展課程內容和教學方式的改革，探索新的培養體系。

圖1 西南石油大學《現代CAE》課程上課人數及專業型碩士和學術型碩士人數百分比

圖2 西南石油大學數值模擬在石油工程碩士論文中的占比

二 專業型碩士的定義及其與學術型碩士的區別

全日制專業碩士指的是經濟社會發展急需的應用型和工程研究型人才，按照“全面、協調、可持續”的要求，實現研究生教育的分類培養，結構優化；運用“統籌兼顧”的方法，實現應用型與學術型高層次人才培養的共同發展[7]。

自2009年開始，針對目前的學位制，教育部進行了深化改革，包括對于研究生培養理念的改革，為了滿足和適應國家對于高新人才的需求，從應屆畢業生中招收人才作為專業型碩士的培養目標[8]。全日制專業碩士與學術型碩士在培養方案和目標上具有顯著的不同，專業型碩士重點不側重于學術上的研究，而在培養出工程能力強的現場應用型人才，致力于社會的發展。從2010年開始，根據教育部發布的政策和要求，逐步降低招收學術型碩士的數量，而全日制專業碩士人數得到相應的增加[9]。

三 石油工程全日制專業碩士培養要求

石油工程碩士應當擁護中國共產黨的領導，掌握中國特色社會主義理論，積極踐行社會主義核心價值觀，身心健康，具有嚴謹學風和一定的創新能力。在學術上要對本學科具有豐富的理論知識和較深入的專業儲備，具備一定的實驗操作或軟件編程、軟件應用能力及外語讀寫能力[10]。石油工程學術型碩士主要從事本專業范圍內相關研究方向的科學研究、工程設計和技術試驗工作。而專業型碩士采用“雙導師制”，側重于培養出能夠在工程實踐中進行科技攻關、技術開發、工程設計與施工、工程規劃與管理高層次工程技術人才。

專業型碩士專業實踐環節檢驗學生對所掌握的理論知識的必需途徑，而在實踐中的不斷積累并達到較高的技能是培養的最終目標[11]。由于平時的課程學習和案例研究具有一定的局限性，導致大多數全日制專業學位研究生沒有足夠的經驗，所以為學生設立專業時間環節是必要和必需的，在專業實踐中去檢驗理論知識，積累操作經驗，為以后進入職場打下基礎。校外導師對學生的實踐作出具體指導，達到理論與油田相結合的目的。專業型碩士在工程實踐期間將自身所學知識應用于工程實踐，推動現場施工有序進行，同時專業型碩士也從實際工程中積累經驗，盡早適應未來所從事的崗位環境，因此，工程實踐環節是石油工程專業碩士非常重要的一個環節。由于石油工程專業型碩士培養的特殊性，結合相關的具體要求是很有必要的。

(一) 專業背景要求

石油工程全日制專業碩士依靠石油行業背景，石油院校培養出來的專業碩士最終走向石油企業或公司，從事石油工程相關工作。因此，每一位專業碩士要掌握扎實的專業知識以及石油行業的一些新知識、新技術、新方法，而學生能夠將所積累的理論知識和經驗應用于實際工作中是檢驗其學習成果的唯一標準，學有所成的高素質人才也必將會為我國石油行業的進一步發展發揮作用。

(二) 因材施教

全日制專業碩士的培養旨在培養應用型人才，課程安排中除安排所修課程外，專門設置了8學分的專業實踐課程，實踐課程總時間要求不小于一年。通過學校與石油企業建立聯合培養基地，專業碩士在油田或者單位進行結合現場實際的本專業學習，在學習過程中專業碩士能夠將所學知識與實際工況相結合，既能用所學知識對工程提出可行性建議，也能夠從工程中學到課堂上學不到的知識，進一步提升專業碩士現場應用、解決問題的能力。

(三) 企業人才需求

石油工程專業碩士就業于石油行業及其相關企業，企業需要能力強、掌握工程技能多的畢業生。專業型碩士因掌握更多工程應用型軟件而有利于工程實踐活動，以現代CAE相關軟件為例，石油工程中諸多方面可采用現代CAE軟件進行輔助工作，能夠高效解決工程難題。因此，專業型碩士應當掌握工程輔助型軟件的使用，提升自我綜合能力，從而為企業輸送高效、高質量人才。

(四) 社會經濟建設需要

專業型碩士的起源是為了滿足社會發展的需要。我國仍處于發展中國家，需要高層次人才投入到國家建設之中，需要學術型碩士從事研究，因此國家大力推動專業型碩士的培養，從而推動我國經濟建設。

四 CAE課程對于石油工程全日制專業碩士的重要性

石油工程專業碩士未來主要從事鉆完井工程、油氣開采工程、油藏地質工程以及油氣儲運工程的技術創新與現場指導工作。在工程實踐中，現代CAE技術發揮著重要作用。以鉆井過程中鉆柱在井眼內的運動為例，實際鉆井過程中鉆柱在井眼內的運動非常復雜，鉆柱的受力、彎曲變形、與井壁接觸等情況不能被地面上的技術人員全面了解。因此，采用現代CAE有限元方法模擬鉆柱在井筒內的運動情況，采用這種方法可以直觀地認識到鉆柱在井筒內的運動、受力等情況，進而分析鉆井時鉆柱是否會發生失效，有了這種預測分析，現場技術人員便能及時采取預防措施，避免鉆井過程中事故發生。

隨著現代CAE技術的不斷發展，該技術在石油工程中的應用越來越廣泛。將現代CAE與石油工程相結合，通過現代CAE的模擬、預測、評價和優化既能實現石油工程技術創新，同時也能提高石油開發方案設計質量，有效減少開發成本和周期，提升經濟效益。

五 《現代CAE》課程對于專業型碩士的教學改革

《現代CAE》課程面向專業型與學術型碩士，但在教學內容上對于兩者有著明顯的區別。學術型碩士更多的是注重對于學生理論知識的傳授，和對其創新能力的激發與培養，而專業型碩士注重現場應用與解決問題。對于專業型碩士，課程改革目的在于突顯現代CAE的應用性、實用性以及廣泛性，通過課程改革旨在解決教育實踐中石油領域的具體問題，更具針對性和緊迫性，對于教育教學效果、質量的提高更具有實質意義；改革是為教育實踐而展開、在教育實踐中進行的，不僅應使學生理解、掌握學科知識，而且應促進學生智能、思維、個性的發展；改革實際意義在于，它能完善CAE課程的教學內容，提高教師的教學水平，提高學生的專業水平，為企業輸送高效、高質量人才，為行業發展做出貢獻。

以《現代CAE》課程經典實例對稱孔板應力分析為例。有一個尺寸為20mm×20mm的方板，厚度為1mm，中心圓孔半徑為1mm。彈性模量E=2×105N/mm2，泊松比為0.3，底部和頂部受拉力為10N/mm2，如圖3所示。由于對稱性，只取孔板的四分之一來建立模型。分析方板內的Mises應力及其y方向的應力分布。

圖3 受均布載荷的帶孔平板

針對上述同一問題，學術型碩士的培養目標是可以明確孔板受力變形問題背后抽象的力學問題，并且從力學的角度對該問題進行擴展、延伸及應用，在研究基礎上進一步推動力學的發展。而對于專業碩士的培養目標，應該通過對孔板受力變形模擬計算結果的分析，將其與實際鉆井過程中鉆開井眼相聯系，即圓孔對應井筒，板對應井周巖石，如圖4所示的井眼內實際情況。利用現代CAE技術對孔板受均布載荷時的應力分布可知，孔板上應力集中分布于圓孔附近，即說明實際鉆進時，鉆開井眼井周應力分布最大，井壁容易發生垮塌事故，通過對計算結果的分析，進而合理選用套管進行固井工作，確保鉆井工作的正常進行。通過現代CAE技術的預測性分析，研究鉆井過程中地層應力場發生變化時井壁的穩定性，從而將研究結果直接應用于現場作業，這種理論與實際相結合的教學方式真正意義上培養了專業型碩士的實際應用能力。因此，基于專業碩士應用能力的培養要求和特點，《現代CAE》課程應當改革以下幾個方面。

圖4 實際井眼情況

(一) 教學課時的安排

根據CAE主流商業軟件應用的現狀和趨勢，合理安排相關教學內容，適當增加學生對目前商業軟件的操作，盡可能多地學習并掌握主流CAE軟件的使用以適應不同的工作環境，并提高學生使用CAE軟件解決石油工程問題的能力。

(二) 結合石油工程其他專業課，擴大現代CAE的應用

《現代CAE》課程是一門綜合性學科，它的應用存在于多方面。在針對專業型碩士的教學中，強調該課程與其他石油工程專業工程的相融性，使得學生掌握多方面知識，進一步提升現代CAE在石油工程中的應用。

(三) 以實驗室相關項目推動專業型碩士的培養

以校企項目分析驅動課堂教學的模式。避免單一的教材實例分析，用具體的項目讓學生學會利用平時積累的知識和經驗開展討論和分析，獨立而完整地完成從分析問題到查閱資料再到建模最后得出結果的整個過程，是對其專業學習的檢驗與強化。

(四) 理論聯系實際的教學方法

現代CAE技術涉及數學、結構力學、有限單元離散分析法、數值分析等多學科知識，因此在教學環節中，結合專業型碩士研究生工程實踐過程遇到的實際石油工程具體問題，培養學生有限元數值模型建立、網格優化、邊界條件分析等CAE技術運用和處理的能力，在實例分析中對理論知識進行講解和深化。

六 結語

全日制專業碩士的培養具有重大戰略意義。對于石油工程而言，不同于學術型碩士的培養，專業型碩士的培養突出專業型碩士的現場工程應用特點，大力培養實踐能力。因此重視專業型碩士對于現代CAE實踐性的培養，將現代CAE真正作為一種解決實際工程問題的有效手段，從而培養出高質量的達到國家認可的全日制專業碩士人才。當這些學生走向社會，從事國家建設活動時，他們有能力解決實際問題，為社會的建設、國家的發展做出貢獻。