工程实例教学在石油机械类本科工程力学课程中的应用

摘要：本文主要讨论了如何在石油机械类本科工程力学课程教学中融入工程实例，进而深化石油机械类本科专业学生对工程力学课程中重要基本概念的认知理解。现场实际的石油机械工程实例的引入，有助于学生理解工程力学课程与本专业领域的关系，培养学生的工程意识及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，同时有助于增加课程的实用性、创新性及趣味性。

关键词：工程实例教学法；工程力学；管道

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0174-02

一、引言

《工程力学》是一门联系工程实际与理论科学的工科专业课程，既是工程类专业的基础课程，又与生活及工程实际联系紧密，具有较强的理论性和实用性。目前很多高校的工程相关专业都开设了该课程，对于石油机械类本科专业的学生而言，力学知识的掌握及运用直接影响了学生的工程問题解决能力。在全国范围内，各高校开展的工程力学课程普遍存在教学内容陈旧、教学方法单一、教学质量下降等问题[1]。因此，如何结合各高校的专业特色及专业学科的特点，探索出一种实际与理论结合的创新式工程力学教学方法，如何将工程力学实例融入工程力学课程的教学，遵循学生培养大纲及知识接受能力，实践出一条理论性与趣味性完美融合的工程力学教学路径，已成为各高校力学教师急需解决的问题。

二、工程实例教学法在教学中的应用

工程实例引入教学法不是简单地引入工程中的实例进行例题分析与讲解，而是在教学基本知识和内容要求的基础上，选择适当的工程或生活实例，通过对这些实例的观察、分析、建模、提出问题并解决问题。在分析过程中引入课程要求的概念、原理和方法，加深学生对书本知识的认识，培养其创新能力[2]。《工程力学》作为一门工程应用性很强的专业课程，相关的工程实例非常丰富。然而，教师在选择工程实例时，应考虑其既满足教学大纲与课程进度的需求，又有助于学生在日后的工作与学习中的工程力学知识的运用，同时更要有助于掌握解决实际工程问题的能力，因此，如何合理选择工程实例也是力学授课教师需要思考的问题。

三、石油机械工程中的力学实例

我国石油资源丰富，目前石油储量增长的主要领域在西部和海上，然而随着油气田的开发不断向深地和深水发展，其存在的力学问题也日益突显，急需一批专业人才来解决这些问题，以提高我国油气资源开采技术的核心竞争力。石油工程及海洋油气工程领域存在大量管柱结构，其受力变形行为都可归结为工程力学中杆梁结构的强度、刚度和稳定性问题。为使石油机械类本科学生了解工程实践，掌握工程力学基本概念，提高借助理论知识解决工程问题的能力，可将石油工程及海洋油气工程中典型实例融入工程力学的教学中，描述工程背后的力学问题，介绍其力学分析方法，从而提升学生在工程实际中解决问题的经验和能力。

综上，在结合石油类院校特色的同时，充分利用授课教师的科研经验，将石油工程与海洋油气工程中的力学实例引入工程力学的课程教学中，以增加学生在解决工程实际问题方面的知识储备。以下略举几个例子说明：

实例1：钻杆的拉伸

在石油、天然气开采过程中，钻杆不仅是钻井液的循环通道，而且在旋转钻井中需要传递扭矩，承受内外压力、轴向、弯曲、扭转等多种载荷的共同作用，同时还受到钻井液、地层水以及油气中的腐蚀性介质的腐蚀，在钻进过程中常常发生失效，造成井下事故[3]。例如：井口处钻杆由于起下钻时的惯性作用而承受着较大瞬间陡增的冲击载荷，致使拉应力大幅度上升，另一方面在处理复杂井下事故如“卡钻”上提钻具解卡时，井口钻柱拉应力最大，很容易因拉应力超过钻柱本身抗拉极限而发生断裂失效。

可将该钻杆拉伸失效问题与工程力学中的“材料拉伸时的力学性能”一章相对应，通过对钻杆的拉伸测试来强化学生对材料拉伸应力-应变曲线中屈服、强化、伸长率、断面收缩率等概念的理解。

实例2：水下脐带缆的扭转

脐带缆是海洋油气开发的重要装备之一，其本质是一个由管道、光缆、电缆以及填充物所组成的复合型管缆。脐带缆起到了连接水下生产系统以及海面控制系统的功能，为水下生产系统提供其正常工作所必需的电力、液压动力以及化学药剂，同时传递控制数据信号；脐带缆在保证海洋油气开发安全、稳定工作方面起着不可或缺的作用，被誉为海洋油气开发的“生命线”[4]。

扭转荷载相对于拉伸以及弯曲来说属于次一级荷载，其主要出现在安装工况中。早期脐带缆结构简单，应用海况温和，脐带缆的安装相对简单，对脐带缆的扭转性能要求不高。近年来，随着深水脐带缆数量的增加，在脐带缆安装过程中出现了扭转破坏，这对脐带缆的扭转性能产生了新的要求。

可将脐带缆扭转性能分析与工程力学中“扭转”一章相对应，分析脐带缆承受扭矩与其转角之间的关系，以强化学生对扭矩、极惯性矩、抗扭截面系数等概念的认识。

实例3：石油套管的弯曲变形

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行。每一口井根据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。然而地壳内部的运动、地层（油层）的非均质性、油层倾向、岩石性质、地层断层活动、地层腐蚀等将导致井下服役石油套管损坏。套管中的弯曲现象是非常普遍的，可以单独出现，也可以伴随着变形或错断一起出现[5]。

可将钻井套管弯曲问题与工程力学中“弯曲应力”、“弯曲变形”一章相对应，分析不同地层压力对于套管弯曲变形的影响，加强学生对弯曲正应力、弯曲剪应力、挠曲线等概念的理解。

实例4：海底管道的屈曲

管道的屈曲主要是指管道的失稳，通常可以分为局部屈曲与整体屈曲两种形式。局部屈曲是指管道在内外压、轴力、冲击等载荷的作用下产生的局部失稳形式；整体屈曲又叫欧拉屈曲，即把整个管道看成欧拉杆，在轴向力作用下发生的失稳形式[6]。按管道屈曲的方向，分成侧向屈曲与垂向屈曲（隆起屈曲）两种形式。隆起屈曲属于整体屈曲，当管道发生隆起屈曲时，管道会产生较大的弯矩以及较大的塑性变形，甚至可能进一步出现裂纹、疲劳、局部屈曲。

可将该问题与工程力学中“压杆稳定”一章相结合，分析管道受到的轴向载荷，如铺设过程中产生的张力、管道运行过程中由于温度的变化所产生的轴向载荷，以及管道与海底的摩擦、管道与沟槽之间的摩擦等因素对管道稳定性的影响，使学生对杆梁结构的稳定性问题深入理解。

四、结束语

综上所述，在石油机械类本科生工程力学课程教学中，采用实例引入法，结合课程内容特点在相关知识点中添加与石油工程、海洋油气工程密切相关的工程实例，可以使学生增加学习工程力学课程的兴趣，积累分析工程实际问题的经验，为今后的学习奠定良好基础。力学教育改革的探索是一个长期的过程，教师应重视理论与实践结合、知识与能力并重的教学理念，以满足高等学校应用型人才培养的需要。

参考文献：

[1]刘新柱，王冬，潘佳卉.基于创新能力培养目标的工程力学教学改革与实践[J].黑龙江教育，2014，1089（1）：39-40.

[2]刘捷，汤克勇.工程与科研实例引入法在材料学专业《工程力学》教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2012，（8）：65-66.

[3]邓宽海，林元华，郭海涛，周明信，沙东，史交齐.G105钻杆的拉伸和扭转失效研究[J].石油钻采工艺，2013，（6）：5-8.

[4]贺语.水下生产系统脐带缆基本扭转性能分析设计研究[D].大连理工大学，2017.

[5]孙姜锐.石油套管弯曲变形的仿真分析[J].现代制造技术与装备，2009，（3）：9-10.

[6]车小玉，段梦兰，曾霞光，谭双妮，庞熠骞.海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究[J].海洋工程，2013，（5）：103-111.