研究生工程虚拟与物理场仿真创新实践平台建设与探索

丁宇奇　刘巨保　罗敏　张强　李治淼

摘要：介绍了东北石油大学以培养研究生创新实践与解决工程问题的能力为建设目标，通过工程虚拟与物理场仿真创新平台的建设，结合多学科共同发展，全面塑造研究生创新能力的平台建设规划情况。通过对多学科的整合，以科研课题与工程案例为建设手段，通过虚拟仿真平台对科研课题进行虚拟仿真，增强研究生创新实践能力，达到解决工程实际问题的能力。

关键词：虚拟仿真平台；创新能力；工程案例

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0107-02

当前，世界正处于大发展大调整大变革之中，经济全球化深入发展，科技进步日新月异，加快人才培养成为在国际竞争中赢得主动的重大选择，具有创新实践能力的高层次人才成为推动经济转型、创新发展的关键。随着高校研究生招生规模不断扩大，如何培养综合素质较高的创新型人才已成为各高校研究生教育工作的重要课题。自从2003年春教育部启动“研究生教育创新工程”以来，许多高校掀起了研究生创新实践基地建设的高潮。而伴随着高等教育改革的不断深化，传统的教学模式受到场地、设备等众多因素的限制，极大地制约着研究生创新意识和创新能力的培养。而计算机技术的飞速发展，使工程数值仿真计算软件已成为工程设计与分析的重要工具之一。

开发出工程虚拟仿真与物理场仿真平台，可以实现一些教学功能，在教学中使用虚拟现实，可以充分调动学习者的感官和思维，使观察的实物能够更生动地体现在学习者的面前，甚至还可以进入到内部观察。多层次、多结构的虚拟化平台是培养高水平研究生人才的关键。

通过工程虚拟仿真与物理场仿真创新实践平台的建设，可以提高我校研究生创新能力、实践能力、科研能力以及计算机应用能力，培养独立承担专业技术与管理工作、具有良好职业素养的高层次工程人才。

一、平台建设可达到目标

结合本校研究生创新教育特色，依托地球科学学院、石油工程学院、机械科学与工程学院、土木建筑工程学院、电气信息工程学院。以培养具有卓越工程师水平的高层次应用型人才为目标，建设集程序编写、系统建模、仿真实践和工程案例于一体的工程数值仿真计算平台，满足我校多个专业领域的研究生创新实践和科研能力的提高需要，着力提高专业学位研究生实践能力和职业素养，促进专业学位研究生综合素质和创新能力的提升。

同时，该平台建设将给教师提供一个良好的教学手段，促使学生自主学习，培养学生计算机应用能力、创新精神和实践操作能力，弥补了一些大型试验无法开展的弊端，为诸多创新实践活动提供平台。

虚拟平台的建设可以根据专业特点的相同或不同为实验发掘点，同时兼顾不同层次学生的需求，在实验平台上提供多样性、专业性的实验项目。虚拟实验平台可以应对对象的多元化、实验项目可以重组、平台结构开放等特点。

综上，通过本平台建设，可针对多个专业领域学位研究生在专业学位研究生教育、工程仿真数值计算、研究生创新实践能力、科研能力方面得到提高。

二、平台主要建设方法与步骤

结合本校研究生教育特色，本平台主要针对工程应用中的地质工程、石油与天然气工程、机械工程、建筑与土木工程和电气工程开展建设。

为了更好地进行创新实践平台建设，降低平台建设风险，将采用分阶段建设：

第一阶段：创新实践平台基础软件环境搭建（为创新实践平台提供基础条件）；

第二阶段：创新实践平台多人次沉浸式实践环境搭建；

第三阶段：多学科、多专业研究生科研创新能力培养与案例库建设。

首先进行第一阶段的建设，建设一个跨学科、能运行、贴近工业实际，集工程应用、工程改进、计算软件开发应用于一体的综合性工程数值计算实践平台软件环境。

第二阶段，将第二课堂和科技活动有机结合起来。实现多人次，多方科研方向工程数值仿真计算实践平台拓展课程建设内容。

第三阶段，依据各专业领域技能、平台支撑和特定场景实践环节建设创新训练项目，初步进行创新实践建设，具体如下：

1.地质工程类工程数值计算研究生创新实践建设。围绕石油地质中的液-固耦合问题进行研究。开展断层再活动地层中的应力及应变分布、分析流体运移的优势通道、流体运移方向与运移趋势、模拟岩石力学的单轴实验以及三轴试验、地震对地层结构的影响数值模拟、预测裂缝及其发育程度、分析岩浆侵入体对岩层的影响等问题的研究。发挥专业研究生的创新思维和创新设计方法，为石油地质问题的研究提供仿真计算平台。

2.石油与天然气工程类工程数值计算研究生创新实践建设。开展地应力场反演、井壁稳定研究、压裂、防砂等方面的研究，进行区块重复压裂应力场和渗流场研究、煤层气有利勘探区应力场和压力场研究等研究生创新项目。为井网部署、压裂设计、洗井方案设计及工具或设备的优化设计提供研究手段。通过平台的建设，能够改善数值模拟仿真方面的学习条件，學生能够自主地运用工程数值计算软件完成油气田开发、钻井、采油及集输方面的工程问题，能够提高学生的学习和研究能力。

3.机械工程类工程数值计算研究生创新实践建设。围绕石油、石化典型设备力学问题进行研究。开展石油钻采管柱力学研究、石油钻采机械新产品研发、管道振动分析与控制技术、石化装备应力分析与强度评价理论的研究。在石油钻采管柱力学分析方面：主要以直井、定向井、水平井、分枝井、老井加深以及深井、气井、稠油井中的钻柱、套管串、油管柱、抽油杆柱为研究对象，进行非线性静力学分析和动力学仿真、流固耦合分析。为井下杆管柱设计、工艺参数优化、事故分析与预防提供技术支撑。在石油石化装备有限元分析与强度评价方面：主要针对石油石化装备中的塔、储罐、井架等设备，应用有限元理论进行变形和应力分析，为这些装备的结构优化设计、可靠性分析和强度评价提供理论方法。使学生能够深入了解工程背景，为提高解决工程实际问题，提高科研能力与科研水平奠定基础。

4.建筑与土木工程类工程数值计算研究生创新实践建设。围绕组合结构力学性能研究、钢结构稳定研究、特种结构力学研究、钢-混凝土组合结构温度场研究、埋地管道和架设管道的抗震研究进行创新实践建设。通过平台对一些新型结构体系（新型的钢混组合结构、框架结构、特种结构）进行数值模拟，开展静力分析、拟静力分析、模态分析、谐响应分析和动力瞬态分析，获得结构的静力与动力响应，为进一步开展结构的设计与理论研究奠定基础。提高学生一定的专业水平，补充课外的专业知识，提高科研能力及动手能力。

构建高仿真的虚拟实验环境进行教学，使实践训练及时跟上相关技术的发展，能够有效解决土木工程类专业实践教学中遇到的各种技术困难，培养学生的工程实践能力，达到培养高素质人才的目的。

5.电气工程类工程数值计算研究生创新实践建设。围绕非接触电能传输技术研究进行创新实践建设。利用ANSYS有限元分析软件进行“组合蜂窝式非接触电能传输技术研究”，同时对电气工程领域中，仿真分析电场、磁场、电磁场以及发热分析和损耗分析等，对于研究生进行研究性学习和教师科研具有重要的支持意义。

三、结语

研究生的教育是我国高等教育的最高层次的教育，也是我国发展人才的重要来源，在研究生的教育培养过程中，提高研究生的各项能力，均衡发展是至关重要的。构建丰富的教育平台，有助于研究生科学的学习与创新能力的培养。

通过对多学科多专业研究生教学实践平台的建设，将课堂教学、平台实践教学和科研方向有机结合起来。依托工程数值计算与仿真实践平台，拓展課程建设内容，并提高研究生创新实践能力。有利于深化教学内容改革、促进数值仿真内容更新，大幅度提高设计性、创新性、综合性课程的比例，实现学生设计性和创新性实验的梦想，更好地拓展学生创新性思维，培养高质量创新性人才。

参考文献：

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