于浩，林铁军，练章华，张强

（1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都；2.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都）

一 引言

CAE的全称是Computer Aided Engineering （计算机辅助工程），主要以有限元数值模拟技术为基础，综合计算力学、计算数学、工程管理学以及现代计算技术综合形成的一门知识密集型学科。目前，CAE技术在土木工程、海洋工程、电子机械、航天航空、石油化工等工业领域以及企业的产品开发、优化设计中具有举足轻重的作用[1]。近十年来，现代CAE技术在石油工程中应用也是极其广泛，王莉莉、付世博等[2]利用有限元方法对立式储罐进行静力学分析，通过开展焊缝中的裂缝起裂、扩展的数值模拟研究，评估了储罐的剩余强度，实现了储罐的设计优化及其安全服役寿命预测；王磊、练章华等[3]应用ANSYS软件建立了钻柱的扭转振动有限元模型，经过合理假设和模态分析技术计算分析得出了钻柱扭转振动规律；祝效华、刘少胡等[4]针对现有套管防磨工具使用寿命短和压耗大的问题，应用CAE和CFD技术分析了其过流压耗及间歇碰撞滚滑状态下的工作应力，提出了有针对性的改进措施；薛继军、郭谊民等[5]应用现代CAE技术，针对ZJ30/1700CZ钻机井架稳定性及力学强度开展了数值模拟分析，获取了不同振动载荷下井下失稳的临界模态参数，为钻井井架承载能力评估提供了理论依据。

高等院校承担着为国家培养和输送高素质人才的责任，根据社会发展的需要，许多工科类院校已经开设了计算机辅助工程（CAE）相关类别课程，而且该课程是应用型人才培养体系的重要组成部分[6]，图1所示为西南石油大学《现代CAE》课程上课人数及专业型硕士和学术型硕士人数百分比，可以看出从2014年到2020年，选修《现代CAE》课程的硕士研究生人数从193人增加到400人，并且专业型硕士研究生在选课总硕士研究生的比例也是逐渐增加，这反映了石油工程硕士研究生《现代CAE》课程的兴趣逐渐增加，尤其是专业型硕士研究生越来越重视《现代CAE》课程。图2是西南石油大学硕士论文中数值模拟占比，可以发现数值模拟内容在硕士论文中占比逐年增加，并且专业型硕士研究生在毕业论文中涉及数值模拟内容占比更多。这些都说明了《现代CAE》课程在硕士研究生培养中的重要性，但是该课程属于多学科交叉且专业性非常强，这些有别于传统的基础课程。目前，《现代CAE》课程的授课对象是全日制硕士研究生，对于专业型硕士和学术型硕士的授课方式、授课内容、授课学时及培养目标上都没有进行区分。事实上，现有的CAE教学体系沿用了传统的教学模式，更适用于学术型硕士研究生的培养，而对于专业型硕士研究生，需要结合石油工程专业特点和企业的需求，开展课程内容和教学方式的改革，探索新的培养体系。

图1 西南石油大学《现代CAE》课程上课人数及专业型硕士和学术型硕士人数百分比

图2 西南石油大学数值模拟在石油工程硕士论文中的占比

二 专业型硕士的定义及其与学术型硕士的区别

全日制专业硕士指的是经济社会发展急需的应用型和工程研究型人才，按照“全面、协调、可持续”的要求，实现研究生教育的分类培养，结构优化；运用“统筹兼顾”的方法，实现应用型与学术型高层次人才培养的共同发展[7]。

自2009年开始，针对目前的学位制，教育部进行了深化改革，包括对于研究生培养理念的改革，为了满足和适应国家对于高新人才的需求，从应届毕业生中招收人才作为专业型硕士的培养目标[8]。全日制专业硕士与学术型硕士在培养方案和目标上具有显著的不同，专业型硕士重点不侧重于学术上的研究，而在培养出工程能力强的现场应用型人才，致力于社会的发展。从2010年开始，根据教育部发布的政策和要求，逐步降低招收学术型硕士的数量，而全日制专业硕士人数得到相应的增加[9]。

三 石油工程全日制专业硕士培养要求

石油工程硕士应当拥护中国共产党的领导，掌握中国特色社会主义理论，积极践行社会主义核心价值观，身心健康，具有严谨学风和一定的创新能力。在学术上要对本学科具有丰富的理论知识和较深入的专业储备，具备一定的实验操作或软件编程、软件应用能力及外语读写能力[10]。石油工程学术型硕士主要从事本专业范围内相关研究方向的科学研究、工程设计和技术试验工作。而专业型硕士采用“双导师制”，侧重于培养出能够在工程实践中进行科技攻关、技术开发、工程设计与施工、工程规划与管理高层次工程技术人才。

专业型硕士专业实践环节检验学生对所掌握的理论知识的必需途径，而在实践中的不断积累并达到较高的技能是培养的最终目标[11]。由于平时的课程学习和案例研究具有一定的局限性，导致大多数全日制专业学位研究生没有足够的经验，所以为学生设立专业时间环节是必要和必需的，在专业实践中去检验理论知识，积累操作经验，为以后进入职场打下基础。校外导师对学生的实践作出具体指导，达到理论与油田相结合的目的。专业型硕士在工程实践期间将自身所学知识应用于工程实践，推动现场施工有序进行，同时专业型硕士也从实际工程中积累经验，尽早适应未来所从事的岗位环境，因此，工程实践环节是石油工程专业硕士非常重要的一个环节。由于石油工程专业型硕士培养的特殊性，结合相关的具体要求是很有必要的。

(一) 专业背景要求

石油工程全日制专业硕士依靠石油行业背景，石油院校培养出来的专业硕士最终走向石油企业或公司，从事石油工程相关工作。因此，每一位专业硕士要掌握扎实的专业知识以及石油行业的一些新知识、新技术、新方法，而学生能够将所积累的理论知识和经验应用于实际工作中是检验其学习成果的唯一标准，学有所成的高素质人才也必将会为我国石油行业的进一步发展发挥作用。

(二) 因材施教

全日制专业硕士的培养旨在培养应用型人才，课程安排中除安排所修课程外，专门设置了8学分的专业实践课程，实践课程总时间要求不小于一年。通过学校与石油企业建立联合培养基地，专业硕士在油田或者单位进行结合现场实际的本专业学习，在学习过程中专业硕士能够将所学知识与实际工况相结合，既能用所学知识对工程提出可行性建议，也能够从工程中学到课堂上学不到的知识，进一步提升专业硕士现场应用、解决问题的能力。

(三) 企业人才需求

石油工程专业硕士就业于石油行业及其相关企业，企业需要能力强、掌握工程技能多的毕业生。专业型硕士因掌握更多工程应用型软件而有利于工程实践活动，以现代CAE相关软件为例，石油工程中诸多方面可采用现代CAE软件进行辅助工作，能够高效解决工程难题。因此，专业型硕士应当掌握工程辅助型软件的使用，提升自我综合能力，从而为企业输送高效、高质量人才。

(四) 社会经济建设需要

专业型硕士的起源是为了满足社会发展的需要。我国仍处于发展中国家，需要高层次人才投入到国家建设之中，需要学术型硕士从事研究，因此国家大力推动专业型硕士的培养，从而推动我国经济建设。

四 CAE课程对于石油工程全日制专业硕士的重要性

石油工程专业硕士未来主要从事钻完井工程、油气开采工程、油藏地质工程以及油气储运工程的技术创新与现场指导工作。在工程实践中，现代CAE技术发挥着重要作用。以钻井过程中钻柱在井眼内的运动为例，实际钻井过程中钻柱在井眼内的运动非常复杂，钻柱的受力、弯曲变形、与井壁接触等情况不能被地面上的技术人员全面了解。因此，采用现代CAE有限元方法模拟钻柱在井筒内的运动情况，采用这种方法可以直观地认识到钻柱在井筒内的运动、受力等情况，进而分析钻井时钻柱是否会发生失效，有了这种预测分析，现场技术人员便能及时采取预防措施，避免钻井过程中事故发生。

随着现代CAE技术的不断发展，该技术在石油工程中的应用越来越广泛。将现代CAE与石油工程相结合，通过现代CAE的模拟、预测、评价和优化既能实现石油工程技术创新，同时也能提高石油开发方案设计质量，有效减少开发成本和周期，提升经济效益。

五 《现代CAE》课程对于专业型硕士的教学改革

《现代CAE》课程面向专业型与学术型硕士，但在教学内容上对于两者有着明显的区别。学术型硕士更多的是注重对于学生理论知识的传授，和对其创新能力的激发与培养，而专业型硕士注重现场应用与解决问题。对于专业型硕士，课程改革目的在于突显现代CAE的应用性、实用性以及广泛性，通过课程改革旨在解决教育实践中石油领域的具体问题，更具针对性和紧迫性，对于教育教学效果、质量的提高更具有实质意义；改革是为教育实践而展开、在教育实践中进行的，不仅应使学生理解、掌握学科知识，而且应促进学生智能、思维、个性的发展；改革实际意义在于，它能完善CAE课程的教学内容，提高教师的教学水平，提高学生的专业水平，为企业输送高效、高质量人才，为行业发展做出贡献。

以《现代CAE》课程经典实例对称孔板应力分析为例。有一个尺寸为20mm×20mm的方板，厚度为1mm，中心圆孔半径为1mm。弹性模量E=2×105N/mm2，泊松比为0.3，底部和顶部受拉力为10N/mm2，如图3所示。由于对称性，只取孔板的四分之一来建立模型。分析方板内的Mises应力及其y方向的应力分布。

图3 受均布载荷的带孔平板

针对上述同一问题，学术型硕士的培养目标是可以明确孔板受力变形问题背后抽象的力学问题，并且从力学的角度对该问题进行扩展、延伸及应用，在研究基础上进一步推动力学的发展。而对于专业硕士的培养目标，应该通过对孔板受力变形模拟计算结果的分析，将其与实际钻井过程中钻开井眼相联系，即圆孔对应井筒，板对应井周岩石，如图4所示的井眼内实际情况。利用现代CAE技术对孔板受均布载荷时的应力分布可知，孔板上应力集中分布于圆孔附近，即说明实际钻进时，钻开井眼井周应力分布最大，井壁容易发生垮塌事故，通过对计算结果的分析，进而合理选用套管进行固井工作，确保钻井工作的正常进行。通过现代CAE技术的预测性分析，研究钻井过程中地层应力场发生变化时井壁的稳定性，从而将研究结果直接应用于现场作业，这种理论与实际相结合的教学方式真正意义上培养了专业型硕士的实际应用能力。因此，基于专业硕士应用能力的培养要求和特点，《现代CAE》课程应当改革以下几个方面。

图4 实际井眼情况

(一) 教学课时的安排

根据CAE主流商业软件应用的现状和趋势，合理安排相关教学内容，适当增加学生对目前商业软件的操作，尽可能多地学习并掌握主流CAE软件的使用以适应不同的工作环境，并提高学生使用CAE软件解决石油工程问题的能力。

(二) 结合石油工程其他专业课，扩大现代CAE的应用

《现代CAE》课程是一门综合性学科，它的应用存在于多方面。在针对专业型硕士的教学中，强调该课程与其他石油工程专业工程的相融性，使得学生掌握多方面知识，进一步提升现代CAE在石油工程中的应用。

(三) 以实验室相关项目推动专业型硕士的培养

以校企项目分析驱动课堂教学的模式。避免单一的教材实例分析，用具体的项目让学生学会利用平时积累的知识和经验开展讨论和分析，独立而完整地完成从分析问题到查阅资料再到建模最后得出结果的整个过程，是对其专业学习的检验与强化。

(四) 理论联系实际的教学方法

现代CAE技术涉及数学、结构力学、有限单元离散分析法、数值分析等多学科知识，因此在教学环节中，结合专业型硕士研究生工程实践过程遇到的实际石油工程具体问题，培养学生有限元数值模型建立、网格优化、边界条件分析等CAE技术运用和处理的能力，在实例分析中对理论知识进行讲解和深化。

六 结语

全日制专业硕士的培养具有重大战略意义。对于石油工程而言，不同于学术型硕士的培养，专业型硕士的培养突出专业型硕士的现场工程应用特点，大力培养实践能力。因此重视专业型硕士对于现代CAE实践性的培养，将现代CAE真正作为一种解决实际工程问题的有效手段，从而培养出高质量的达到国家认可的全日制专业硕士人才。当这些学生走向社会，从事国家建设活动时，他们有能力解决实际问题，为社会的建设、国家的发展做出贡献。