面向流体机械专业的流体机械强度计算课程改革
中图分类号：G645 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（a）-0129-02
“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）提出培养造就一大批创新能力强的各类型卓越工程师，以降低我国关键核心技术的对外依存度，增强国家核心竞争力[1-2]。本科层次的卓越工程师应能够在工程现场创新性地从事产品的生产、营销和服务或工程项目的施工、运行和维护，成为优秀的应用型创新工程师[3]。
流体机械强度计算是针对能源与动力工程专业（流体机械及其自动控制方向）的专业课程，是后续毕业设计的有效辅助工具，在课程体系中占有重要地位。该课程以水力计算等提供的载荷为初始条件，研究流体机械零件的强度、刚度和稳定性，以期合理确定零件的结构、尺寸及相互联接方式等。流体机械强度计算课程理论性较强，要求具备一定的数学、流体力学与流体机械、固体力学以及机械设计基础；又具有较强的工程应用背景，可用于指导最初的结构设计，满足不同类型泵的可靠性设计要求。因此，教学中需要同时兼顾知识的继承性与先进性，尤其如何在卓越计划背景下构建与工程教育相衔接的教学内容、教学形式等已成为课程改革的首要任务。
1 流体机械强度计算工程实践能力培养的认识
流体机械强度计算课程的强大生命力在于它的实践性，其研究的出发点和归宿点都是为流体机械结构设计服务。流体机械强度计算课程力求使学生具备以下3个方面的技能和经验：（1）坚实的理论基础，包括流体力学理论和有限元理论；（2）程序使用经验，对常用的商业有限元分析程序能够应用；（3）工程实践经验，对不同的工程问题能够评判和确定方案。流体机械强度计算的基本流程为：初步分析→详细分析→有限元分析→结果分析→问题解决。在实际计算中，需要根据工程经验进行问题初判，并非所有问题都需进一步分析，有限元分析不一定是解决问题的最佳手段。要做出正确的初判，需要对常见问题的理论有清晰的解决思路，需要对有限元方法的能力和局限有清楚的认识，同时对可能进行的有限元分析所需的时间和人力有准确的判断。在决定进行有限元分析后，运用理论和经验上的判断，决定计算的模型、规模和类型。能够用尽可能简单的模型、尽可能短的时间获得解决问题所需的分析结果。运用商业有限元软件进行分析，需要清楚每个输入参数的意义和作用，仅仅熟悉软件界面不够。获得分析结果后，问题并没有解决，需要从纷繁复杂的数据中寻找问题的解决方案，总结出简单有效的结论和方案。
2 融合工程实际，编写教材
对于卓越工程师培养而言，面向工程需要的教材建设成为课程建设的一项重要工作[4]。目前该专业应用的课程教材为《水力机械强度计算》，该教材采用传统经典的强度计算方法，以解析的手段初步设计或后续校核泵轴、叶轮、泵体等强度问题。经试用，存在不适于该专业卓越工程师能力培养的两个方面：（1）教材内容与前期学习内容重复率较高。如将近30%篇幅涉及的弹性力学基础以及轴、法兰的应力计算等，学生已在大二系统学习过相关内容。（2）教材内容与强度理论和有限元软件的发展不符。有限元法概念浅显、适用性强，通过将实际物理模型离散化，广泛应用于理论分析无法解决的复杂工程问题，而传统教材较少涉及。任课教师较多在原教材基础上编写讲义，穿插讲解一些现代有限元理论及应用。
为适应流体机械专业卓越工程师的培养目标，应当编写适用于卓越工程师的专门教材。该校教师尤其是青年教师应到产学研合作的企业锻炼，熟悉企业工程项目生产、运作和管理的诸多环节，初步具备和企业技术人员合作进行产品研发、联合攻关的能力。在此基础上，联合一些有经验的企业技术人员，有目的地把工程应用的思想引入课程体系，增加实际工程中的一些概念、案例等内容。既依托高校和企业对于工程人才培养的理解与经验，又结合双方各自具备的硬件条件，企业在实际产品结构设计过程中遇到的问题和积累的经验也将反映到教材中，为该专业工程技术人才培养提供了帮助。
3 着眼工程实际，案例教学
提倡以分析解决实际问题为主导的案例教学。课程组精心设计专题讨论课，利用工程案例学习、讨论，加强学生分析、归纳、总结的能力。在案例选取上，为克服有限元分析可能脱离工程实际的问题，所采用案例均为具有明确解析解和实际测试结果的算例，使得讲解更具指导意义。例如：对多级泵（8级）轴静强度进行校核，以及确定蜗壳泵壳体壁厚，这些实例都有较准确的解析结果或经验公式。又如，叶轮连接轴的转子部件的模态分析，以及包括泵体、端盖、悬架及支脚在内整个壳体结构的自由模态分析，这两个典型算例都有试验测试结果。
此外，学生需要提交一份报告。要求采用ProE、UG、Solidworks等对三维结构建模；利用ANSYS软件对结构划分网格，施加合适的载荷和边界条件，对轴、叶轮和蜗壳进行有限元静强度校核。通过这样的训练，增强了学生的三维造型能力以及对流体机械各部件所受载荷和应力的理解。在有限元分析结果的评价方面，尝试应用量化方法进行更进一步训练。如对转子部件计算与实验的模态振型置信度进行比较，使有限元分析更接近实际。
4 凝练工程实际，指导教学实践
从工程实践出发，指导学生自主建模和分析。在横向科研活动中积累了一些具有代表性的结构有限元分析实例，如在叶轮强度计算分析时，分析单纯离心力、流体力及两者合力作用下叶轮的等效应力及变形情况，确定叶轮结构的危险点及危险点应力。这些工程实例多数都有现场实验，通过有限元计算研究，可以使本科生得到直接的训练，对结构有限元分析有更为真实的经验。
积极引导学生参与科研项目，鼓励学生参与课外科技活动，增加软件解决问题的应用功能，如：科研立项、大学生实践创新训练计划项目、节能减排大赛、星光杯及校园科技竞赛等。实际上，很多学生希望了解、学习相关软件，并积极参与科研项目。
5 总结与讨论
通过精心设计流体机械强度计算的教材、案例与教学实践，以及流体机械结构有限元建模、载荷加载与结果分析与评价等，提高了流体机械专业本科生解决实际问题的能力。但综合提高本科生的应用型创新能力是个系统工程，更加需要按照工程人才培养的规律，借鉴国内外创新能力培养的先进经验，逐步改善和勇于探索，为流体机械专业培养更多高素质人才。
