长春工程学院 水利与环境工程学院 长春 130012
摘要：压力容器安全课程的难点主要体现在承压部件的应力分析上，但仅仅讲授应力分析的理论知识是不够的，还需一种生动、形象而又不失科学性的教学辅助手段。本文以分析平板上小孔周围的应力分布情况为例，采用了应力方程分析、实物模型分析和ANSYS数值仿真三种手段，分别分析了作为教学手段的优缺点。最后认为ANSYS数值仿真是很好的教学辅助手段，在“压力容器安全”课程中，能够客观、形象地展示多种情况下的应力分布状态，化繁为简，便于学习。
关键词：压力容器；安全工程；ANSYS；应力分析
1 引言
以生产企业重点监管的特种设备——压力容器为例，它广泛应用于石油化工、能源、冶金、轻工、纺织、交通等关乎国民生计的行业中，在化学工业和石化工业中，几乎每一个工艺过程都离不开压力容器，而且压力容器是生产中的主要设备[1-2]。由此可见，安全工程专业学生掌握好这个课程内容是非常必要的。目前在课程的教学过程中发现学生学习这部分知识过程中存在两个特点。第一，该专业学生力学知识较为欠缺，对承压设备应力分析的学习普遍感到比较吃力，尤其对大篇幅的应力方程感到为难；第二，作为安全工程专业人才，学习该课程的首要目的是弄清压力容器应力分布特点、安全管理重点和方法，而不在于理论研究，这样的学习目的就决定了该课程的教学要以实用为前提。
基于以上两点，该课程目前以讲授理论为主的教学方式就有待改进，否则不仅达不到教学目的，还使部分学生学习困难，甚至产生厌学情绪。这就要求应对该课程进行合理的改革，提供一种更加直观、易懂，但又不失科学严谨性的教学手段。
2 改革教学手段
教学手段是指教学活动中所使用的工具、媒体和设备，它是教学活动得以有效开展的重要物质条件。教学手段有助于教师和学生有效地感知事物、理解教材、巩固知识和运用知识，直观地引导学生直接揭开事物的本质和内在的联系；教学手段的有效运用可以把抽象问题具体化，把复杂的东西变得简单，利于学生深入认识，提高课堂教学效率；科学合理地运用教学手段，可以调动学生的积极性、主动性，改变课堂教学模式，使得学生从单纯接受知识转变为自我学习。因此，科学合理有效地运用各种教学手段，可以优化课堂教学，提高课堂效率，达到事半功倍的实际效果。
在“压力容器安全”这门课上，尤其涉及应力分析这部分内容时，以前采用的教学手段是板书加多媒体教学。板书能够比较清楚的向学生展示应力方程的来龙去脉，对于理论的学习也非常有用，但是板书效率低下，视觉单调乏味，且教师不易做到讲解的收放自如。针对板书单节课程板书知识量小的特点，开展了多媒体教育，使得课堂教学环节相对生动、直观，减轻了教师的负担，课堂效率高，但是多媒体公式比较死板，不能充分体现应力方程的推导和连贯性。经过课程方案改革，采用ANSYS数值仿真手段进行承压部件应力分析内容的教学，可以把压力容器在各种情况下的应力状态精确的计算出来，并可以通过后处理得到非常直观易懂的应力云图，把较难理解的公式图示化，是学生具有感官的认识，并能充分调动学生的学习积极性。
3 教学手段对比
以教材中“开孔的安全性”内容为例，分别用应力方程分析、实物模型分析、ANSYS数值仿真三种手段进行教学研究，通过对比说明数值仿真教学的优点。
3.1 应力方程分析
应力分析问题一般是从应力方程的推导开始，需要较多的背景知识。应力方程能够定量地反映出压力容器开孔周围的应力集中状态，并能解出任意点的应力状态。但繁琐的应力公式对于学生的力学知识要求较高，并且教师任课过程板书推导正确与否以及肢体语言等情况，对教学均有较大影响。
3.2 实物模型分析
实物模型就是要选用合适的实物对理论进行模拟、分析和验证，这也是被广泛采用的教学手段之一。为研究平板上开孔周边应力情况，可以选用纸片模拟平板，在纸片上开一小孔，小孔孔径远小于纸片宽度。但实物模型作为教学手段也有很多限制，比如只能给学生一种定性的印象，让大家比较清晰的记住开孔附近应力集中点大概位置，但不能定量反映出应力有多大、应力集中度和分布状态。因此，实物模型可以作为教学时的辅助工具，也比较生动、易懂，但在许多情况下选择合适的实物模型是有困难的，且缺乏科学的定量分析。
3.3 ANSYS数值仿真
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可以用来求解流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此，它广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等[3]。
作为一种教学辅助手段，可利用ANSYS软件把应力分析定量的模拟出来，以利于理解。针对具体案例，可选用ANSYS的结构模块，建立数值仿真过程，主要包括三步：前处理、分析计算和后处理[4]。
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（1）第一主应力等效分布云图 （2）开孔平板应力强度云图
图1 ANSYS应力仿真
通过对比分析可以发现采用ANSYS进行有限元数值仿真结果与理论值非常接近，能够科学、客观、定量地反映出模型内部的多种受力情况，不仅可以容易地求得开孔平板的环向应力，还可以得到第一、第二、第三主应力图等，对于帮助学生理解应力分析是非常有益的。而且通过后处理使得结果非常直观易懂，能达到辅助教学的目的，对初学者很有帮助。
4 结论
对“压力容器安全”这门课程进行教改，合理使用数值仿真，能够解决承压部件的应力分析教学问题。从分析安全工程学生的知识体系特点入手，提出了丰富教学手段、简化繁琐内容、提高学习效率为目的的课程教改方向。论证了应力方程分析、实物模型分析和ANSYS数值仿真三种常见的教学手段，能够证明ANSYS数值仿真在“压力容器安全”中能够客观、形象的展示各种情况下承压部件的应力状态，达到了辅助该教学内容的预期。
参考文献：
[1]孟燕华．锅炉压力容器安全[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2008．
[2]崔政斌，王明明．压力容器安全技术[M]．北京：化学工业出版社，2009．
[3]戴光．压力容器安全工程[M]．中国石化出版社，2010．
[4]栾春远．压力容器ANSYS分析与强度计算[M]．北京：中国水利水电出版社，2008．