Инженерный эксперимент ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫЕ

Инженерный эксперимент ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Цель изучения дисциплины – знакомство с существующими методами, подходами решения инженерных задач, с методами планирования, порядком проведения, обработкой и анализом результатов инженерного эксперимента.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Инженерная задача – это задача преобразования или перехода объекта из исходного состояния в требуемое конечное состояние при наличии объективных ограничений: технических, технологических, энергетических, информационных, по материальным ресурсам и т. д. Инженерной задача может считаться только тогда, когда существует несколько альтернативных путей ее решения и инженеру нужно выбрать из этих путей наиболее предпочтительный, удовлетворяющих сформулированным условиям и ограничениям.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Общая структурная схема решения инженерной задачи

Эксперимент как предмет исследования Для инженерного исследования характерно сочетание экспериментального и аналитического методов изучения явлений и процессов. Эксперимент – это метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуется явление действительности. Под инженерным экспериментом (ИЭ) понимается совокупность опытов, объединенных единой целью и единой системой ограничений в пространстве и во времени.

Эксперимент как предмет исследования Рассмотрим следующую классификацию ИЭ: качественный – проводится с целью установления наличия или отсутствия у объекта определенных свойств или характеристик; измерительный – проводится с целью выявления количественных характеристик исследуемого объекта; пассивный – является традиционным методом, когда ставится большая серия опытов с поочередным варьированием влияющих факторов; активный – ставится по заранее составленному плану эксперимента, при этом предусматривается одновременное изменение всех параметров, влияющих на процесс.

Эксперимент как предмет исследования При натурных экспериментах исследователь имеет дело непосредственно с изучаемым объектом и явлением. В модельных экспериментах объект исследования заменяется его моделью – некоторым подобием оригинала, сохраняющим его особенности, существенные для данного исследования. Моделирование (построение модели) выполняется на базе теории подобия.

Эксперимент как предмет исследования По стадиям научных исследований эксперименты делят на лабораторные, стендовые и промышленные. Любой эксперимент может быть разбит на четыре основных этапа: 1) постановка задачи эксперимента (его цель); 2) планирование эксперимента; 3) подготовка и проведение эксперимента; 4) обработка и анализ результатов эксперимента, выводы и рекомендации.

Эксперимент как предмет исследования Планированием эксперимента называется процедура выбора числа и последовательности постановки опытов, необходимых и достаточных для достижения цели эксперимента с требуемой точностью. Теория планирования эксперимента (ТПЭ) позволяет при минимальном числе опытов получить математическую модель процесса и определить оптимальные пути его протекания. Основой ТПЭ являются математическая статистика и теория вероятностей, так как результаты эксперимента в основном являются случайными величинами или случайными процессами. Причиной этому могут служить неконтролируемые условия проведения эксперимента, ошибки наблюдений, измерений и т. д.

Функция цели и факторы Пример. Рассмотрим процесс контакта автомобильной шины и опорной поверхности. Величина удельного давления в плоскости контакта зависит от геометрических размеров шины, массы автомобиля, давления в камере шины, состояния дорожного покрытия и т. п. Перечисленные независимые переменные, влияющие на рассматриваемую зависимую величину (давление в плоскости контакта), называются факторами, а зависимая величина называется функцией цели или, точнее говоря, функцией отклика (отклик на изменившийся фактор), которая связывает независимые переменные (факторы) с исследуемой зависимой величиной:

Функция цели и факторы Значения, которые факторы принимают в эксперименте, называются уровнями факторов. Нижний уровень фактора – наименьшее значение, которое может принимать фактор в эксперименте. Верхний уровень фактора – наибольшее значение, которое может принимать фактор в эксперименте. Нулевой уровень фактора – середина диапазона изменения фактора.

Функция цели и факторы Уровни факторов На рисунке обозначены: x 1 min – нижний уровень фактора; x 1 max – верхний уровень фактора; x 10 – нулевой уровень фактора.

Функция цели и факторы Факторы разделяются на управляющие, контролируемые и неконтролируемые. Управляющие – такие, когда известно их наименование и диапазон изменения. Фактор будет управляющим, если выполнены следующие требования: измеряемости – т. е. возможности измерить фактор имеющимися средствами измерения с требуемой точностью; управляемости – возможность поддерживать фактор на заранее заданном уровне; независимости – отсутствие зависимости от других факторов; совместимости – возможность практического осуществления намеченной комбинации двух или нескольких факторов.

Функция цели и факторы Диапазон изменения уровней факторов определяется исходя из конкретных условий эксперимента. Интервалы варьирования фактора внутри диапазона выбираются из условий различимости. Различимость заключается в том, что интервал уровней фактора должен быть не меньше, чем удвоенное среднеквадратичное отклонение измерения этого фактора, так как в противном случае будет невозможно различить полученные результаты.

Функция цели и факторы Контролируемые факторы – к ним относятся, например, факторы внешней среды, которые могут влиять на функцию цели. При лабораторных испытаниях транспортного средства к контролируемым факторам обычно относят температуру воздуха, давление, влажность на тот момент, когда проводятся испытания. Эти значения фиксируются в протоколе эксперимента.

Функция цели и факторы Неконтролируемые факторы (возмущающие) – совершенно случайные как во времени своего проявления, так и по силе влияния на функцию цели. Опыты, в которых выявлено влияние неконтролируемых факторов, нужно исключить из общего числа опытов данного эксперимента.

Вопросы к зачету 1. Инженерная задача. Общая структурная схема решения инженерной задачи. Классификация и этапы инженерного эксперимента Функция цели и факторы.