2021-08-14
49Цель работы: «Изучить приемы и стадии творческого процесса теоретических исследований при обосновании технических устройств»
Задание
Изучить:
1.Приемы теоретических исследований
2. Стадии творческого процесса теоретических исследований
3. Типы моделей при теоретических исследованиях.
4. Требования к моделям исследований
5. Реологические модели и особенность их составления
Содержание отчета
Составить реологические модели и уравнения по разработке теоретических предпосылок к обоснованию технических устройств по научной теме обучающегося.
Литература
1.Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства. – М.: Колос, 1982. – 231 с.
2.Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. Перевод с английского. Под редакцией Бусленко Н.П. – М.: Мир, 1972 – 328 с.
3. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Москалевич В.Ю. Основы научных исследований в агроинженерии (учебник). – Симферополь. И.П. Гальцовой Н.А., 2015. – 270 с.
4. Рейнер М. Реология. – М.: Наука, 1965.
Методические указания к работе №4
Разработки теоретических предпосылок к обоснованию технических устройств
Основным в познании физической сущности процессов выступают наблюдения. Любой процесс зависит действующих на него факторов. Каждое наблюдение или измерение может зафиксировать лишь некоторые из них. Для того чтобы наиболее полно понять процесс, необходимо иметь большое количество наблюдений и измерений. Необходимо выделить главное и затем глубоко исследовать процессы или явления с помощью обширной, не систематизированной информации. Однако это затруднительно. Поэтому такую информацию стремятся «уплотнить» в некоторое абстрактное понятие – модель.
Модель – это искусственная система, отображая с определенной степенью точности основные свойства изучаемого объекта – оригинала. Модель находится в определенном соответ- ствии с изучаемым объектом, может заменить его при исследовании и позволяет получить информацию об изучаемом объекте.
Метод моделирования — это изучение явлений с помощью моделей один из основных в современных исследованиях. Основой моделирования является положение о том, что «единство природы обнаруживается в «поразительной аналогичности» дифферен- циальных уравнений, относящихся к разным областям явлении».
Различают физическое и математическое моделирование.
При физическом моделировании физика явлений в объекте и модели и их математические зависимости одинаковы.
В случае математического моделирования физика явлений может быть различной, а математические зависимости одинаковыми. Математическое моделирование приобретает особую ценность, когда возникает необходимость изучить особо сложные процессы.
При построении модели свойства и сам объект обычно упрощают, обобщают. Чем ближе модель к оригиналу, тем удачнее она описывает объект, тем эффективнее его исследование и тем ближе полученные результаты к истине, добываемой в исследовании.
Модели могут быть физические, математические, натурные. Физические модели позволяют наглядно представлять протекающие и натуре процессы. С помощью физических моделей можно изучать влияние отдельных параметров на течение физических процессов. Математические модели позволяют количественно исследовать явления, порой трудно поддающиеся изучению на физических моделях. Натурные модели представляют собой масштабно изменяемые объекты, позволяющие наиболее полно исследовать процессы, протекающие в натурных условиях.
Стандартных рекомендаций по выбору и построению моделей не существует. Модель должна отображать существенные явления процесса. Мелкие факторы, излишняя детализация, второстепенные явления и т. п. лишь усложняют модель, затрудняют теоретические исследования, делают их громоздкими, нецеленаправленными.
Поэтому модель должна быть оптимальной по своей сложности, желательно наглядной, но главное – достаточно адекватной, описываемой закономерности изучаемого явления с требуемой точностью. Естественно, что при построении модели необходимо учитывать особенности исследуемого явления: линейность и нелинейность, детерминированность и случайность, непрерывность и дискретность и др.
Для построения наилучшей модели необходимо иметь глубокие и всесторонние знания не только по теме, смежным наукам, но и хорошо знать практические аспекты исследуемой задачи.
В отдельных случаях модель исследуемого явления может быть ограничена лишь описанием сущности. Так, при изучении грунтов физико-химическую сущность взаимодействия минералов грунта с рабочими органами почвообрабатывающих машин представить в виде математической модели трудно из-за большой сложности процесса. Однако по мере накопления научных данных, постепенно методы их изучения будут заменяться математическими. Это закономерно, поскольку наука может достичь наибольшего совершенства при широком использовании математических методов.
Изучить и проанализировать объект наиболее полно лишь при условии, что его модель представлена описанием физической сущности и имеет математический вид.
Теоретические методы определения конструктивных параметров и оптимальных форм рабочих органов сельскохозяйственных машин является одной из основных проблем в земледельческой механике.
Анализируя процесс работы почвообрабатывающих машин, необходимо знать закономерности деформирования почвы. Почва представляет собой многофазную систему, в которой вещества находятся в жидком, газообразном и твердом состоянии. Взаимодействие этих фаз, а также физико-механические свойства определяют реакцию почвы на воздействие деформаторов и ее поведение в процессе деформирования. Строение почвы с определёнными допущениями можно считать сплошным. Экспериментальными исследованиями, проведенными за последнее время, доказано наличие полей напряжений и деформаций внутри почвенного массива под воздействием деформаторов. Эксперименты подтверждают приемлемость методов механики сплошной среды для математического описания процессов деформации почвы.
Наиболее полно описывает физику деформаций реально существующих в природе тел реология. Решая задачи взаимосвязи напряжений и деформаций, она предполагает для каждого рода материала реологические уравнения.
Совокупность реологических свойств в каждом реальном сложном по свойствам теле может быть представлена как некоторая комбинация простых тел, к которым относят идеальные тела Гука (H), Ньютона (N) и Сен-Венана (SV).
Идеальное тело Гука, проявляющее упругие свойства, представляет собой линейно связанные деформации и напряжения. Тело Гука представляется в виде пружины, а связь между напряжением и деформацией показана на рисунке 4.1.
Уравнение состояние такого тела имеет вид:
o H = Ee (1)
где s H – напряжение;
E – модуль упругости;
e – деформация приходящаяся на единицу длины образца.
Рисунок 1 – Реологическая модель тела Гука
Идеальное тело Ньютона проявляет свойства жидкости, скорость истечения которой и напряжения связаны линейной зависимостью. Реологическая модель представляется в виде вязкого элемента. Графическая зависимость показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Реологическая модель тела Ньютона
Уравнение состояния тела Ньютона имеет вид:
(2)
где: 
– напряжение;
- коэффициент вязкости.
Идеальное тело Сен-Венана обладает пределом текучести, при напряжениях ниже которого оно не деформируется, а при постоянном напряжении, равном пределу текучести, пластически «течет», подчиняясь закону «сухого трения». Реологическая модель представляется в виде фрикционного элемента и графически изображена на рисунке 4.3.
Пластическая деформация представляет собой остаточную деформацию сдвига при напряжениях, превосходящих предел пластичности. Состояние тела Сен-Венана описывается уравнением:
(3)
где: 
- предел текучести.
Рисунок 3 – Реологическая модель тела Сен-Венана
При жесткой пластической деформации объем тела принимается неизменным.
Эти три элемента можно соединять в различных сочетаниях. Полученное при этом тело описывает различные проявления упруго-вязко-пластичных свойств. При параллельном соединении простых реологических тел полные напряжения складываются из напряжений, передаваемых отдельными телами. При последовательном соединении полная скорость деформации сложного тела равна суме скоростей деформации составляющих его тел, причём каждое из них передаёт полное напряжение. Представление в виде реологических моделей получило широкое распространение благодаря наглядности и простоте.
Прежде чем приступить к выбору реологической модели почвы и составлению уравнения состояния, необходимо ввести некоторые ограничения.
Законы изменения напряженно-деформированного состояния однофазных и многофазных сред различны. При нагружении многофазных сред процесс деформирования протекает в зависимости от физико-механических и технологических свойств каждой фазы в отдельности и от характера их взаимодействия. Поэтому для подобного рода материалов получить единственное реологическое уравнение состояния без учета размеров деформируемой области не представляется возможным.
Данную задачу можно решить, если представить почву квазиоднофазной средой с определением границ применения данного утверждения. Однофазными или квазиоднофазными считаются среды, при деформации которых соотношение фаз в единице объема не изменяется вовсе, либо изменение это настолько мало, что им можно пренебречь. В этом случае законы деформирования могут быть представлены для системы в целом.
Кроме того, почву можно считать квазиоднофазной и тогда, когда изменение в определенных пределах размеров образца, не оказывает существенного влияния на реологические свойства почвы. В результате проведения экспериментов на приборе двухплоскостного сдвига было установлено, что при поперечном сечении образцов 30 см2 и более, предельное напряжение сдвига стабилизируется, и тогда почву можно считать средой квазиоднофазной.
Учитывая эти ограничения и считая почву сплошной квазиоднофазной средой, можно приступить к выбору реологической модели почвы и составлению уравнения ее состояния.
Поскольку почва имеет твердые включения, ее можно считать твердой фазой, свойства которой описываются телом Гука. Имеющаяся в почве вода, в которой во взвешенном состоянии находятся частицы материнской породы, представляют собой жидкую фазу, свойства которой можно описать телом Ньютона. Кроме этого, поры почвы заполнены воздухом и различными парами и представляют собой газообразную фазу, свойства которых можно описать телом Сен-Венана. Поэтому модель почвы будет представлена в виде сложного тела, состоящего из отдельно взятых элементов, соединенных как последовательно, так и параллельно.
Из простейших моделей упруго-вязких тел можно выделить тело Кельвина. Здесь упругий и вязкий элементы соединены параллельно (рис. 4). Такая модель деформирования характерна для прикатывания почвы.
При таком соединении полные напряжения складываются из напряжений отдельных тел:
(4)
Подставив значения (1) и (2) в выражение (4) получим уравнение деформирования:
(5)
Рисунок 4 – Реологическая модель тела Кельвина
Проинтегрировав выражение (4.5) и приняв, что s = const, получим:
6)Если упругий и вязкий элементы соединить последовательно, то получим реологическую модель тела Максвелла (рис. 5), где скорость деформации будет равна сумме деформаций отдельно взятых тел:
e = e H + e N (7)
где e H – деформация упругого элемента;
e N – деформация вязкого элемента.
Рисунок 5 – Реологическая модель тела Максвелла
После дифференцирования (7) с учетом (2) и (6) получим:
(8)
где: 
- период релаксации.
Период релаксации – это время, за которое происходит уменьшение напряжения от начального значения до нуля.
При постоянном напряжении σ=const выражение (8) переходит в уравнение Ньютона dε/dt=σ/η, соответствующее непрерывному нарастанию деформации с постоянной скоростью.
Контрольные вопросы
1.Что понимается под творчеством?
2. Какие приемы теоретических исследований?
3. Какие стадии творческого процесса теоретических исследований?
4. Какие способы теоретических исследований?
5. Что понимается под моделью исследований?
6. Какие виды моделей исследований?
7. Какие требования к моделям исследований?
8. Как составляются уравнения состояния реологических моделей?
