Роль научных исследований в инженерной деятельности

В наше время инженеру-механику часто приходится не создавать что-то принципиально новое, а оптимизировать известные технические решения, находить наилучшее сочетание многих существующих машин и механизмов для выполнения определенного вида работ, т.е. ему необходимо в значительной степени быть исследователем. В своей работе ему приходится разрабатывать принципы и методы решения конкретных технических и технологических задач, обосновывать выбор оптимальных схем и параметров новых машин, исследовать свойства новых материалов, прочностные характеристики реальных конструкций и свойства среды, с которой взаимодействует машина. Инженер-механик, таким образом, должен не только хорошо знать достижения науки, но и уметь использовать ее методы в своей работе.

Методы и области научных исследований, которыми приходится заниматься сегодняшним инженерам-механикам, многообразны, в соответствии с многообразием конкретных технических задач, выдвигаемых этой профессией. Но в ряде случаев им приходится заниматься научными изысканиями к в смежных или даже далеких областях знаний для правильного обоснования параметров новых машин.

Так, например, при создании новых землеройных машин для разработки мерзлых грунтов в строительстве конструкторы столкнулись с отсутствием достоверных данных по прочностным свойствам этих грунтов. Огромная информация, накопленная в механике грунтов, оказалась непригодной. Эта наука изучает грунты как основания для сооружений, и прочностные характеристики определяются для очень малых скоростей приложения нагрузки. Для механиков же грунты - объект разрушения. Здесь скорости нагружения несравнимо выше и поведение грунта, особенно мерзлого, является аномальным. Кроме того, такое важное для механиков свойство грунта, как его «абразивность» вообще не изучается геологами и грунтоведами. Все это привело к необходимости дополнительно изучать свойства грунта инженерам-механикам.

Навыки научного исследования должны иметь также инженеры-эксплуатационники. Они нужны для диагностирования машин и определения их реальных эксплуатационных параметров, анализа и научной обработки накапливаемых данных о поведении машины и ее составных частей в условиях эксплуатации, оптимального выбора и применения методов восстановления работоспособности изношенных деталей и узлов строительных машин. Только с помощью таких инженеров-исследователей конструкторы могут получить достоверные сведения для их учета при разработке новых или модернизации существующих машин.

В создании новых машин, приборов и оборудования участвует огромная армия научных работников, конструкторов, технологов, специалистов других профессий, которые трудятся в отраслевых НИИ, КБ, НПО, подразделениях заводского сектора науки, различных научно-технических центрах и кооперативах. Для эффективного использования имеющегося научно-технического потенциала необходимо, чтобы сама научно-исследовательская работа велась на рациональной и эффективной основе. Применение математических методов планирования экспериментов, автоматизация анализа и оценки их результатов, моделирование процессов, употребление эвристических программ, использование ЭВМ - все это дает возможность значительно ускорить научно-исследовательский процесс и повысить эффективность занятых в нем научных работников.

Методы научных исследований.

Под методом научного исследования следует понимать способ или совокупность способов, реализация которых позволяет достичь намеченной цели исследования.

В основе любого научного исследования лежит метод диалектического материализма, который вооружает исследователя знанием общих принципов познания материального мира и является всеобщим методом исследования: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности".

При выполнении научных исследований наиболее широкое применение нашли следующие универсальные для технических наук методы.

Анализ - метод научного познания при помощи расчленения или разложения объекта исследования на составные части, а также выделения характерных свойств и качеств объекта для их детального изучения. Анализ позволяет выделить главные звенья любого объекта, исследовать основные связи, т.е. понять суть происходящего. Так, при изучении надежности строительной машины вначале выделяют четыре свойства надежности - безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, а затем изучают их в отдельности. В связи с этим анализ составляет основу аналитического метода исследований.

Синтез - метод научного познания объекта в целом на основе объединения его составных частей, позволяющий обобщать понятия законы, теории. Он используется для исследования сложных систем после того, как выполнен анализ отдельных элементов системы. Анализ и синтез взаимосвязаны, и дополняют друг друга.

Индуктивный метод состоит в том, что по частным фактам и явлениям делаются общие выводы, устанавливаются общие принципы и законы.

Дедуктивный метод основан на выводе частных положений из общих правил, законов, положений. Например, для определения нагрузок, действующих на лопасти бетоносмесителя, можно использовать законы гидродинамики по вопросам движения твердого тела в однородной жидкости.

Абстрагирование применяется, когда необходимо мысленно отвлечься от несущественного и сосредоточить внимание на главных элементах или свойствах исследуемого объекта. Оно, как правило, осуществляется в два этапа. На первом этапе определяются несущественные элементы, свойства, связи и т.д. На втором - исследуемый объект заменяют другим, более простым, представляющим собой упрощенную модель, сохраняющую интересующие исследователя свойства, элементы, связи. Например, при расчете гидропривода реальную рабочую жидкость мысленно, заменяют на идеальную жидкость, значительно упрощая тем самым рассуждения.

Формализация состоит в том, что исследуемый объект описывается математическими знаками, формулами, чем обеспечивается возможность исследования реального объекта через формальное исследование соответствующих знаков, формул.

Аналогия (подобие) - метод научного познания, посредством которого достигается знание о предметах и явлениях на основании того, что они имеют сходство с другими.

Моделирование - метод научного познания, при котором изучение свойств объекта проводится не на нем самом, а на его модели.

Следует отметить, что перечисленные методы научных исследований диалектически связаны межу собой и в конкретном научном исследовании применяются комплексно и дополняют друг друга.

Этапы научного исследования

Научное исследование выполняется в определенной последовательности, включая в себя ряд этапов.

1. Изучение состояния вопроса исследования. В ходе реализации данного этапа осуществляется общее ознакомление с проблемой, в рамках которой предстоит выполнить исследование, проводится патентно-лицензионный поиск, обзор и анализ НИР, монографий, статей и других материалов по рассматриваемой проблеме. В
результате формулируется тема, и определяются цель и задачи исследования. В завершение данного этапа, намечается общая методика исследования, представляющая собой набор приемов, или способов и определенную их последовательность, способствующие наиболее эффективному выполнению научного исследования.

2. Теоретические исследования преследуют цель изучить физическую сущность предмета. Для этого выбирается и обосновывается физическая модель, дается математическое описание этой модели и на основании анализа полученных таким образом математических зависимостей делаются предварительные выводы по исследуемой проблеме.

3. Экспериментальные исследования. На данном этапе разрабатывается методика экспериментальных исследований и экспериментальная установке, выбираются и обосновываются средства намерений, проводятся эксперименты (в лабораторных иди производственных условиях - в зависимости от стоящих перед исследователем задач) и обрабатываются результаты измерений и наблюдений.

4. Анализ и обобщение результатов исследований. На данном этапе проводится общий анализ теоретических к экспериментальных исследований. Сопоставление результатов эксперимента с теорией, уточнение теоретических моделей, исследований и выводов, дополнительные (по мере необходимости) эксперименты, формулирование
научных и практических выводов, составление и оформление научно-технического отчета.

5 Внедрение результатов исследований в производство и определение экономической эффективности их внедрения. Внедрение результатов научных исследований в производство осуществляется через разработку и изготовление опытного образца новой машины, который после производственных и государственных испытаний запускается в серийное производство.

Внедрение завершается оформлением акта экономической эффективности результатов исследования.

Разработка методики экспериментального исследования.

Методика экспериментального исследования предопределяет его эффективность и научную значимость, поэтому ее разработка должна проводиться особенно тщательно. В методике подробно разрабатывается процесс проведения эксперимента, составляется последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений, детально описывается каждая операция в отдельности с учетом выбранных средств, для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля качества операций, обеспечивающие высокую надежность и заданную точность.

Методика эксперимента должна включать: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование объема эксперимента, числа опытов, определение последовательности изменения факторов; выбор шага изменения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

При экспериментальном исследовании одного и того же процесса повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы, и чем больше случайных факторов влияет на эксперимент, тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует определенного количества повторных измерений, которые обеспечивали бы устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющей заданной степени точности.

Потребное минимальное количество повторений одноименных замеров, гарантирующее требуемую точность и надежность измерения» определяется по формуле:

Для определения П-тсл проводят предварительный эксперимент с количеством измерений П, которое может колебаться в пределах 20-30 и вычисляет коэффициент вариации Кв:

Полученные данные подставляют в формулу для определения n

Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации, анализу. Результаты эксперимента должны быть сведены в удобочитаемые формы записи - таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять полученное и проанализировать результаты. При этом особое внимание должно быть уделено математическим методам обработки и анализа результатов эксперимента, например, установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими факторами, установлений доверительных интервалов и др.

При разработке методики эксперимента всегда необходимо стремиться к ее упрощению, наглядности без потери точности и достоверности.

Обработка и анализ результатов эксперимента.

При проведении научных исследований особое место принадлежит анализу результатов эксперимента, на основании которого делают выводы о подтверждении гипотезы научного исследования. Данные эксперимента позволяют представить физическую сущность исследуемого процесса и установить адекватность гипотезы и эксперимента. Ниже приведены некоторые методы обработки и анализа экспериментальных данных.

Методы графической обработки результатов эксперимента.

Графическое изображение результатов измерений дает о них наиболее наглядное представление, позволяет лучше понять физическую сущность исследуемого процесса, выявить общий характер функциональной зависимости изучаемых величин, установить наличие максимума или минимума функций.

Для графического изображения результатов измерений применяют; как правило систему прямоугольных координат, на которую наносят экспериментальные точки. Так как исследуемые функции имеют обычно плавный характер, поэтому при графическом изображений результатов измерений между экспериментальными точками следует провести

Рисунок – 10. Графическое изображение результатов.

плавную кривую таким образом, чтобы она проходила по возможности ближе ко всем точкам (см. рис.10).

При графическом изображении результатов эксперимента с тремя переменными (например, в = f (x, y, z) применяют метод разделения переменных, когда одной из величин (например, z) в пределах интервала измерений задают несколько последовательных значений (z₁; z₂; …, z_n), а для двух других переменных х и у строят графики y=f_i(x) при z_i=const. В результате на одном графике получают семейство кривых у=f(х) для различных значений z (рис.10).

Этот метод в большинстве случаев является наиболее простым и наглядным, однако требует тщательности и большого внимания к результатам измерений и построению графиков, особенно в точках изгиба или скачка.

При графическом изображении результатов экспериментов большую роль играет выбор системы координат или координатной сетки, которая может быть равномерной или неравномерной. У равномерных координатных сеток наиболее распространены полулогарифмические, имеющие равномерную ординату и логарифмическую абсциссу, логарифмические, имеющие обе оси логарифмические, и вероятностные, имеющие обычно равномерную ординату и вероятностную шкалу по абсциссе.

В большинстве случаев неравномерные координатные сетки применяют для более наглядного изображения функций.

В некоторых случаях строят номограммы, отражающие алгебраические выражения и позволяющие сравнительно просто графическими методами решать достаточно сложные теоретические или эмпирические формулы в определенных пределах измерения входящих в них величин.

Основная литература: [1] (стр.163-170)

Контрольные вопросы:

1. Какое место занимают научные исследования в работе инженера-механика?

2. Перечислите и дайте характеристику основным методам научных исследований.

3. Перечислите основные этапы научного исследования, чем они характеризуются.