Основы научных исследований в технологии машиностроения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.И. Цаплин

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

УДК 001(075.8) Ц17

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор С.Ю. Хрипченко, (Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь);

канд. техн. наук Д.С. Балабанов (Лысьвенский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета)

Цаплин, А.И.

Ц17 Основы научных исследований в технологии машиностроения : учеб. пособие / А.И. Цаплин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 228 с.

ISBN 978-5-398-01349-8

Рассмотрены основы научных исследований, необходимые для изучения дисциплин в техническом вузе при подготовке бакалавров по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Дана математическая формулировка задач стохастического и детерминированного моделирования, сложного теплообмена, рассмотрены основы теории подобия, а также основы вычислительного компьютерного эксперимента. Представлены варианты заданий для самостоятельного изучения, тест для самоконтроля уровня обученности.

Предназначено для студентов технических вузов. Может быть полезным для аспирантов и преподавателей вузов.

УДК 001(075.8)

2

3

4

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Оптимизация технологических процессов обработки материалов в машиностроении, связанных с переносом тепловой энергии, предъявляет все более сложные требования к расчету энергетических характеристик. Детальное описание стохастических процессов теплообмена, обеспечивающее надежное совпадение расчетных данных с результатами экспериментов, возможно на основе моделирования и современного вычислительного эксперимента на компьютере.

Проведение теплофизических расчетов предполагает использование инженерных методов расчета, основанных на теории подобия и моделирования.

Значительное внимание уделяется выработке практических навыков планирования эксперимента, оценке погрешностей, обработке экспериментальных данных.

Сложность задач, решаемых при проведении научных исследований, обусловливает применение компьютерных технологий. Поэтому для современного исследователя важно не только умение использовать различные пакеты прикладных программ, позволяющих проводить обработку экспериментальных данных и моделирования процессов, но и понимание проблем вычислительного эксперимента.

Выводы, полученные в результате проведения исследования, должны найти практическое применение в организации технологического процесса или в конструкции оборудования. Такие выводы могут быть как организационно-технического характера, так и иметь отношение к изобретательской деятельности. Последнее обстоятельство указывает на необходимость владения специалистом умениями оформления результатов исследования, в том числе заявок на изобретения.

Учебное пособие предназначено для методического обеспечения подготовки студентов (бакалавров) по дисциплине «Основы на-

6

учных исследований в технологии машиностроения» в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 151900.62 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Цель дисциплины «Основы научных исследований в технологии машиностроения» – вооружить студентов теоретическими знаниями и практическими навыками проведения научных исследований в машиностроении, а также методиками обработки и анализа данных теоретико-экспериментальных исследований.

В результате изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:

•способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, культурой мышления (ОК-1);

•способность к саморазвитию, повышению квалификации

имастерства (ОК-6);

•способность критически оценивать свои достоинства и недостатки, намечать пути и выбирать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-7);

•способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического

иэкспериментального исследования (ОК-10).

Основная задача учебного пособия состоит в том, чтобы в рамках предлагаемого курса не только познакомить студентов технического университета с основами предмета, но и вызвать у них интерес к методам теоретических и экспериментальных исследований, научить оценивать спектр ошибок, применяя известный программный продукт и разрабатывая собственные программы для решения конкретных научных задач.

Небольшой объем учебного пособия обусловил ограничения при изложении методов научных исследований в машиностроении и за-

7

ставил прибегнуть к физическому уровню строгости изложения. Сознательный уход от подробного изложения материала предполагает акцент на практическом решении задач, самостоятельной работе с углубленным изучением предмета, которую можно продолжить, пользуясь приведенным списком литературы.

Самотестирование осуществляется по контрольным вопросам, которые приведены в конце каждого раздела учебного пособия, в заключение дан пример теста для проверки уровня обученности.

8

1.МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Слово методология образовано из двух греческих слов: methodos – путь исследования, познания и logos – понятие, учение. Таким образом, одним из вариантов толкования слова «методология» может быть «учение о пути исследования».

В широком смысле слова методология – это совокупность наиболее общих мировоззренческих положений и принципов, обусловливающих личностную позицию исследователя, а также научное обоснование методов познания исследуемых явлений и процессов объективной действительности. Проще говоря, методология – это система принципов, методов, правил организации и проведения тео- ретико-экспериментальной деятельности по выбранному научному направлению, например, в области машиностроения.

Известны несколько уровней методологии – гносеологический, мировоззренческий, научно-содержательный, логико-гносеологичес- кий, методологический. Последний определяет знания о различных методах, опираясь на которые можно осуществить обработку результатов теоретико-экспериментальной деятельности.

Любое научное исследование состоит в том, чтобы обнаружить, сформулировать и решить некоторый комплекс взаимосвязанных теоретических или практических задач, который составляет научную проблему.

Проблема обычно возникает как следствие обострения объективных противоречий между достигнутым объемом и уровнем научных знаний и необходимостью решения новых научно-иссле- довательских или практических производственных задач.

Для решения проблемы предпринимаются специальные научные исследования. Под научным исследованием в широком смысле следует понимать комплекс теоретических построений и экспериментальных операций, выполняемых в отношении объекта (процесса) исследований для определения его свойств и закономерностей поведения с целью их познавательного или практического применения.

9

Способы исследования, а также способы подхода к изучаемым явлениям, планомерный путь научного познания и установления ис-

тины называют методами. Различают следующие методы исследо-

ваний: всеобщий метод, общенаучные методы и конкретно-научные (частные) методы.

Всеобщий метод – это метод познания мира и конкретных объектов вообще вне зависимости от их физической природы. Таким единственно правильным и последовательно научным методом яв-

ляется диалектический метод.

1.1. Основные этапы развития науки

Истоки науки уходят своими корнями в практику ранних человеческих обществ, в которой нераздельно соединялись познавательные и производственные моменты. Первоначальные знания носили практический характер, исполняя роль методических руководств конкретными видами человеческой деятельности.

В странах Древнего Востока (Египет, Индия, Китай) было накоплено значительное количество такого рода знаний, которые составляли важную предпосылку для будущей науки. В этот период появляются первые признаки институциализации науки – процесса, связанного с организацией исследований и воспроизводства субъекта научной деятельности. Этот процесс сопровождается возникновением и консолидацией ученых сообществ, научно-исследо- вательских и специальных учебных заведений. Уже в Древнем Египте существовало своеобразное высшее научное учреждение – «дом жизни», где накапливались наиболее ценные достижения производства и интеллектуального труда.

Спецификой греческой философии, особенно в начальный период ее развития, является стремление понять сущность природы, космоса, мира в целом. Первые греческие философы – Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, несколько позднее – пифагорейцы, Гераклит, Эмпедокл и другие – размышляют о происхождении мира, его строении, пытаются постигнуть его начала и причины. Не случайно их так и называли – «физиками», от греческого слова «фюсис» –

10