книги / Современные методы исследования свойств строительных материалов. Ч. 1

х попадает в данный предел, вычисляется по распределению Ла­

пласа:

/(* ) =

Функция J{x) табулирована и используется в исследо­

ваниях.

При анализе многих случайных дискретных процессов пользуются распределением Пуассона. Например, поток авто­ мобилей, прибывающих на асфальтобетонный завод, поток ав­ томобилей перед светофором и другие краткосрочные события,

хX

где х - число событий за данный отрезок времени /; X - плот­

ность, т.е. среднее число событий за единицу времени; Xt - среднее число событий за время (, Xt = т.

Распределение Пуассона относят к редким событиям, т.е. Р(х) - вероятность того, что событие в период какого-то испы­

тания произойдет х раз при очень большом числе событий т.

Для закона Пуассона дисперсия равна математическому ожида­ нию числа наступления события за время /, т.е. S2 = т. Как вид­

но из формулы, пуассоновский процесс можно задать двумя па­ раметрами х и т . Табличные значения вероятностей Р(х) для х от 0 до 25 и т от 0,1 до 18 составляет соответственно от 0,904

до 0,023.

Рассмотрим пример. С помощью наблюдений установле­ но, что за пять минут на погрузку под экскаватор поступает 6 автосамосвалов.

Какова вероятность поступления 10 автомобилей за 5 ми­ нут? В этом случае

б10^”6

JC= 10; 51/ = 6; Р(х) = — ?— = 0,041.

10

Как видно, эта вероятность очень мала.

Рассмотрим второй пример. Вероятность возникновения брака составляет 0,02. Какова вероятность того, что в партии из 100 единиц окажется пять бракованных изделий? Имеем

100 0,02 = 2;

2 " V 2

х = 5, тогда Р(х) = — -— = 0,036,

т.е. вероятность очень мала.

Для исследования количественных характеристик некото­ рых процессов (время обслуживания строительных машин в ре­ монтных мастерских и автомобилей на станции технического обслуживания, время отказов машин и изделий, длительность телефонных разговоров между диспетчером и передвижными оперативными пунктами т.д.) можно применять показательный закон распределения (рис. 16).

Плотность вероятности показательного закона выражается зависимостью

f( x ) = X e ^ ,

где X - плотность или интенсивность (среднее число) событий в

единицу времени.

В показательном законе плотность является величиной, обратной математическому ожиданию:

т(х)'

Кроме того, имеет место соотношение 82 = [m(.v)]2 В раз­ личных областях исследований широко применяется закон рас­ пределения Вейбулла (рис. 17).

/ ( х ) = щ1пхп-'е~>‘’х"

Здесь и, (I - параметры закона; х - аргумент, чаще прини­

маемый как время.

Исследуя процессы, связанные с постепенным снижением параметров (ухудшение свойств материалов во времени, дефор­ мация конструкций, процессы старения, износовые отказы в

/( * ) = Хе~и

2-<х = З Д = 1,3 - а = 4, 4 - <х= 5,

Х = 2, 5 - а = 6Д = 1

При исследовании многих процессов, связанных с анали­ зом климатических и гидрологических воздействий на сооруже­ ния, установлении расчетных характеристик грунтов и материа­ лов и т. д. используют закон распределения Пирсона. Из двена­ дцати типов этого закона чаще всего применяется третий (рис. 19):

f f{ x ) = aedx

ч У

где а - максимальная ордината; d, b - соответственно расстоя­

ния от максимальной ординаты до центра распределения и на­ чала координат.

11. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальное исследование - один из основных

способов получить новые знания. В его основе лежит экспери­ мент, представляющий собой научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях, позво­ ляющих следить за его ходом, управлять им, воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.

Основной целью эксперимента является проверка теоре­ тических положений (подтверждение научной гипотезы), а так­ же более широкое изучение темы научного исследования.

Эксперимент должен быть проведен по возможности в кратчайший срок с минимальной затратой материальных и де­ нежных средств при самом высоком качестве полученных ре­ зультатов.

Экспериментальные исследования делятся на лаборатор­ ные и производственные.

Лабораторные опыты проводят с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.д.

Производственные экспериментальные исследования име­ ют цель изучить процесс в реальных условиях с учетом воздей­ ствия различных случайных факторов производственной среды. Такие эксперименты проводят на строящихся объектах, заводах, эксплуатируемых дорогах, зданиях и сооружениях.

Одной из разновидностей производственных эксперимен­ тов является собирание материалов в организациях, которые на­ капливают по стандартным формам те или иные данные.

Вряде случаев производственный эксперимент эффектив­ но проводить методом анкетирования. Основные данные соби­ рают методом опроса производственных организаций по пред­ варительно составленной анкете. К результатам анкетных дан­ ных следует относиться с особой тщательностью, поскольку они не всегда содержат достаточно надежные данные.

Взависимости от темы научного исследования объем экс­ периментов может быть различным. В лучшем случае для под­ тверждения рабочей гипотезы достаточно лабораторного экспе­ римента, в худшем случае приходится проводить серию экспе­ риментальных исследований таких, как:

-предварительные (поисковые);

-лабораторные;

-полигонные, на эксплуатируемом объекте.

Вряде случаев на эксперимент затрачивается большое ко­ личество средств. Научный работник проводит огромное коли­ чество наблюдений и экспериментов (измерений). Получает множество диаграмм, графиков, выполняет неоправданно боль­ шое количество испытаний. На обработку и анализ такого экс­ перимента затрачивается много времени. Иногда оказывается, что выполнено много лишнего, ненужного. Все это возможно,

когда экспериментатор четко не обосновал цель и задачи экспе­ римента. В других случаях результаты длительного, обширного эксперимента не полностью подтверждают рабочую гипотезу научного исследования. Как правило, это также свойственно для эксперимента, четко не обоснованного целью и задачами. По­ этому прежде, чем приступить к экспериментальным исследо­ ваниям, необходимо разработать методологию эксперимента.

Методология эксперимента - это общая структура экспе­

римента, т.е. постановка и последовательность эксперименталь­ ных исследований.

Методология эксперимента включает в себя следующие

основные этапы:

-разработка плана программы эксперимента;

-оценка измерений и выбор средств для проведения экс­ перимента;

-проведение эксперимента;

-обработка и анализ экспериментальных данных.

12. РАЗРАБОТКА ПЛАНА-ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

План-программа включает наименование темы исследова­ ния, рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необ­ ходимых материалов, приборов, установок, список исполните­ лей эксперимента, календарный план работ и смету работы по конструированию и изготовлению приборов. В ряде случаев план-программа включает работу по конструированию и изго­ товлению приборов, аппаратов, приспособлений, методическое их обследование, а также программы опытных работ на заводах, в строительстве и т.п.

Основу плана-программы эксперимента составляет мето­ дика эксперимента. Методика эксперимента включает в себя:

-цель и задачи эксперимента;

-выбор варьирующих факторов;

-обоснование средств и потребного количества изме­

рений; - описание проведения эксперимента;

- обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Цель и задачи эксперимента. Четко обоснованные задачи

—это большой вклад в их решение. Количество задач не должно быть слишком большим. Для конкретного, не комплексного эксперимента оптимальным количеством поставленных задач является 3-4 задачи. В большом комплексном эксперименте их может быть 8-10.

Выбор варьирующих факторов - это установление основ­

ных и второстепенных характеристик, влияющий на исследуе­ мый процесс. В начале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого классифицируют все факторы

исоставляют из них убывающий по важности для данного экс­ перимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами.

Вотдельных случаях трудно сразу выявить роль основных

ивторостепенных факторов. При этом необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поиск.

Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изучают процесс в зависимости от какой-то одной пере­ менной при остальных постоянных. Если же переменных вели­ чин много, целесообразен принцип многофакторного анализа.

Обоснование средств измерений - это выбор необходи­

мых для наблюдения и измерений приборов, оборудования, ма­ шин, аппаратов и др. Ежегодно издаются каталоги на средства измерения, по которым можно заказать выпускаемые средства измерения.

Очень ответственной частью является установление точ­ ности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки - метрологии, изу­ чающей средства и методы измерений.

Важным разделом методики является выбор методов об­ работки и анализа экспериментальных данных. Обработка дан­ ных сводится к систематизации всех цифр, классификации, ана­ лизу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобо­

читаемые формы записи - таблицы, графики, формулы, номо­ граммы, позволяющие быстро и качественно сопоставлять по­ лученные результаты.

Проведение эксперимента. Проведение эксперимента яв­

ляется важнейшим и наиболее трудоемким этапом. Эксперимен­ тальные работы необходимо проводить в соответствии с утвер­ жденной планом-программой и особенно методикой экспери­ мента. При определении последовательности испытаний иногда используют метод рандомизации, который заключается в том, что опыты проводят в случайной последовательности, опреде­ ляемой с помощью перечня случайных чисел. Этим способом исключают систематические ошибки, которые могут возникнуть при субъективном назначении последовательности испытаний.

Особое значение имеет добросовестность при проведении эксперимента. Экспериментатор должен фиксировать все харак­ теристики исследуемого процесса, не допуская субъективного влияния на результаты измерений. Обязательным требованием проведения эксперимента является введение журнала. Форма журнала может быть произвольной. В журнале отмечают тему НИР и тему эксперимента, фамилию исполнителя, время и ме­ сто проведения эксперимента, характеристику окружающей среды, данные об объекте эксперимента и средствах измерений, результаты наблюдений, а также другие данные для оценки по­ лучаемых результатов. Журнал нужно заполнять аккуратно, без каких-либо исправлений. При получении в одном статистиче­ ском ряду результатов, резко отличающихся от соседних изме­ рений, исполнитель должен записать все данные без искажений и указать обстоятельства, сопутствующие указанному экспери­ менту. Это позволяет установить причины искажений и квали­ фицировать измерения, как соответствующие реальному ходу процесса или как грубый промах.

При проведении эксперимента исполнитель должен не­ прерывно следить за средствами измерений: устойчивостью ап­ паратов и установок, правильностью их показаний, характери­ стику окружающей среды, не допускать посторонних лиц в ра­ бочую зону. Исполнитель обязан систематически проводить ра­ бочую проверку средств измерений. Одновременно с провеДе“ нием поверки средств измерений исполнитель должен повысить

точность и достоверность измерений, необходимо уменьшить погрешности.

Погрешности классифицируют на систематические и слу­ чайные. Систематическими называют такие погрешности, ко­

торые при повторных экспериментах остаются постоянными. Случайными называют такие погрешности, возникающие чисто

случайно при повторном измерении. Эти измерения могут быть исключены как систематические.

Разновидность случайных погрешностей - грубая по­ грешность или промах. Как правило, это ошибки эксперимента­ тора. Их легко обнаружить. В расчет эти погрешности не берут. Таким образом, можно записать:

е = 8i + е2,

где С\ и е2 - систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности можно разделить на

5групп:

1.Инструментальные, возникающие вследствие наруше­

ний средств измерений, люфтов и трения, неточности градуиро­ вочной шкалы, износа и старения узлов и деталей средств

измерений и т.д.

2.Погрешности, которые возникают из-за неправильной установки средств измерений.

3.Погрешности, возникающие в результате действия внешней среды: изменения температуры, атмосферного давле­ ния, влажности воздуха, вибраций и колебаний и т.д.

4.Субъективные погрешности, возникающие вследствие индивидуальных физиологических, психофизиологических, ан­

тропологических свойств человека.

5. Погрешности метода. Они появляются в результате не­ обоснованного метода измерений (при различных упрощениях схем или функциональных зависимостей, при отсутствии теоре­ тических обоснований метода измерения, малом количестве по­ вторений и т.д.).

Систематические погрешности могут быть постоянными и переменными, увеличивающимися и уменьшающимися в про­ цессе эксперимента. Их обязательно нужно исключить.

13. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Неотъемлемой частью экспериментальных исследований являются средства измерений, т.е. совокупность технических средств, которые дают необходимую информацию для экспери­ мента. Любое испытание, в конечном счете, сводится к какимлибо измерениям. Реально измерению поддаются не так уж мно­ го физических величин. Так, при испытаниях строительных ма­ териалов измеряемых величин не более десятка. Это линейные размеры, объем, масса, сила, давление, температура, плотность. Почти все другие величины, характеризующие свойства строи­ тельных материалов, получают вычислением по формулам на основании проделанных измерений. Так, невозможно измерить прочность материала. Измеряют разрушающую силу и площадь образца, на которую эта сила действует, а прочность вычисляют. Не измеряют коэффициент теплопроводности, морозостойкость, водопоглощение и т.д., все эти величины также вычисляют на основании измерений.

Измерительные системы относятся к классу информаци­ онных систем, который включает в себя системы централизо­ ванного контроля, технической диагностики, распознавания и управления. Основной задачей измерительных систем, исполь­ зуемых при испытаниях строительных материалов, является из­ мерение и регистрация разнообразных физических величин, ха­ рактеризующих испытуемый материал.

Средства измерений можно разделить на группы для из­ мерения физических, механических, химических свойств, а так­ же структуры изделий и материалов.

Можно выделить прямые и косвенные измерения. Напри­

мер, определение прочности пресса - прямое измерение, а ско­ рости прохождения ультразвука - косвенное.

К средствам измерения относят - измерительный инстру­ мент, измерительные приборы и установки. Измерительные средства делят на образцовые и технические. Образцовые - это

эталоны, они предназначены для проверки технических измери­ тельных средств. Образцовые технические средства не обяза­ тельно должны быть точнее технических, но должны быть ста­ бильнее и надежнее в воспроизведении. Эталонные средства не