Сладков (лекции, ккр) / Lektsia_1

6

Лекция №1

Общие понятия об инженерном эксперименте

План лекции

1. Эксперимент, как предмет исследования.

2. Основные термины и определения.

1. Эксперимент, как предмет исследования

Одним из необходимых условий, обеспечивающих развитие науки и техники, является постоянное получение, накопление и интерпретация экспериментальных данных. Эксперимент – это не только способ проверки теоретических положений, но и основная база для возникновения новых теорий. Следует отметить, что свои положительные качества эксперимент в полной мере проявляет только при правильной его организации и постановке самой процедуры исследования, а так же при надлежащей обработке и интерпретации результатов.

При выполнении научно-исследовательских работ очень часто приходиться обращаться к эмпирическим данным. Так при баллистических исследованиях приходиться определять изменения давления в камере двигателя во времени, температуру продуктов сгорания топлива, характеристики движения летательного аппарата на траектории, координаты точек падения боеприпасов и т.п.

Постановка экспериментальной работы может быть подчинена решению различных задач.

Первая область применения экспериментальных исследований охватывает случай, когда численные значения характеристик, исследуемого объекта заранее неизвестны. В этом случае они определяются из эксперимента. При этом исследователя могут интересовать только некоторые отдельные параметры объекта, например, максимальные давления в камере двигателя, импульс тяги и т.п., которые могут интерпретироваться как случайные величины, характеризующиеся полем рассеивания, математическим ожиданием и дисперсией. В ряде случаев исследователь может искать более полную характеристику изучаемого параметра, выражающуюся в виде зависимостей, описывающих определенные закономерности, присущие данному параметру.

Вторая область применения эксперимента охватывает случаи, когда численные значения характеристик исследуемого параметра или даже функциональная зависимость известны. В этом случае исследователь сравнивает результаты эксперимента с теоретическими значениями характеристик или с известной аналитической функцией и делает заключение об их соответствии.

Третьей областью экспериментальных работ является установление связей между параметрами изучаемого объекта. Эта связь может быть функциональной (детерминированной) или стохастической, выражаемой корреляционными соотношениями.

Результаты количественного эксперимента, вне зависимости от его целевого назначения, представляются в виде набора чисел. Для того чтобы воспользоваться полученными результатами и сделать на основании их какие-то обобщения и выводы, требуется предварительно провести статическую обработку материалов эксперимента.

Конечной целью любого эксперимента является получение результатов, которые могут представляться в качественном и количественном виде. К качественным относятся результаты, не имеющие числового выражения: появление какого-либо события, форма, цвет предмета и т.п. Основной целью инженерного эксперимента является получение количественных результатов, выражающихся в виде чисел: давление, температура, скорость и т.п.

При проведении эксперимента исследуется воздействие на объект или процесс различных факторов. К основным факторам принято относить такие, влияние которых исследуется, а также факторы, служащие стабилизации явления. К побочным факторам относят такие факторы, влияние которых на объект несущественно или в данном случае не изучается. При проведении эксперимента побочные факторы желательно устранить. Если этого сделать не удается, то необходимо учесть их в числе основных. Неустранимые факторы, неподдающиеся, либо трудно поддающиеся учету, относятся к числу случайных. Результат эксперимента, который получился бы при воздействии только основных факторов, называется истинным результатом. Отыскание такого результата является идеальной целью любого исследования.

В реальных условиях на результат испытания оказывают воздействие всевозможные случайные факторы, полностью учесть которые невозможно. Следовательно, реальный результат наблюдений всегда является случайной величиной. Анализ случайной величины и поиск в них закономерностей является абсолютно необходимым приемом при обработке результатов наблюдений.

Усложнение объектов испытаний ставит перед теорией инженерного эксперимента новые проблемы, к основным из которых можно отнести:

1. Недоступность для непосредственного измерения характеристик объектов испытаний. То есть совокупность технико-экономических показателей, по которым производиться оценка испытуемого объекта, не совпадает с совокупностью параметров объекта, определяемых по результатам натурного эксперимента.

2. Необходимость организации испытаний объектов, процессы функционирования которых носят сложный динамический характер и подвержены существенному влиянию изменяющихся условий внешней среды.

3. При исследовании сложных комплексов повышается значение учета тех влияний, которые оказывает измерительное оборудование на процессе функционирования испытуемого объекта.

4. Математическая модель становиться неотъемлемой частью испытаний, без построения которой невозможно планирование эксперимента, его поведение и обработка результатов.

Поэтому важнейшим принципом организации сложных экспериментов в современных условиях является системный подход, предполагающий рассмотрение всех средств, участвующих в эксперименте, как единой системы.

Настоящий курс, посвященный экспериментальной баллистике, содержит основные понятия и методы теории ошибок, анализа размерностей, теории подобия, планирования и обработки результатов эксперимента, а так же описание методов и средств проведения внутрибаллистических и внешнебаллистических экспериментальных исследований ракетной и ствольной техники.

Данный курс базируется на знании следующих дисциплин: теории вероятности и математической статистики, внутренней и внешней баллистики.

1.2. Основные определения и термины

В большинстве своем основные понятия инженерного эксперимента являются установившимися техническими терминами, тем не менее, представляется целесообразным дать расшифровку основных терминов, часто встречающихся в данном курсе.

Измерительные приборы – это устройства, предназначенные для восприятия, регистрации, записи и хранении информации об исследуемом параметре.

Испытательная аппаратура – это все устройства, необходимые для проведения эксперимента.

Образец для испытаний представляет собой объект, подвергаемый испытаниям, который при необходимости можно заменить другим.

План эксперимента – набор инструкций по проведению эксперимента, в которых указывается последовательность работы, характер и величина изменений переменных.

Последовательность проведения эксперимента означает порядок выполнения необходимых действий.

Репликация – это повторение эксперимента, т.е. возвращение к первоначальным условиям.

Переменная – это любая варьируемая физическая величина. Если варьирование переменной происходит независимо от других величин, то такая величина называется независимой переменной.

Внешней переменной называется физическая величина, влияющая на эксперимент и изменяющаяся случайным образом или не подлежащая контролю.

Ошибкой эксперимента называется отклонение реального результата измерения от истинного значения величины. Ошибки бывают систематическими, случайными и грубыми.

Неопределенность представляет собой оценку ошибки.

Термин данные означает символический «продукт» эксперимента, отражающий информацию, получаемую при проведении исследований. Необработанные данные – это информация, полученная непосредственно с измерительных приборов.

Обработанные данные – это та же информация, представленная в удобном для восприятия виде, после выполнения над ней некоторых математических операций.