2.4. Модельные и натурные эксперименты.

Все вышеприведенные виды экспериментов преследуют своей целью получение некоторых констант исследуемого материала, и в них число действующих факторов сводится к минимуму. Однако бывают ситуации, когда необходимо исследовать совокупность влияния на объект нескольких факторов одновременно. Это, например, может быть исследование некоторых процессов, проходящих в области локализации пластических деформаций, объектов, находящихся в сложном напряженном состоянии, испытание новых конструкционных элементов или контроль качества и состояния сложных конструкций. В этом случае количество действующих факторов и конфигурации исследуемого объекта диктуется конкретными условиями работы объекта и может либо учитываться полностью (при проведении натурного эксперимента), либо частично ограничиваться с внесением неизбежной погрешности до тех пор, пока уровень этой погрешности остается в допустимых пределах (при проведении модельных экспериментов).

Эксперимент является натурным, если он проводится на самом объекте исследования без замены его моделью как, например, краш-тесты автомобилей, испытание корпусов самолетов на силовых стендах и в аэродинамических трубах или пассивный контроль состояния конструкций, находящихся непосредственно в состоянии эксплуатации. Такие эксперименты позволяют получить наиболее полное представление о реакции объекта на нагружение, однако они в большинстве случаев очень дороги и сложны.

Эксперимент является модельным, если он проводится на модели, в той или иной мере подобной натурному объекту.

Вариантом модели является просто уменьшенная копия большого объекта. Ее легче и дешевле сделать, удобнее нагружать и контролировать. Однако у такого моделирования есть свои ограничения. Так, например, при пропорциональном уменьшении линейных размеров вдвое объем (а с ним и объемные силы) уменьшается в восемь раз, а площадь поперечного сечения – в четыре, так что напряжения, создаваемые объемными силами, уменьшаются вдвое. Это делает некорректным простое масштабное моделирование в случае, когда объемные силы играют в деформировании и разрушении объекта существенную роль, то есть, либо когда объект велик (например, строительные конструкции), либо когда он испытывает большие ускорения. Масштабный эффект заметно проявляется в материалах с многомасштабной неоднородностью, как, например, горные породы – прочность маленького образца в среднем выше прочности большого из-за уменьшения вероятности присутствия в нем крупных дефектов.

Другой вариант модели – упрощенная конструкция, в которой сохранены наиболее опасные с точки зрения возможного разрушения элементы, а остальные либо устранены вовсе, либо заменены некоторым усредненным внешним воздействием. Используется также такой прием, как изготовление моделей металлических элементов конструкций из прозрачных материалов, характер деформирования или разрушения которых в некоторой степени может считаться подобным поведению моделируемого материала. Такие модели позволяют наблюдать за развитием внутренних трещин и измерять внутренние напряжения.