1.3. Матеріал і масштаб моделі

Проведення досліджень у виробничих умовах не завжди є можливим та доцільним. Тому виникає необхідність у лабораторному експерименті, який обґрунтовано, базується на законах теорії подібності та моделювання. Для того, щоб зберегти подібність фізико-механічних властивостей моделей та натурних конструкцій, їх необхідно виготовлювати з того ж матеріалу, що не завжди зручне. Якщо матеріал моделі відрізняється від матеріалу натури, необхідно, щоб відповідні криві деформування, побудовані у безрозмірних координатах, були подібні. В практиці моделювання найбільш розповсюдженими матеріалами є стопи алюмінію і свинцю, різноманітні сталі, полімерні та інші матеріали, зокрема, й пластилін. Наприклад, для дослідження пластичних деформацій металів, за високих температур, в лабораторних умовах можна використовувати свинець, оскільки цей матеріал добре обробляється, він пластичний, має низьку температуру рекристалізації і для нього можна реалізувати повний металургійний цикл. Окрім того, введенням у свинець невеликої кількості сурми (до 5%) і теллуру (до 0.5%) можна змінювати механічні характеристики модельного матеріалу в достатньо широких межах. Тому часто вдається досягти того, щоб криві зміцнення легованого сурмою і теллуром свинцю за кімнатної температури, були схожі на криві зміцнення реального металу. Застосовуючи полімерні та інші неметалеві матеріали, слід взяти до відома, що різниця в реологічній поведінці матеріалів моделей і натури, може обумовити неправильні результати.

При постановці експерименту необхідно таки звертати увагу на раціональний вибір масштабу. Бажано, щоб розміри моделі були якомога більшими, оскільки це дає можливість полегшити процес її виготовлення. Але в багатьох випадках збільшення масштабу не можливе або недоцільне. Це обумовлене у першу чергу великими розмірами реальних об’єктів. Окрім того, потужність лабораторного обладнання і труднощі у виготовленні зразків великих розмірів накладають обмеження у виборі масштабу. Тому, зазвичай, використовують зменшені моделі. Слід враховувати, що дуже велике зменшення масштабу приводить до потреби підвищення точності вимірювань. Суттєво складнішою стає реалізація геометричної подібності. Практикою моделювання з’ясовано, що оптимальними значеннями геометричного масштабу є відношення в межах від однієї третьої до однієї десятої розмірів реального об’єкту.

Коли спостерігається значна розбіжність результатів, отриманих в модельованих і натурних умовах то це пояснюється, з одного боку, неповним дотриманням критеріїв подібності (неадекватна модель), а з другого – наявністю значного розкиду даних виробничого експерименту, який має меншу точність і великі відхилення в термомеханічних режимах деформування.

1.4. Вибір вимірювальних приладів

При проведенні експерименту вихідна (що знімається) інформація, яка в подальшому буде реєструватися, перетворюючись в електричний, світловий чи інший сигнал, потребує використання комбінації різноманітних приладів, які разом з тим змінюють характер або форму сигналу. Це обумовлене, передусім, існуванням між окремими елементами вимірювальної системи меж поділу, які вносять додаткові похибки в результати вимірювань. На межах поділу сигнал може змінюватися лінійно чи нелінійно, можуть виникати не прогнозовані збурення, ослаблення чи підсилення сигналу тощо. Наприклад, для вимірювання тиску рідини чи газу досить часто застосовують систему, схема якої зображена на рис. 1.1. Тут можна виділити три основні межі поділу: рідина – пружний елемент, пружний елемент – тензодавач, тензодавач –реєструвальний пристрій.

О

Рис. 1.1. Схема вимірювання тиску рідини:

1 – рідина; 2 – тензодавачі; 3 – пружний елемент; 4 – реєструвальний пристрій

крім того, сам реєструвальний пристрій має декілька меж поділу. Для того щоб передача сигналу здійснювалася без спотворень, на межах поділу необхідно мати ідеальні умови. Наприклад, деформація пружного елементу повинна бути прямо пропорційною тиску; зміна опору тензорезистора повинна бути однозначно зв’язана з деформацією пружного елементу і т. ін. На практиці, строго витримати ці вимоги не вдається, а тому,

необхідно мінімізувати кількість меж поділу.

Вибір схеми вимірювальної системи визначається точністю вимірювань і діапазоном вимірюваних величин, а також характером і формою отримання дослідних даних.

При проведенні вимірювань досить часто виникають похибки обумовлені додатковими навантаженнями на межу поділу (електрична енергія, теплова, і т. ін.), які створюють вимірювальні прилади. У деяких випадках цим не можна нехтувати, а необхідно використовувати інші прилади, або коректувати схему вимірювань.

При вивченні швидкоплинних процесів слід враховувати динамічні характеристики приладів тому, що можуть виникати амплітудні, фазові, а інколи й частотні спотворення вихідного сигналу, обумовлені інерційністю електромеханічних вузлів і ланцюгів системи, тертям, появою резонансу. В таких випадках рекомендується робити заміну елементів ланцюга, наприклад, самописців, які мають порівняно велику інерційність, на електронні осцилографи, у яких запізнення практично відсутнє. В останні роки часто використовується моделювання на комп’ютерах роботи комплексу вимірювальної апаратури. У цьому випадку вихідні сигнали датчика вводяться на комп’ютер, який за допомогою відповідних програм обробляє інформацію її реконструює і видає більш точний результат.

Якщо вимірювання характеризуються великими похибками, або погано відтворюються, рекомендується використовувати декілька вимірювальних приладів, що працюють паралельно, або проводити повторні дослідження. Згідно теорії ймовірностей, чим більше проведено вимірів, тим статистично достовірніші отримані дані, але дослідження явищ, які характеризуються великим рівнем детермінованості, збільшує трудовитрати на проведення експерименту. На практиці, за звичай, обмежуються двома-трьома вимірами.

Нехай, після проведення вимірювань, отримані значення і шуканої величини, причому . Якщо процесу властивий нормальний характер розподілу то істинне значення лежатиме в межах з надійністю . Якщо нас цікавить надійність у то . У випадку здійснення трьох вимірів та їх упорядкування , істинне значення буде лежати між значеннями і з надійністю , а для надійності - між і .

Вибираючи прилади для експерименту, перевагу слід надавати приладам, що виробляються серійно і є сертифікованими та повіреними, хоча інколи, їх використання є достатньо складним і не забезпечує відтворення результатів. А тому у експериментатора достатньо часто виникає потреба самому розробляти вимірювальну систему, що складається зі стандартних вузлів приладів. Чим вищі вимоги до точності результатів експерименту, тим точніша і складніша вимірювальна апаратура. Проектуючи вимірювальну схему, слід заздалегідь узгоджувати точність елементів, що входять в неї, з рівнем вимірювальних величин і не рекомендується застосовувати у ланцюгу прилади з різною точністю.