Цель и задачи научного наследования

Завершив анализ научно-технической информации по выбранной теме исследования, научный работник должен поставить цель, кото­рую необходимо достигнуть в результате выполнения работы, и за­дачи, которые необходимо решить, чтобы достигнуть поставленной цели.

Цель формулируется в теме научно-исследовательской работы. Например, в диссертационной НИP «Методика расчетной оценки проч­ности стыковых паяных соединений трубопроводов» доставлена сле­дующая цель: разработать методику расчетной оценки статической прочности стыковых паяных соединений трубопроводов на базе изу­чения их напряженно-деформированного состояния с учетом факторов механической неоднородности и дефектов пайки.

Для достижения поставленной цели необходимо решать ряд задач. Обычно ставятся основные задачи. В указанном примере такими зада­чами могут быть:

1.  Исследовать ивыявить закономерности напряженно-деформи­рованного состояния и механического поведения паяных стыковых соединений.

2.  Разработать расчетные модели механического поведения пая­ных стыковых соединений на различных стадиях нагружения.

3.  Разработать методику расчета прочности стыковых соедине­ний трубопроводов и оценки критических размеров дефектов пайки.

4.  Провести проверку расчетной методики путем эксперименталь­ных исследований образцов и натурных труб.

Для темы НИР «Исследование стойкости сталей против холодных трещин и разработка методики применительно к условиям отрасли» была поставлена следующая цель: провести исследования и разрабо­тать менее трудоемкую и материалоемкую методику испытаний применяемых в отрасли сталей на стойкость против холодных трещин.

     И в соответствии с этой целью была поставлены следующие за­дачи:

     1. Выполнить патентный поиск по способам количественной
оценки стойкости сталей против холодных трещин.

     2. Провести сравнительные испытания различных сталей по 2…3 наиболее подходящим методикам.

     3. Разработать новуюметодику испытания сталей на стойкость против холодных трещин.

     4. Разработать и испытать опытную установку для испытания сталей по новой методике.

5. Выполнить испытания нескольких марок сталей по новой
методике.

 

Разработка методики теоретического и экспериментального

Исследования

Лишь обоснованно выбранная, правильно составленная методика гарантирует надежность полученных при выполнении исследования результатов. Поэтому разработка методики исследования является важ­ным этапом выполнения НИР. Методика должна предусматривать как теоретические, так и экспериментальные исследования.

Теоретические исследования выполняют, обычно, методом моделирования - изучения явлений с помощью моделей, Модель – искусственная система, отображающая основные свойства изучаемого объек­та – оригинала. Различает физическое и математическое моделирова­ние. При физическом моделировании физика явлений в объекте и мо­дели и их математические зависимости одинаковы.

При математическом моделировании физика явлений может быть различной, а математические зависимости – одинаковы. Математическое моделирование осо­бенно ценно при изучении сложных процессов.

При построении модели изучаемый объект и его свойства обычно упрощают. Однако надо иметь в виду, чем ближе модель к оригиналу, тем ближе полученные при теоретическом исследовании результаты к действительности.

Модели могут быть физические, математические и натурные.

Физические модели позволяют наглядно представить протекающие в натуре процессы и исследовать влияние отдельных параметров на течение эти процессов. Математические модели позволяют количественно исследовать явления, трудно поддающиеся изучению на физических моделях.

Натурные модели представляю собой масштабно изменяемые объекты. Они позволяют наиболее полно исследовать процессы, про­текающие в натурных условиях.

Модель должна быть оптимальной и отображать существенные яв­ления процесса. Излишняя детализация усложняет модель, затрудняя теоретические исследования, делая их громоздкими. Слишком упро­щенная модель не обеспечивает требуемую точность, адекватность. Изучить и проанализировать явление наиболее полно можно лишь при условии, что его модель представлена описанием физической сущнос­ти и имеет математический вид. Применение электронных вычислительных машин (ЭВМ) при этом многократно ускоряет теоретические иссле­дования.

Применение ЭВМ для моделирования оказывается полезным, если аналитическим методами невозможно установить количественную связь между входными и выходными параметрами, а получение эмпири­ческой зависимости сопряжено с большими затратами.

Процесс моделирования для ЭВМ содержит 5 основных этапов:

1)  выделение основных факторов и характеристик процесса и
описание взаимосвязи между ними с помощью математического аппарата;

2)  преобразование математического описания к виду, удобному
для ввода в ЭВМ;

3)  составление программы для ЭВМ;

4)  анализ полученных результатов;

5) сопоставление этих результатов с опытными.

На ЭВМ все параметры моделируемого процесса представляются ввиде чисел, а процесс моделирования сводится к преобразованию этих чисел по заданному программой алгоритму. Дискретный характер работы ЭВМ позволяет заменять дифференциальные уравнения на системы из нескольких алгебраических уравнений, решение которых на­ходят с помощью арифметических операций.

Экспериментальное исследование – один изосновных способов получения новых научных знаний. В его основе лежит эксперимент (научно-поставленный опыт) или наблюдение явления в точно учитываемых условиях. Эксперимент позволяет следить за ходом процесса, управлять им и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Основной целью эксперимента является проверка теорети­ческих положений, а также и получение количественных данных для отбора значимых факторов при разработке модели. Эксперимент может быть количественный и качественным.

Различают эксперименты естественные и искусственные.

Естественные - характерны при изучении социальных явлений.

Искусственные - особенно часто применяются в технических науках.

Экспериментальные исследования делятся на лабораторные и производственные. Лабораторные опыты проводят с применением типовыхприборов, специальных установок и стендов и т.п. Они позволя­ют наиболее полно и доброкачественно с требуемой повторяемостью изучить влияние одних характеристик при стабилизации других. Ла­бораторные опыты при достаточно полном научном обосновании экспе­римента (математическое планирование) позволяют получить хорошую научную информацию с минимальными затратами. Однако лабораторные опыты не всегда полностью моделируют реальный ход процесса, поэто­му возникает необходимость в проведении производственного экспери­мента.

Производственный эксперимент позволяет изучить процесс в ре­альных условиях с учетом воздействия различных случайных факторов производственной среды. Вследствие, как правило, громоздкости опы­та требуется особо тщательное продумывание и планирование экспери­мента с обоснованием минимального потребного количества измерений. Производственные эксперименты иногда заменяют опытами на специаль­ных полигонах.

Чтобы экспериментальное исследование дало максимум информации, необходимо разработать методологию эксперимента, исходя из цели и задач исследования.

Методология эксперимента - общая структура эксперимента, т.е. постановка и последовательность выполнения исследования. Она вклю­чает в себя следующие этапы:

- разработку плана-программы эксперимента;

- оценку измерений и выбор средств для проведения экспери­мента;

- проведение эксперимента;

- обработку и анализ экспериментальных данных.

Так как в последнее время широко применяют математическую теорию эксперимента, то проведению эксперимента предшествует этап математического планирования эксперимента.

План - программа эксперимента включает наименование темы иссле­дования, рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необхо­димых материалов, приборов, установок, список исполнителей, календарный план и смету. Основу плана - программы составляет методи­ка эксперимента. Методика включает в себя цель и задачи экспери­мента; выбор варьируемых факторов; обоснование средств и потреб­ного количества измерений; описание проведения эксперимента; обо­снование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Выбор варьируемых факторов – установление основных и второстепенных факторов (характеристик), влияющих на исследуемый про­цесс. Правильный отбор этих факторов определяет эффективность эксперимента. В отдельных случаях для правильного отбора необходим предварительный поисковый эксперимент. При малом числе пере­менных изучают последовательно ихвлияние при остальных неизмен­ных величинах. Если же переменных величин много, целесообразен принцип многофакторного анализа.

Проведение эксперимента – важнейший и наиболее трудоемкий этап. При его выполнении очень важна последовательность опытов. Чтобы исключить систематические ошибки, которые могут возникнуть при субъективном назначении последовательности опытов, используют метод рандомизации. Он заключается в той, что после последователь­ной нумерации предполагаемых опытов им присваивает номера из последовательности случайных чисел.

А затем эти числа располагают в порядке возрастания (убывания) и в этом порядке выполняют эксперименты.

Например, последовательность пяти опытов определяется так. Нумеруют опыты: 1, 2, 3, 4, 5. Затем из перечня случайных чисел (из любой его строки или столбца) выписывают пять последовательных чисел. Например, 86, 46, 52, 02, 29. Затем их последовательно прис­ваивает опытам: 1 – 88, 2 – 46, 3 – 52, 4 – 02, 5 – 29. Располагая случайные числа в порядке возрастания (убывания), определяют последовательность выполнения опытов: 4 (02), 5 (29), 2 (40), 3 (52), 1 (88).

Обязательным требованием проведения эксперимента является ведение журнала, в котором фиксируют все характеристики исследуемого процесса и результаты наблюдений. Иногда, стремясь быстрее получить нужный результат, подтверждающий гипоте­зу, научный работник принимает во внимание только те данные, кото­рые хорошо согласуются с теоретическими предположениями (расчета­ми). Неучет несогласующихся с этим данных часто ведет к тому, что в исследуемом процессе упускается очень важное свойство. А восста­новить такие данные бывает трудно.

Одновременно с производством опытов исполнитель должен прово­дить предварительную обработку результатов и их анализ.