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.
