Основы научных исследований и моделирования металлургических машин

Е. Ю. Раскатов
В. А. Спиридонов

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И МОДЕЛИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН

Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по программам бакалавриата и магистратуры по направлению подготовки
15.03.02, 15.04.02 «Технологические машины и оборудование»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК  669(075.8)
ББК  34.Зя73-1
         Р242

Учебное пособие посвящено основам научного поиска, методам, которые широко используются в экспериментальных исследованиях. Рассмотрены основные процессы научных исследований: выбор темы, информационный и научный поиск, внедрение. Показана техника факторного планирования эксперимента. Особое внимание уделено интерпретации результатов
эксперимента и проверки правильности исходных предпосылок, приемам
планирования в лабораторных и промышленных условиях.
Материал пособия может служить методическим и практическим
руководством для выполнения научных работ студентами, обучающимися
по программам бакалавриата и магистратуры, а также для аспирантов соответствующего профиля.

Раскатов, Е. Ю.
Основы научных исследований и моделирования 
металлургических машин  [Электронный ресурс] : [учеб. пособие] 
/ Е. Ю. Раскатов, В. А. Спиридонов ; [науч. ред. В. С. Паршин] ; Мво образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т.  — 2-е 
изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. —  468 с.

ISBN 978-5-9765-3224-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1541-3 (Изд-во Урал. ун-та) 

Р242

ISBN 978-5-9765-3224-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1541-3 (Изд-во Урал. ун-та) 

УДК 669(075.8)
ББК 34.Зя73-1

© Уральский федеральный университет, 2015

Рецензенты:
Б.  М.  Г о т л и б,  доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Мехатроника»
Уральского государственного университета путей сообщения;
Б.  Н.  Г у з а н о в,  доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой материаловедения, технологии контроля
в машиностроении и методики профессионального обучения
Российского государственного профессионально-педагогического университета

Научный редактор
В.  С.  П а р ш и н,  доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Металлургические и роторные машины» УрФУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................. 6

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАУКЕ ............................................................ 10

1.1. Основные понятия, роль науки в современных условиях ............ 10
1.2. Классификация научных исследований ......................................... 12
1.3. Аттестация научных работников .................................................... 15

2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ НАУКИ
И ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ..................................................... 19

2.1. Сущность инженерной деятельности и ее зарождение ................ 21
2.2. Появление знаний в области механики ......................................... 50
2.3. Развитие механики как науки ......................................................... 68
2.4. Развитие инженерной деятельности .............................................. 110
2.5. Cтановление отечественных инженерных наук ............................ 126

3. МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ....... 152

3.1. Особенности НИР и ОКР ............................................................... 152
3.2. Организационные принципы выполнения НИР ......................... 155
3.3. Основные этапы проведения НИР ................................................ 157
3.4. Составление, оформление отчета о НИР

или диссертационной работы ....................................................... 160

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАК ЧАСТЬ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ........................................ 163

4.1. Моделирование ............................................................................... 163
4.2. Формы моделирования, типы моделей ........................................ 164
4.3. Кибернетическое представление модели ..................................... 169
4.4. Геометрическое представление модели ........................................ 171
4.5. Основные понятия теории подобия и размерностей .................. 173

4.5.1. Характеристика входных и выходного параметров ........... 173
4.5.2. Теорема о существенных параметрах ................................. 176
4.5.3. Размерные и безразмерные величины ............................... 179
4.5.4. Теорема подобия (-теорема) .............................................. 186

4.5.5. Примеры решения задач с применением -теоремы .......... 190
4.5.6. Правила проектирования моделей ...................................... 199
4.5.7. Основы физического моделирования .................................. 205

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .................................. 211

5.1. Общие сведения .............................................................................. 211

5.1.1. Цели эксперимента ............................................................... 216
5.1.2. Описание изучаемого процесса ........................................... 216
5.1.3. Нахождение экстремальных условий процесса .................. 216
5.1.4. Ранжирование переменных .................................................. 217
5.1.5. Имитация реального процесса ............................................. 218
5.1.6. Типы эксперимента ............................................................... 218

5.2. Модельные исследования ............................................................... 222

5.2.1. Датчики .................................................................................. 223
5.2.2. Электротензометрия .............................................................. 226
5.2.3. Пьезодатчики. Пьезоизмерительная система ...................... 252
5.2.4. Измерение напряжений и усилий в деталях машин ........... 267

5.3. Планирование эксперимента .......................................................... 307

5.3.1. Общие сведения ..................................................................... 307
5.3.2. Планы первого порядка.

Основные понятия и определения ........................................ 308

5.3.3. Полный факторный эксперимент ......................................... 317
5.3.4. Дробный факторный эксперимент ...................................... 322
5.3.5. Свойства матриц полного и дробного

факторных экспериментов .................................................... 332

5.4. Эмпирические методы исследования ............................................ 333
5.5. Ошибки измерений ......................................................................... 336

5.5.1. Погрешности измерений и их причины .............................. 336
5.5.2. Погрешности, связанные с процессом измерения .............. 337
5.5.3. Погрешности, связанные с обработкой

измеренных величин ............................................................. 341

5.5.4. Погрешности измерительных устройств ............................. 343
5.5.5. Статические погрешности измерений.

Виды погрешностей .............................................................. 345

5.5.6. Случайная погрешность отдельного измерения ................. 346
5.5.7. Случайная погрешность среднего значения ........................ 350

5.5.8. Систематическая погрешность ............................................ 351
5.5.9. Распространение погрешностей .......................................... 353
5.5.10. Грубые погрешности измерения и их отсеивание .......... 356

6. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ .................... 357

6.1. Общие принципы математической статистики ............................ 358
6.2. Оценка выборок .............................................................................. 360
6.3. Проведение эксперимента и обработка его результатов .............. 361
6.4. Крутое восхождение по поверхности отклика ............................. 379
6.5. Проверка гипотезы нормальности распределения ...................... 387
6.6. Различие средних значений ........................................................... 389
6.7. Линейная регрессия ........................................................................ 391
6.8. Линейная корреляция ..................................................................... 395
6.9. Автоматическая коррекция погрешности ..................................... 399

7. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ
ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ....................................................... 402

7.1. Дифференциальные уравнения ...................................................... 403
7.2. Основные численные методы решения технических задач ......... 410

8. ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ......................................... 421

8.1. Общие сведения об изобретательской деятельности

и патентовании ................................................................................ 421

8.2. Изобретательство как исследовательский процесс ...................... 423
8.3. Выбор аналогов технического объекта и его описание ............... 427
8.4. Основы создания патентоспособного технического объекта ...... 430
8.5. Обеспечение изобретательского уровня

технической разработки .................................................................. 437

8.6. Патент на изобретение, полезную модель,

промышленный образец ................................................................. 448

8.7. Система регистрации научных открытий ..................................... 455

9. ВНЕДРЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ
В ПРАКТИКУ ............................................................................................ 458

Библиографические ссылки ...................................................................... 466

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные наука и техника ставят перед высшей школой все

более сложные задачи. Высшая техническая школа должна не только дать своим студентам инженерное образование в виде определенной суммы знаний и опыта, но и воспитать инженеров. Современные инженеры должны иметь широкую общенаучную подготовку
и достаточную специализацию, обладать навыками самостоятельной работы и научных исследований, должны быть готовы дать
научно-техническую, экономическую, политическую и даже психологическую оценку той или иной производственной ситуации.
Для этого они должны постоянно находиться на уровне передовых
достижений науки и техники, экономики и политики.

Подготовить такого инженера непросто, нужны усилия вуза

и самого студента. Одним из эффективных направлений совершенствования подготовки инженеров является привлечение студентов
к реальной научно-исследовательской работе. Такая работа должна
воспитывать в студенте черты исследователя, способного самостоятельно ориентироваться в новых и неожиданных условиях, обогащать
его навыками самостоятельного творчества. Важная роль в этом
деле принадлежит учебной исследовательской работе студентов.

Всякое исследование в науке предпринимается для того, чтобы

преодолеть определенные трудности в процессе познания новых
явлений, объяснить ранее неизвестные факты или выявить неполноту старых способов объяснения известных фактов. Эти трудности в наиболее отчетливом виде выступают в так называемых проблемных ситуациях, когда существующее научное знание, его уровень
и понятийный аппарат оказываются недостаточными для решения
новых задач познания. Осознание противоречия между ограниченностью имеющегося научного знания и потребностями его
дальнейшего развития и приводит к постановке новых научных
проблем.

Научное исследование не только начинается с выдвижения

проблемы, но и постоянно имеет дело с проблемами, так как решение одной из них приводит к возникновению других, которые,
в свою очередь, порождают множество новых проблем. Разумеется, не все проблемы в науке являются одинаково важными и существенными. Уровень научного исследования в значительной мере
определяется тем, насколько новыми и актуальными являются проблемы, над которыми работают ученые. Любая научная проблема
тем и отличается от простого вопроса, что ответ на нее нельзя найти путем преобразования имеющейся информации. Решение проблемы всегда предполагает выход за пределы известного и поэтому
не может быть найдено по каким-то заранее известным, готовым
правилам и методам. Это не исключает возможности и целесообразности планирования исследования, а также использования некоторых вспомогательных, эвристических средств и методов для решения конкретных проблем науки.

Возникновение проблемы свидетельствует о недостаточности

или даже об отсутствии необходимых знаний, методов и средств
для решения новых задач, постоянно выдвигаемых в процессе
практического и теоретического освоения мира. Как уже отмечалось, противоречие между достигнутым объемом и уровнем научного знания, необходимостью решения новых познавательных задач, углубления и расширения существующего знания и создает
проблемную ситуацию.

Прежде чем взяться за решение проблемы, необходимо провес
ти предварительное исследование, в процессе которого будет точно
сформулирована сама проблема и указаны примерные пути и методы ее решения. Такая разработка проблемы может осуществляться по следующим основным направлениям:

1. Обсуждение новых фактов и явлений, которые не могут быть

объяснены в рамках существующих теорий. Предварительный анализ должен раскрыть характер и объем новой информации. В опытных науках такой анализ связан в первую очередь с обсуждением
новых экспериментальных результатов и данных систематических наблюдений. Насколько многочисленны полученные данные?

Как сильно противоречат они имеющейся теории? Существует ли
принципиальная возможность приспособления и модификации
известных теорий к этим данным? История науки показывает, что
старые теории не сразу отвергались, если обнаруживались противоречащие им факты: эти теории старались модифицировать таким
образом, чтобы они смогли объяснить и новые факты. И только
безуспешность таких попыток, увеличение числа фактов, противоречащих старой теории, вынуждали ученых создавать новые теории.

2. Предварительный анализ и оценка тех идей и методов ре
шения проблемы, которые могут быть выдвинуты исходя из учета новых фактов и существующих теоретических предпосылок.
По сути дела, этот этап разработки проблемы естественно переходит в предварительную стадию выдвижения, обоснования и оценки тех гипотез, с помощью которых пытаются решить возникшую
проблему. Однако на этой стадии не выдвигается задача конкретной разработки какой-либо отдельной гипотезы. Скорее всего, речь
должна идти о сравнительной оценке различных гипотез, степени
их эмпирической и теоретической обоснованности.

3. Определение типа решения проблемы, цели, которая пре
следуется решением, связи с другими проблемами, возможности
контроля решения. Если проблема допускает решение, то часто возникает необходимость определить, какое решение следует предпочесть в конкретно сложившихся условиях исследования в той или
иной отрасли науки. Как правило, исчерпывающее решение проблем в науке лимитируется или объемом и качеством существующей эмпирической информации, или же состоянием и уровнем
развития теоретических представлений. Вследствие этого часто
приходится ограничиваться либо приближенными решениями, либо
решением более узких и частных проблем. Хорошо известно, какие ограничения иногда приходится делать в астрономии, физике,
космологии, химии и молекулярной биологии вследствие отсутствия надежно работающего математического аппарата. В результате этого приходится вводить значительные упрощения (например, заменять нелинейные члены уравнения линейными и т. п.)
и тем самым отказываться от полного решения проблемы.

Решение любой научной проблемы включает выдвижение не
которых догадок, предположений, а чаще всего более или менее
обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, которые не укладываются в старые теории.
Многие научные открытия возникают в результате стремления
устранить противоречия между существующими теориями и реальными фактами, а не ставят непосредственной целью обнаружение новых явлений и управляющих ими закономерностей.

Целью изучения дисциплин «Методы исследований машин»,

«Основы научных исследований и изобретательства» является ознакомление студентов с особенностями научных исследований, формирование правильных взглядов на науку, ее роль в современном
обществе, особенно в современных условиях перехода отечественной экономики от преимущественно сырьевого направления к экономике инновационной.

Настоящее пособие ориентировано в первую очередь на студен
та и частично на магистранта и аспиранта, делающего первые шаги
в освоении профессии исследователя. Оно предполагает ознакомление лишь с наиболее общими представлениями о науке, без которых невозможна выработка кругозора современного специалиста.

Данное учебное пособие не претендует на оригинальность

представленного в нем материала. В сущности, все его разделы
можно найти в литературных источниках, перечень которых приведен в списке библиографических ссылок. Авторы настоящего пособия лишь представили указанные материалы в логической последовательности, предусмотренной программами учебных дисциплин. Порядок изложения, пояснения и иллюстрации сохранены
такими же, как в указанных литературных источниках, авторам
которых мы приносим глубокую благодарность.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАУКЕ

1.1. Основные понятия, роль науки

в современных условиях

Под научными исследованиями понимается деятельность,

направленная на получение новых знаний о природе и человеке.
Иногда такую деятельность называют просто наукой, но термину
«наука» чаще придается более широкий смысл. Наукой называют
не только саму деятельность, но и результат такой деятельности,
т. е. сумму знаний, полученных к данному моменту. Этот же термин может использоваться и для обозначения отдельных отраслей
научного знания, например, науками называют математику, физику, химию, биологию, историю и т. д.

В настоящее время наука (и как деятельность, и как сумма зна
ний) выполняет две функции [20, с. 7].

Во-первых, она является частью общечеловеческой культуры,

ибо в значительной мере определяет мировоззрение людей каждой
эпохи и удовлетворяет их духовные потребности в познании окружающей жизни. Стремление глубже понять окружающий мир и действовать в соответствии с достигаемым пониманием является неотъемлемой частью человеческого сознания. Именно таким сделала человека длительная эволюция его развития. Естественно, что
каждая историческая эпоха характеризуется своими, все более достоверными представлениями об окружающей действительности.

Во-вторых, наука является производительной силой общества,

ибо она определяет технический уровень материального производства. Коренные изменения в образе жизни людей, произошедшие
за последние тысячелетия и особенно за последние 200–300 лет,
хорошо иллюстрируют именно эту особенность науки. Все, чем
пользуется современный человек, – здания, сооружения, средства
передачи и хранения информации, транспорт, медицина, продукты

питания, одежда и т. д. – базируется на достижениях науки. Как выражался физик Эдвард Теллер, «то, что сегодня наука, – завтра техника» [20, с. 8]. По мере развития общества такое качество науки
проявляется со все возрастающей полнотой.

Последние десятилетия наблюдается тенденция сращивания

науки с производством: создаются научно-производственные объединения, разрабатываются целевые программы с участием научных
и производственных организаций, заключаются долгосрочные договоры научных и производственных организаций и т. д.

На научные исследования развитые страны расходуют значи
тельные средства. Исследования во всем мире проводят специализированные научные учреждения или вузы. Практически во всех
крупных корпорациях имеются свои группы исследователей или
целые научно-исследовательские институты. Ведущую роль в зарубежной науке играют обычно вузы. В нашей стране, в силу сложившейся традиции (со времен Петра I), основная научная деятельность сосредоточена в научных учреждениях (в настоящее время
называемых научно-исследовательскими институтами – НИИ), которые, как правило, лучше вузов оснащены оборудованием и располагают большими организационно-экономическими возможностями для исследований.

Продолжительность выполнения крупных научно-технических

программ обычно составляет 5–10 лет, мелких – 1–2 года.

Доля научных работников в общей численности населения

сильно возросла за последние три столетия, особенно в XX в. Согласно оценкам специалистов, во второй половине XX в. число научных работников составляло примерно 90 % от числа всех ученых,
живших на Земле последние 2,5 тыс. лет. В технологически развитых странах доля ученых и инженеров, занятых в науке, составляет 0,15–0,5 % от населения страны. В бывшем СССР эта доля достигала 6 %, в настоящее время в России – примерно 0,3 %. К сожалению, российские ученые, занятые в прикладных науках, пока
вынуждены заниматься преимущественно практической деятельностью (оказанием различных услуг в решении текущих вопросов),

наука в их работе составляет 5–10 %. Однако это явление временное, ибо оно связано с социально-экономическими потрясениями,
происходившими в стране в 1990-е гг.

1.2. Классификация научных исследований

В зависимости от преобладания познавательной или практи
ческой направленности решаемых вопросов научные исследования
(науки) разделяются на три категории, показанные на рисунке.

Классификация исследований (наук) по преобладанию

познавательной и практической направленности решаемых вопросов

Категория исследований

Фундаментальные
Разработки
Прикладные

Познавательная направленность

Практическая направленность

К фундаментальным относятся исследования (науки), результа
ты которых служат основой для других наук прикладного направления, т. е. они направлены на познание, на правильное понимание
окружающего мира без привязки результатов к решению конкретных практических задач. К таковым относятся, например, исследования в области математики, физики, химии, биологии и др.

К прикладным относятся исследования (науки), направленные

на поиск новых, более эффективных методов решения различных
практических задач. Как правило, такие исследования основываются на результатах фундаментальных работ. В них всегда присутствует познавательный элемент, но он не является превалирующим,
ибо представляет не цель, а средство решения конкретных задач

в той или иной сфере практической деятельности. Значительное
место в них может занимать изобретательская деятельность. К таковым относятся, например:

 технические науки, включающие как общетехнические дис
циплины (сопротивление материалов, гидравлика, теория механизмов и машин и т. д.), так и отраслевые (относящиеся к строительству, машиностроению, авиации, электронике и т. д.);

 медицинские науки (анатомия, физиология, терапия, кардио
логия, хирургия, санитария и т. д.);

 сельскохозяйственные (агрономия, животноводство, ветерина
рия, экономика сельского хозяйства, лесное хозяйство и т. д.) и многие другие науки.

К разработкам относится наиболее практическая часть научно
технической деятельности, в которой ищутся не принципы и способы решения практических задач, а непосредственно решаются
такие задачи. Это создание новых технологий, новых машин и механизмов, новых компьютерных программ, новых средств и способов лечения и т. д. Разработки, как правило, основываются на результатах прикладных исследований и всегда включают решения
множества практических задач, не относящихся к научным исследованиям (стандартные расчеты, конструирование и т. д.). Обычно
в них большое место занимает изобретательская деятельность.

Наиболее важная особенность разработок состоит в том, что

они приносят непосредственный экономический или социальный
эффект. Результаты разработок являются товарной продукцией, реализуемой на внутреннем и внешнем рынках по достаточно высоким ценам. В то же время большинство результатов фундаментальных и прикладных исследований таким товаром не являются и распространяются «бесплатно», путем публикаций в открытой печати
и выступлений на симпозиумах (если, конечно, это не засекреченные исследования). Если в том или ином государстве недостаточное внимание уделяется разработкам, то оно обречено на техническое отставание, каким бы высоким ни был уровень его фундаментальных и прикладных исследований. Результаты исследований
в таком государстве будут использоваться специалистами других