Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекція 1 . МОДЕЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
2 години
1.1 Вступ. Про наукові дослідження.
1.2. Мета та предмет дослідження.
1.3.Підготовка об”єкта дослідження
1.4.Моделювання як метод наукового пошуку
1.1 Вступ. Про наукові дослідження.
Наукове дослідження - це вивчення закономірності розвитку явищ реального середовища та їх обґрунтування.
Дослідження можуть бути теоретичними або експерементальними. В техніці теоретичні досліди цє аналіз і синтез закономірності та відкриття нових закономірностей за допомогою математичного апарату.
Теорія повинна співпадать з практикою , часто дослід є єдиним надійним засобом вирішення зформульованої задачі. Єксперементальні досліди в розвитку науки займають значну долю.
Інженер у своїй діяльності використовує знання різних дисциплін: теоретичної механіки, опору матеріалів, деталей машин, електротехніки, теплотехніки, гідравліки тощо. Але кожна з них має свої методи та підходи до вивчення тих чи інших фізичних явищ. Це утруднює діяльність інженера по розв”язанню практичних задач.
Спроби систематизувати, узагальнити і раціонально формалізувати підходи до розв”язання задач, що відносяться до різних галузей науки, привели до виникнення окремої дисципліни, яка називається моделюванням технологічних процесів (інженерних задач).
Моделювання [1] засноване на подобі процесів і явищ, що протікають у різних агрегатах. Уперше теорему про механічну подобу сформулював Ньютон у 1636 р. Істотний внесок у розвиток теорії моделювання внесли вчені різних країн: Ейлер, Фур'є, Бертран, Коші, Рейнольдс, Фруд та ін. У Росії автор класичних праць з теорії подоби академік В.Л. Кирпичов у 1874 р. сформулював і довів третю теорему подоби. У 1911 р. викладач Петербурзького політехнічного інституту А. Федерман довів теорему, з якої основна - теорема виводиться як наслідок (теорема Бекл-інгема).
Вона вивчає, як у кожному конкретному явищі знайти риси, що споріднюють його з іншими явищами, вказує шляхи узагальненого підходу до розв”язання різноманітних практичних задач і пропонує найбільш доцільні рішення, зокрема, з використанням сучасних засобів обчислювальної техніки.
1.2. Мета та предмет дослідження.
Основними поняттями у моделюванні інженерних задач є поняття „об”єкт” і „модель”.
Обєкт це пристрій, процес чи явище, які існують поза нас, незалежно від нас і є предметом нашого вивчення чи практичної дії.
Модель це словесний опис, зображення, схема чи математична формула, масштабна копія чи діючий зразок якогось обєкта.
По відношенню до моделі обєкт є оригіналом.
Модель використовується у якості замінника оригіналу при його вивченні. Вона завжди простіша за оригінал, завдяки чому вивчення моделі легше, простіше і дешевше, ніж вивчення оригіналу.
Існують також обєкти, експериментування з якими неможливе космічні процеси, збройні конфлікти, бойові дії, економічні системи, соціальні явища, промислові і сільськогосподарські комплекси, унікальні споруди, ГЕС, АЕС, тощо. Одержувати показники роботи таких обєктів у нештатних ситуаціях роботи можна тільки з допомогою моделей.
Один і той же обєкт може бути представлений багатьма зовсім різними моделями.
Приклади. У якості моделі людини можуть використовуватись:
лантух з піском при випробуванні парашута;
боксерська ”груша” при тренуванні спортсмена;
лялька у дитячих іграх;
фоторобот у криміналістиці;
грудна мішень на стрільбах;
манекени у вітринах магазинів та при випробуванні автомобілів на руйнування;
собаки, мавпи, трупи людей при роботі біологів.
Кожна з моделей відрізняється від інших тими ознаками оригінала, які вважаються істотними при розв”язанні тієї чи іншої практичної задачі.
Спираючись на поняття об”єкту і моделі, поняттю „моделювання” можна дати таке визначення.
Моделювання це побудова і дослідження моделей реально існуючих і проектних обєктів з метою вивчення характеристик останніх.
Моделюваня інженерних задач можна також розглядати як мистецтво раціонального спрощення практичних задач, які виникають у інженерній діяльності. Під раціональним тут розуміється таке спрощення, яке при мінімальних обчисленнях забезпечує одержання кінцевих результатів з достатньою для практичних потреб точністю.
Розглянемо такий приклад. Завод виготовляє трактор, який характеризується певними конструктивними параметрами лінійними розмірами, масою, тяговим зусиллям, площею поверхні, тиском на грунт, потужністю двигуна тощо.
Припустимо, що конструктори заводу вирішили розробити новий трактор, подібний тому, що випускається, але з удвічі меншими лінійними розмірами (удвічі коротший, удвічі нижчий і удвічі вужчий).
Детальна розробка конструкції нового трактора займе щонайменше кілька місяців.
А який час потрібен для того, щоб наближено „прикинути” значення основних конструктивних параметрів нового трактора?
Наприклад, у скільки разів маса нового трактора буде меншою, ніж у прототипа (відомого трактора)?
У скільки разів менше фарби витрачатиметься на його фарбування?
Який тиск на грунт він чинитиме: той же, що і прототип, чи ні? Якщо ні, то який у нього буде тиск: більший, ніж у прототипа, чи менший, і у скільки разів?
І так по всіх основних параметрах.
Це найпростіша задача на масштабне перетворення подібних об”єктів. Спираючись на методи моделювання інженерних задач, правильні відповіді на всі поставлені питання можна дати за кілька хвилин.
Наприклад, зменшення лінійних розмірів нового трактора у два рази викличе зменшення його маси у 23 = 8 разів. Перевірте: якщо трактор став коротшим у два рази, то його маса зменшилась удвічі, якщо він став ще і нижчим у два рази, то його маса зменшилась ще у два рази; а якщо ще і удвічі вужчим, то маса ще раз зменшилась удвічі.
Аналогічно можна показати, що площа поверхні нового трактора буде меншою у 22 = 4 рази, а тиск на грунт у 2 рази і т.д.
Подібні методи розв”язування таких і багатьох інших задач розглядаються у даній дисципліні.
1.3.Підготовка об'єкта дослідження
Підготовка об'єкта дослідження - досить відповідальна і трудомістка операція. Для підготовки промислового об'єкта (агрегату) необхідно відповідно до продуманої методики оснастити його дослідницьким устаткуванням, намітити й обладнати місця добору параметрів, що визначають роботу промислового агрегату, механізувати і, якщо можливо, автоматизувати експериментальні роботи, домовитися про регламент проведення досліджень, а також про технічну допомогу.
При детальному вивченні явища або процесу в лабораторних і промислових умовах підготовка об'єкта полягає в виготовленні стенда на основі теорії моделювання. Останнє дозволяє з найменшими витратами і з високим ступенем вірогідності одержати узагальнений експериментальний матеріал, придатний для промислових агрегатів, детальні експерименти на яких ставити складно або практично неможливо.
1.4. Моделювання як метод наукового пошуку
З погляду фізичної природи модельованих явищ розрізняють два види подоби: математичну (однакова форма рівнянь, що описують фізично різнорідні явища) і фізичну (однакова фізична природа подібних явищ).
За повнотою відповідності моделі натурі зазначені види подоби поділяються на абсолютну (вимагає тотожності явищ); повну (здійснюється в часі та просторі); неповну (у часі або в просторі) і наближену (зв'язану з допущеннями, що спрощують, які наперед відомі й оцінюються кількісно).
За природою явищ фізичну подобу можна розділити на механічну (сума кінематичної, матеріальної і динамічної подоб), газодинамічну, теплову, електричну, фізико-хімічну й ін. Зразкова класифікація видів подоби при моделюванні процесів наведена на схемі рис. 1.
Рис.1
Класифікація видів моделювання
Усі види подоби підкоряються трьом теоремам.
Перша теорема вказує на необхідні умови подоби і формулює властивості подібних систем: явища або системи називаються подібними, якщо рівні їхні відповідні критерії подоби, складені з параметрів системи.
Друга теорема подоби ( - теорема) доводить можливість приведення рівняння процесу до критеріального вигляду: функціональний зв'язок між величинами, що характеризують процес, може бути представлений у вигляді залежності між складеними з них критеріїв подоби.
Третя теорема подоби показує межі закономірного поширення одиничного досліду: необхідними і достатніми умовами подоби є пропорційність східних параметрів, що входять до умов однозначності, і рівність критеріїв подоби досліджуванню в натурі і на моделі явища. До умов однозначності належать не залежні від механізму явища фактори системи; геометричні властивості; фізичні параметри; початкові умови; початковий стан; граничні або крайові умови; взаємодія із зовнішнім середовищем. Якщо розглядаються складні, нелінійні або анізотропні системи, то необхідно дотримуватися і додаткових положень.