4599

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы

для студентов по направлению подготовки 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Воронеж 2018

1

УДК 347.779+608.3

Кадырметов, А. М. Основы научных исследований [Электронный ресурс] :

методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов по направлению 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-

технологических машин и комплексов / А. М. Кадырметов, А. С. Пустовалов. –

2018. – 48 с. – ЭБС ВГЛТУ.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № __ от _________ 2018 г.)

Рецензент заведующий кафедрой эксплуатации транспортных и технологических машин ФГБОУ ВО ВГАУ доктор техн. наук, профессор Е. В. Пухов

2

1. ЦЕЛЬ РАБОТ Изучить основные сведения об организации и проведения

информационного поиска, экспериментальных исследований и освоить методы обработки информации, обобщения и анализа результатов испытаний механизмов, машин для решения задач проектирования, рациональной загрузки и эксплуатации машин.

2. ЗАДАНИЕ ПО ПРАКТИКУМУ И РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ Изучить теоретический и практический материал.

Решить задачи по проведению информационного и патентного поиска, планированию многофакторного эксперимента, количественной оценке статистических характеристик по результатам экспериментов, установлении корреляционных связей между изучаемыми признаками в пассивном эксперименте, сглаживании эмпирических данных.

Составить общий отчет по расчетно-графической работе в соответствии с приложением А и подготовить устные ответы на контрольные вопросы.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Научные исследования определяются научными проблемами, возникающими

в процессе формирования научной парадигмы (системы взглядов) мира в целом и отдельных научных и технических областей, в частности. Научные проблемы состоят из научных тем, а они, в свою очередь, из научных вопросов. Изучение научных тем с научными вопросами начинается и сопровождается информационноаналитическими исследованиями с написанием литературного обзора. Затем на основании результатов и выводов обзора ставится или уточняется цель исследования и определяются задачи для достижения данной цели. Как правило, научное исследование включает в себя этапы теоретической проработки, экспериментальных работ, анализа и обобщения результатов, выводов и дальнейших исследований с новыми целями.

Наиболее важной составной частью научных исследований является эксперимент. Эксперимент – практический метод исследования реальных объектов путем наблюдения (пассивный эксперимент) или воздействия на них другими материальными объектами (активный эксперимент). Слово происходит

3

от латинского слова experimentum – проба, опыт.

Фактор – переменная величина (аргумент) Х, по предположению влияющая на результаты эксперимента (на величины, называемые откликами). Примеры факторов: удельная нагрузка в зоне трения Х1, зернистость абразивной шкурки Х2 и др. Примеры откликов: износостойкость Y1, прочность Y2 и др.

К эксперименту предъявляются следующие требования:

–воспроизводимость – возможность повторения эксперимента в одних и тех же условиях с получением того же результата (в пределах известной ошибки);

–достоверность – возможность проведения необходимого количества опытов и последующей обработки результатов методами математической статистики, что обеспечило бы надежную необходимую точность эксперимента;

–сравнительность или наличие контрольных испытаний предполагает проведение опытов в одних и тех же условиях для исследуемого объекта и для уже исследованного объекта-аналога.

Целью любого эксперимента является получение экспериментальных фактов

(многократно подтвержденных экспериментальных данных). Данная цель подчиняется одной из возможных функций эксперимента:

–построение теорий и гипотез;

–проверка теорий и гипотез;

–выявлений влияющих факторов, отделение существенных от несущественных (поисковый эксперимент);

–установление количественных зависимостей между факторами и критериями (откликами) предмета исследования;

–оптимизационные задачи.

Методология эксперимента заключается в том, что для его проведения необходимо:

–разработать гипотезу, подлежащую проверке;

–создать программы экспериментальных исследований;

–определить способы и приемы вмешательства в объект исследования;

–обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных

работ;

–разработать приемы и пути фиксирования хода и результатов эксперимента;

–подготовить средства эксперимента (приборы, установки, модели и т.п.);

4

– обеспечить эксперимент необходимым обслуживающим персоналом. Общая схема эксперимента включает в себя следующие этапы,

представленные на рис. 1:

Разработка программы эксперимента

Предварительные наблюдения (эксперимент). Выбор входных (факторов) и выходных параметров (откликов или критериев) и средств (оборудования и КИП) для проведения эксперимента. Построение плана эксперимента

Проведение эксперимента

Обработка и анализ исследования

Рис. 1. Общая схема экспериментальных исследований

Программа эксперимента включает в себя две части:

1.Перечень искомых зависимостей, факторов и методика эксперимента.

2.Расчет или план объема и продолжительности работ, перечень необходимых материалов, приборов, установок, список исполнителей эксперимента, календарный план работ.

В первой части указывается тема исследования, рабочая гипотеза и задачи, которые необходимо решить (их должно быть по возможности не более 4-х). Основу первой части и всей программы исследования составляет методика эксперимента – совокупность способов и приемов получения зависимостей, намеченных программой.

Основные исходные данные для разработки методики:

– математическая модель явления (если она есть);

– программа экспериментов (искомые зависимости);

– необходимая точность результатов эксперимента (измерений);

– литературные данные о методах измерений и измерительной аппаратуре,

ометодах обработки и анализа опытных данных.

При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:

5

–проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом с целью определения исходных данных (гипотез, выбора факторов);

–создание условий возможности эксперимента (выбор объекта эксперимента, устранение влияния случайных факторов и др.);

–определение пределов измерений;

–систематическое наблюдение за ходом эксперимента, точное его описание, регистрация измерений и фактов;

–переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, анализу и теоретической обработке полученных данных.

Вторая часть программы разрабатывается после и на основе решений

вопросов методики. Здесь вначале с помощью поисковых экспериментов определяются:

–основные факторы;

–принципиальная осуществимость эксперимента в заданной постановке;

–средства измерения.

После поисковых экспериментов уточняется методика:

–указывается последовательность выполнения измерений и опытов;

–определяется повторность их проведения;

–методы обработки и анализа экспериментальных данных.

В зависимости от предварительной теоретической подготовки возможны три случая проведения эксперимента, когда:

–однозначно известна аналитическая зависимость (например, у = 3е-2х); в этом случае объем эксперимента минимален;

–известен характер зависимости (например, у = Ае-Вх); в этом случае объем эксперимента возрастает;

–известны лишь предположения о качественных закономерностях процесса; здесь необходим поисковый эксперимент и объем эксперимента резко возрастает, при этом целесообразен метод планирования эксперимента.

Результаты экспериментов должны удовлетворять трем статистическим требованиям: эффективности оценок (минимальности дисперсии отклонения относительно неизвестного параметра), состоятельности оценок (при которой с увеличением числа наблюдений оценка параметра должна стремиться к его истинному значению), несмещенности оценок (отсутствию систематических

6

ошибок в процессе вычисления параметра). Важнейшей проблемой при проведении экспериментов является совместность этих требований.

Подходы проведения активного эксперимента:

–традиционный подход – проведение серий однофакторных экспериментов при фиксировании других факторов, затем обобщение информации. С ростом числа факторов катастрофически увеличивается количество опытов! Примеры:

1.На отыскание формулы полного сопротивления ушло несколько десятилетий!

2.На установление закона равноускоренного движения – 25 лет!

–подход на основе теории планирования многофакторного эксперимента (ТПЭ) – меняются одновременно все факторы по определенным правилам. При ТПЭ уменьшается трудоемкость эксперимента, повышается точность эксперимента!

Этапы проведения активного эксперимента: 1. Постановка цели исследования:

–нахождение зависимостей для использования на практике (для расчетов);

–нахождение оптимальных областей (например, оптимальных режимов).

2. Анализ априорной (имеющейся до опыта) информации:

–выбор влияющих факторов и интервалов их варьирования;

–выбор вида искомой зависимости (математической модели).

3.Построение плана эксперимента. План эксперимента – совокупность данных, определяющих число, условия и порядок реализации опытов. План эксперимента зависит от цели эксперимента и вида искомой экспериментальной зависимости (рис. 2).

4.Проведение эксперимента по плану.

5.Статистическая обработка результатов эксперимента и его анализ.

7

Рис. 2 – Соответствие плана эксперимента цели эксперимента и виду зависимости

4. РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

4.1. Цель работы

Освоить методику, а также приобрести практические навыки по статистической обработке и построению уравнения регрессии по результатам пассивного эксперимента, связывающего какой-либо производственный показатель качества изделий с потребительским показателем качества.

4.2. Задание

Изучить содержание. По указанному преподавателем варианту (п.9.4.1) для 14 опытных пар значений показателей производственного (Х) и потребительского качества (Y) подсистем двигателя и коробки передач автомобиля Газель ГАЗ-33021 построить и выполнить анализ уравнения регрессии Y = f(X).

4.3. Методические сведения

4.3.1. Общие определения

Эмпирические исследования включают в себя этапы подготовки к проведению эксперимента, проведение эксперимента и его статистическую обработку. Содержание работ на этих этапах зависит от вида эксперимента. Существует 2 вида эксперимента: пассивный и активный.

Пассивный эксперимент – это эксперимент, при котором уровни факторов в каждом опыте регистрируются исследователем, но не задаются.

8

Активный эксперимент – это эксперимент, в котором уровни факторов в каждом опыте задаются исследователем.

Вэтих определениях используются термины «фактор» и «уровень фактора».

Фактор – это переменная величина, по предположению влияющая на результаты эксперимента.

Уровень фактора – фиксированное значение фактора относительно начала отсчета.

Вданной работе представлена одна из традиционных методик статистической обработки результатов пассивного эксперимента. Цель статистической обработки заключается в нахождении математической зависимости отклика от факторов и ошибок наблюдения отклика.

Откликом называется наблюдаемая случайная переменная, по предположению зависящая от факторов.

Данная зависимость отклика от факторов может быть найдена методами регрессионного, дисперсионного и ковариационного анализа. В регрессионном анализе данная зависимость называется регрессионной зависимостью или уравнением регрессии.

Регрессионный анализ – статистический метод анализа и обработки

наименьших квадратов и техники статистической проверки гипотез. Метод наименьших квадратов в регрессионном анализе используется для нахождения коэффициентов уравнения регрессии.

Дисперсионный анализ – статистический метод анализа и обработки

статистической проверки гипотез и представления общей вариации экспериментальных данных в виде суммы вариаций, обусловленных исследуемыми факторами и их взаимодействиями.

Ковариационный анализ – статистический метод анализа и обработки

Данные виды анализа включают в себя:

–определение общего вида искомого уравнения;

–построение статистических оценок неизвестных параметров и, в том числе, проверку значимости этих параметров;

–проверку статистических гипотез об уравнении зависимости.

Одной из таких проверок является проверка адекватности уравнения (математической модели).

Адекватностью математической модели называется соответствие модели экспериментальным данным по выбранному критерию.

Неадекватность представления результатов эксперимента обусловлена несоответствием между видом уравнения, описывающим поверхность отклика и действительным характером этой поверхности. Обычно в качестве искомых зависимостей используют полиномы. В этом случае говорят о неадекватности представления результатов эксперимента полиномом данной степени.

Перед нахождением зависимости отклика от факторов в общем случае должно быть определено наличие связи между факторами и откликом. Эту задачу решает корреляционный анализ.

Корреляционный анализ – совокупность основанных на математической теории корреляции методов обнаружения корреляционной связи между случайными величинами. Данные методы включают в себя проверку статистических гипотез о значимости связи между факторами и откликом.

Корреляция – вероятностная (статистическая) зависимость между величинами, не имеющая, вообще говоря, строго функционального характера. В отличие от функциональной, корреляционная зависимость возникает тогда, когда одна из величин зависит не только от данной второй, но и от ряда случайных факторов, или когда среди условий, от которых зависит и та и другая величины, имеются общие для них обоих условия.

4.3.2. Постановка задачи

Важным вопросом при исследовании качества изделий является установление связи между показателями их производственного и потребительского качества. Производственное качество изделия характеризуется размерами, формой деталей, взаимным расположением поверхностей и осей, физико-механическими свойствами материалов,

10