Методология научных исследований в сварке
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
И.Ю. Летягин, Е.М. Федосеева
МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В СВАРКЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 621.791:001.8(075.8) Л52
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Е.А. Кривоносова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. воен. наук, доцент Д.М. Цимберов (Пермский военный институт внутренних войск МВД России)
Летягин, И.Ю.
Л52 Методология научных исследований в сварке : учеб. пособие / М.Ю. Летягин, Е.М. Федосеева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 142 с.
ISBN 978-5-398-01432-7
Рассмотрены основы научных исследований и их методология, использование теории погрешностей, метрологии, теории обработки экспериментальных данных, планирования многофакторного эксперимента, метода анализа размерностей, практической номографии.
Предназначено для студентов и аспирантов очной и заочной формы обучения сварочных специальностей вузов и может быть полезно для инженеров.
УДК 621.791:001.8(075.8)
ISBN 978-5-398-01432-7 |
© ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДОЛОГИИ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ, |
|
ХАРАКТЕРЕ И ОСОБЕННОСТЯХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ........ |
5 |
1.1. Методология научного познания......................................................... |
5 |
1.2. Методы эмпирического уровня исследования.................................... |
6 |
1.3. Методы теоретического уровня исследования ................................... |
7 |
1.4. Методыкомплексного исследования...................................................... |
8 |
1.5. Этапы и составные части научно-исследовательской работы........ |
10 |
1.6. Источники научной информации....................................................... |
12 |
1.7. Разработка методики теоретических и экспериментальных |
|
исследований............................................................................................... |
13 |
2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА................ |
15 |
2.1. Понятие об измерении......................................................................... |
15 |
2.2. Обеспечение единства измерений...................................................... |
19 |
2.3. Погрешности и точность измерений.................................................. |
20 |
2.4. Систематические и случайные погрешности.................................... |
21 |
2.5. Средства измерений ............................................................................ |
22 |
3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ................................................... |
24 |
3.1. Введение в теорию погрешностей...................................................... |
24 |
3.2. Абсолютная и относительная погрешности...................................... |
25 |
3.3. Основные источники погрешностей.................................................. |
28 |
3.4. Значащие цифры приближенных чисел и правила округления...... |
29 |
3.5. Погрешностьсуммы, разности, произведения, степениикорня........ |
32 |
3.6. Общая формула для погрешности...................................................... |
36 |
3.7. Обратная задача теории погрешностей ............................................. |
37 |
3.8. Понятие о вероятностной оценке погрешности................................ |
39 |
4. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ.... |
41 |
4.1. Понятие о статистической обработке данных................................... |
41 |
4.2. Основные понятия и определения теории вероятностей |
|
и математической статистики.................................................................... |
42 |
4.3. Плотность и интегральная функция распределения случайных |
|
величин........................................................................................................ |
44 |
4.4. Основные параметры теоретического и эмпирического |
|
распределения............................................................................................. |
46 |
4.4. Техникавычисления параметров эмпирическогораспределения....... |
48 |
4.5. Нормальное распределение ................................................................ |
49 |
4.6. Нормированная функция Лапласа...................................................... |
52 |
|
3 |
5. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ |
|
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ......................................... |
53 |
5.1. Основные понятия и определения...................................................... |
53 |
5.2. Полный факторный эксперимент....................................................... |
57 |
5.3. Матрицы планирования при большом числе факторов.................... |
60 |
5.4. Дробный факторный эксперимент..................................................... |
61 |
5.5. Свойстваматрицполного идробногофакторныхэкспериментов...... |
62 |
5.5. Применение метода Бокса – Уилсона в металлургии сварки......... |
63 |
5.6. Обработка результатов эксперимента при отсутствии |
|
дублирования опытов........................................................................... |
65 |
5.7. Крутое восхождение по поверхности отклика.................................. |
69 |
5.8. Установление вида зависимости между двумя переменными |
|
величинами........................................................................................... |
72 |
5.9. Корреляционная зависимость............................................................. |
72 |
5.10. Обобщенный параметр оптимизации............................................... |
74 |
6. МЕТОД АНАЛИЗА РАЗМЕРНОСТЕЙ..................................................... |
78 |
6.1. Единицы физических величин............................................................ |
78 |
6.2. Размерности физических величин...................................................... |
80 |
6.3. Метод размерности.............................................................................. |
83 |
6.4. Практическое применение метода размерностей |
|
и его эффективность............................................................................. |
87 |
6.5. Векторные единицы длины................................................................. |
97 |
6.6. Безразмерные критерии и метод подобия........................................ |
103 |
7. ПРАКТИЧЕСКАЯ НОМОГРАФИЯ........................................................ |
105 |
7.1. Сущность метода ............................................................................... |
105 |
7.2. Погрешность технических расчетов при аналитических |
|
методах вычислений .......................................................................... |
107 |
7.3. Погрешность технических расчетов при номографических |
|
методах вычислений .......................................................................... |
109 |
7.4. Равномерные шкалы.......................................................................... |
111 |
7.5. Неравномерные шкалы...................................................................... |
114 |
7.6. Сетчатые номограммы с равномерными шкалами......................... |
117 |
7.6.1. Уравнения с двумя и тремя переменными............................... |
117 |
7.6.2. Уравнения со многими переменными...................................... |
125 |
7.7. Сетчатые номограммы с логарифмическими шкалами.................. |
127 |
7.7.1. Логарифмические координаты.................................................. |
127 |
7.7.2. Построение логарифмических сеток........................................ |
129 |
7.7.3. Построение номограмм на логарифмических сетках.............. |
131 |
7.7.4. Уравнения с тремя переменными............................................. |
133 |
7.7.5. Уравнения с числом переменных более трех.......................... |
138 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................... |
140 |
4 |
|
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДОЛОГИИ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ, ХАРАКТЕРЕ И ОСОБЕННОСТЯХ
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Методология научного познания
Методология – учение о структуре, методах, средствах и логической организации деятельности. Методология научного познания – учение о формах, принципах построения и способах научнопознавательской деятельности.
Методология науки дает характеристику компонентов научного познания:
–объекта познания;
–предмета анализа;
–задач исследования (или проблем);
–комплекса исследовательских средств;
–последовательности действий исследователя в процессе решения задачи.
В какой бы области ни проводились исследования, им присущ некоторый общий порядок:
1. Постановка задачи, проблемы.
2. Предварительный анализ имеющейся информации, условий
иметодов решения задач данного класса.
3.Выдвижение гипотез, новых научных и технических решений.
4.Планирование и организация натурного или теоретического эксперимента.
5.Проведение эксперимента.
6.Анализ и обобщение полученных результатов.
7.Проверка исходных гипотез на основе полученных фактов.
8.Окончательная формулировка новых фактов и законов.
Это лишь общая схема исследований, которая может видоизменяться в зависимости от имеющихся исходных данных и от конкретных целей исследований.
5
Вкаждом научном исследовании можно выделить два основных уровня:
1) эмпирический, на котором происходит процесс восприятия, установления и накопления фактов;
2) теоретический, на котором достигается синтез знания, проявляющийся чаще всего в виде создания научной теории.
Всвязи с этим общенаучные методы исследования можно разделить на следующие группы:
– методы эмпирического уровня,
– методы теоретического уровня,
– методы комплексного (эмпирического и теоретического уровней) исследования.
1.2.Методы эмпирического уровня исследования
Косновным методам эмпирического уровня исследования относятся измерение, эксперимент и наблюдение.
Наблюдение – организованное и целенаправленное восприятие объекта исследования. При наблюдении непосредственного воздействия наблюдателя на объект исследования не происходит. При наблюдении могут применяться различные приборы и инструменты.
Чтобы наблюдение дало результаты, к нему предъявляются следующие требования:
– наблюдение проводится для определенной, четко сформулированной задачи;
– при наблюдении в первую очередь рассматриваются интересующие исследователя стороны явления;
– наблюдение должно быть активным;
– при наблюдении производится поиск нужных объектов или определенных черт явления.
Проводить наблюдение необходимо по заранее продуманному плану. Результаты наблюдения дают не только первостепенную информацию об объекте исследования, но и в ряде случаев могут привести к открытиям. В связи с этим одним из важных качеств исследователя является наблюдательность.
6
Измерение – действие, заключающееся в определения численного значения характеристик исследуемых объектов (массы, скорости, температуры и т.д.). Измерение выполняется с использованием соответствующих измерительных приборов.
В результате высококачественных измерений возможно зафиксировать факты или сделать эмпирические открытия, позволяющие изменить взгляды в какой-либо области знаний. Измерение не всегда является абсолютно точным. Поэтому при проведении измерений большое значение придают погрешности измерений, т.е. стремятся ее определить и уменьшить.
Эксперимент – последовательность операций, воздействия и наблюдений, имеющих целью получение информации об объекте в ходе исследовательских испытаний. Обычно эксперимент используют на заключительных стадиях исследования, применяя его как инструмент для проверки истинности теории и гипотез, а также как источник новых теоретических положений. Игнорирование результатов эксперимента или отказ от него часто приводит к ошибкам.
Эксперименты подразделяются на натурные и модельные. При этом натурный изучает объекты в их естественном состоянии, а модельный моделирует объекты, позволяя изучить широкие границы изменения определяющих факторов.
1.3. Методы теоретического уровня исследования
На теоретическом уровне исследования применяют такие методы, как формализация, идеализация, формулировка гипотезы и утверждение теории и закона.
Формализация – метод изучения объектов, при котором основные закономерности явлений отображаются в знаковой форме (с помощью формул или специальных символов). Она обеспечивает обобщенность подходов к решению различных задач, позволяет устанавливать закономерности между изучаемыми фактами. Символика не должна допускать двусмысленных толкований.
Идеализация – мысленное воссоздание объектов и условий, не существующих в действительности, которые не могут быть соз-
7
даны на практике. Идеализация позволяет лишить реальные объекты некоторых присущих им свойств или же наделить их гипотетическими свойствами (например: бесконечное тело, идеальный газ, абсолютно черное тело и т.п.), что позволят получить решение в конечном виде. Любая идеализация может использоваться лишь вопределенных пределах.
Гипотеза является научно обоснованной системой умозаключений. При этом она является формой перехода от фактов к законам. По причине своего вероятностного характера она обязательно должна проверяться и, как следствие, или видоизменяться, или отвергаться, или становиться научной теорией.
В ходе своего формирования гипотеза проходит три основные стадии:
1)аккумуляция фактического материала и выдвижение на его основе определенных предположений,
2)разворачивание предположений в гипотезу,
3)уточнение и проверка гипотезы.
Из множества противостоящих друг другу гипотез, использованных для объяснения цепочки фактов, предпочтение отдается той, которая более точно объясняет большее число фактов.
Теорией считается наиболее высокая форма обобщения и систематизации знаний. Теория должна иметь объективное (т.е. проверенное на практике) обоснование, что отличает ее от гипотезы.
Законом принято считать теорию, имеющую большую надежность и подтвержденную многочисленными экспериментами, при этом существующую независимо от восприятия и сознания людей.
1.4.Методы комплексного исследования
Косновным комплексным методам исследований относятся следующие.
Синтез – соединение различных сторон объекта в единое целое или систему. При теоретическом обобщении могут синтезироваться эмпирические данные исследования того или иного объекта.
8
Анализ – процедура мысленного, а зачастую и реального разложения (разбиения) процесса (явления, предмета, свойств предмета или отношения между предметами) на составные части (свойства, признаки, отношения). Анализ является составной частью любого научного исследования и обычно входит в первую исследовательскую стадию. Анализ и синтез при исследованиях дополняют другдруга.
Сравнение состоит во взаимном сопоставлении как объектов, так и их характеристик с целью определения их взаимоотношений. Сравнение может быть использовано только для однородных объектов, образующих класс.
Обобщение – форма накопления знаний в процессе мысленного перехода от частного к общему. При этом происходит переход на более высокую ступень абстракции. Обобщение позволяет отождествлять множество различных вещей и явлений путем рассмотрения общих принципов различных явлений.
Индукция (процесс наведения) представляет собой вид обобщения, основанный на предвосхищении результатов наблюдений
иэкспериментов на основе материалов прошлого опыта. Первым шагом индукции является анализ и сравнение данных наблюдений
иэкспериментов. Многократные повторения в опытах при отсутствии исключений позволяют сделать обобщение-предположение, что подобное будет наблюдаться во всех сходных случаях.
Для практики характерны обобщения на основе исследования не всех, а только некоторых случаев. Такое обобщение называется неполной индукцией. Неполная индукция часто рассматривается как источник предположительных рассуждений, т.е. гипотез.
Абстракция (иначе говоря, отвлечение) – метод научного познания, основанный на том, что при рассмотрении некоторого процесса не учитываются его несущественные признаки и стороны. Данное действие упрощает картину изучаемого явления, что позволяет рассматривать его в условно «чистом» виде.
Дедукция (иначе говоря, выведение) представляет собой переход от общих признаков к частным. Зачастую термином «дедукция» обозначают процесс логического вывода, т.е. перехода по определенным правилам логики от некоторых существующих предложе- ний-предпосылок к их следствиям.
9
Интуиция – способ постижения истины при ее прямом усмотрении без подтверждения с помощью доказательств. Роль интуиции возрастает там, где необходимо выйти за пределы существующих способов познания при проникновении в неведомое. Интуиция – особенный тип мышления, когда отдельные элементы процесса мышления проносятся в сознании почти бессознательно и предельно ясно формируется именно итог мысли – зафиксированная истина. Интуиции может быть достаточно при усмотрении истины, но ее, как правило, недостаточно для того, чтобы убедить других и даже самого себя. Для этого понадобится доказательство.
Доказательство – процесс усмотрения истины, подтверждение истинности суждения при помощи определенных логических рассуждений или же посредством чувственного восприятия физических явлений и предметов.
Аналогия – способ научного исследования, основанный на получении знаний о неизвестных явлениях и объектах на основе сравнения по общим признакам явлений и объектов, уже известных исследователю.
Моделирование – способ научного познания, использующий замену изучаемого специальной моделью, которая воспроизводит главные особенности оригинала, и ее последующее исследование. Результат подобного исследования может быть распространен на оригинал с использованием специальных методов.
Модели подразделяются на физические и математические. Физическая модель и оригинал имеют одинаковую физическую природу. В случае математического моделирования физическая природа модели может быть одинаковой или различной. В любом случае для представления модели используется система уравнений.
1.5. Этапы и составные части научно-исследовательской работы
При проведении научно-исследовательских работ выделяют их проблемы, научные направления и тематику.
Процесс выполнения научно-исследовательских работ состоит из шести основных этапов:
10