книги / Теория инженерного эксперимента

THEORIES OF ENGINEERING

EXPERIMENTATION

Second Edition

HILBERT SCHENCK, JR.

Professor of Ocean and Mechanical Engineering

University of Rhode Island

M c O R A W - H I L L B O O K C O M P A N Y

N E W Y ORK. ST. LOU IS, SAN F R A N C I S C O ,

T O R O N T O , L O N D O N , S Y D N E Y

В книге освещены основные проблемы современной теории ин­ женерного эксперимента: организация испытаний и анализ .влияния случайных факторов на ошибки отдельных измерений или резуль­ тата эксперимента в целом, вопросы проектирования измерительных систем и планирования эксперимента, методы обработки данных и их анализ. С практической точки зрения существенный интерес представляют разделы, посвященные анализу размерностей в соот­ ношениях между физическими величинами, описанию результатов эксперимента математическими зависимостями и методике использо­ вания ЭВМ при проведении эксперимента. Изложение материала отличается простотой и наглядностью; приводится много примеров из различных областей техники.

Книга представляет большой интерес для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов старших курсов всех специаль­ ностей, связанных с широким использованием экспериментальных методов.

Редакция литературы по новой технике

Инд. 3-3-14 152-71

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

Важность эксперимента в современной науке и техни­ ке не вызывает сомнения. Чтобы представить себе масшта­ бы повседневной экспериментальной работы, достаточно к натурным исследованиям, проводимым в области фун­ даментальных наук и при проектировании новой техники, добавить испытания образцов опытной и серийной про­ дукции на тысячах заводов страны.

Технический прогресс приводит не только к увеличе­ нию сложности объектов испытаний — аппаратуры и оборудования, выпускаемых промышленностью; одновре­ менно повышаются требования к глубине проникновения в сущность функционирования составных частей и взаи­ модействия между ними, а также к точности измерения регистрируемых величин. Это ставит перед теорией ин­ женерного эксперимента новые проблемы.

Одна из них порождается тем, что характеристики объектов испытаний, которые требуется определить в ре­ зультате эксперимента, все чаще оказываются недоступ­ ными непосредственному измерению. Другими словами, совокупность технико-экономических показателей, по ко­ торым производится оценка испытуемого объекта или принимаются важные организационные и конструктивные решения, не совпадает, как правило, с совокупностью параметров объекта, определяемых по результатам на­ турного эксперимента.

Другой проблемой является организация испытаний объектов, процессы функционирования которых носят сложный динамический характер и подвержены сущест­ венным влияниям изменяющихся условий внешней среды. Наконец, при испытаниях сложных комплексов повы­ шается значение учета тех влияний, которые оказывает

испытательное, регистрирующее и управляющее оборудование на сам процесс функционирования испытуемого объекта. Поэтому важнейшим принципом организации сложных экспериментов в современных условиях являет­ ся системный подход, предполагающий рассмотрение всех средств, участвующих в эксперименте, как единой систе­ мы, описываемой соответствующей математической мо­ делью.

Математическая модель становится неотъемлемым эле­ ментом испытаний, без построения которой невозможно осуществить планирование эксперимента, его проведение и обработку результатов. В самом деле, только наличие соотношений, связывающих искомые технико-экономи­ ческие характеристики испытуемого объекта с его пара­ метрами, позволяет получить обоснованные суждения о перечне необходимых испытательных мероприятий, и их рациональной последовательности, совокупности регист­ рируемых величин, о требованиях к точности измерений и частоте регистрации и т. д. Эти же соотношения служат для определения оценок искомых характеристик, удовле­ творяющих соответствующим статистическим требованиям (несмещенность, минимум дисперсии и др.). Для построе­ ния математической модели испытательного процесса не­ обходимо иметь весьма четкое представление о его струк­ туре, поведении отдельных элементов, взаимодействии между ними, влиянии различных факторов, а также о реакции на изменения условий испытаний.

Книга X. Шенка «Теория инженерного эксперимента», перевод которой предлагается вниманию советского чи­ тателя, является хорошим введением в проблему анализа и организации современных экспериментальных исследо­ ваний. Помимо традиционного материала, относящегося к применению методов теории вероятностей для описания закономерностей формирования погрешностей экспери­ мента (главы 2 и 3), и методов математической статистики для обработки его результатов (главы 7 и 8), она содер­ жит оригинальные разделы, посвященные вопросам си­ стемного подхода к организации испытаний. Сюда отно­ сится глава 4, где описываются анализ размерностей и некоторые приемы формирования моделей для испытуе­ мых объектов, а также главы 5 и 6, в которых излагаются

принципы проектирования измерительных систем и пла­ нирования эксперимента.

Особую ценность книге придают простота и нагляд­ ность изложения сложных вопросов теории эксперимен­ та, имеющих глубокий математический смысл (я-теорема, аппроксимация опытных зависимостей, статистические критерии и т. д.). Большинство рекомендуемых приемов анализа эксперимента и обработки его результатов ил­ люстрируется примерами из различных областей техники. В конце каждой главы имеются контрольные задачи.

Для овладения материалом книги достаточна матема­ тическая подготовка в объеме обычной программы выс­ ших технических учебных заведений. Некоторые допол­ нительные сведения приводятся по мере надобности в со­ ответствующих главах.

Книга будет полезна инженерам и студентам старших курсов всех специальностей, соприкасающихся с вопро­ сами организации экспериментальных исследований.

Я. Бусленко

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Проведение экспериментов считается «искусством, ко­ торому можно научиться, но которому нельзя научить». Такое утверждение, по-видимому, справедливо, если под экспериментом подразумевается общий процесс научного исследования и получения новых данных. Некоторые экспериментаторы, имея весьма скудные и недостоверные данные, способны открыть новые важные принципы, тогда как другие даже при исчерпывающем исследовании упу­ скают очевидные факты. Хотя искусству делать открытия нельзя научиться, научить искусству подготовки к от­ крытиям все же можно. Можно научить исключать или учитывать случайные воздействия окружающей среды, планировать эксперименты и определять порядок измене­ ния условий эксперимента, оценивать ошибки и их сово­ купное влияние, многократно проверять получаемые дан­ ные и представлять эти данные в упорядоченном и нагляд­ ном виде. И наиболее вероятно, что после этого открытие— большое или малое (если оно возможно) — будет сделано. Именно эта сторона эксперимента как искусства и состав­ ляет содержание данной книги.

Эта книга задумана как учебное и справочное пособие для будущих инженеров — механиков, строителей и элек­ тротехников. Она окажет им помощь при выполнении лабораторных работ, написании наиболее сложных раз­ делов дипломной работы, а также при проведении экспе­ риментов на промышленных предприятиях. Книга су­ щественно отличается от традиционных учебников или ру­ ководств по лабораторным работам, она не содержит де­ тальных описаний измерительных приборов, машин и конкретных экспериментов. Вряд ли было бы оправдано слишком большое внимание к движению клапанов паро­

вого двигателя или анализу каменноугольной золы. Сту­ дент технического учебного заведения, изучив такие из­ мерительные устройства, как расходомер, дозирующее отверстие, мерная бочка, водослив, гидрометрическая вертушка и датчик статического давления в потоке, в практической деятельности может впервые столкнуться с электромагнитным измерителем скорости течения. Если при обучении в колледже основное внимание уделялось механическим деталям устройств и инструкциям по экс­ плуатации, то инженер начнет свою работу действитель­ но с малым багажом. Если же в процессе изучения этих традиционных измерительных средств студент освоит такие вопросы, как определение ошибки некоторого из­ мерения, распределение ошибок относительно «истин­ ного» значения, определение суммарной ошибки в систе­ мах с измерением нескольких величин, планирование из­ мерения расхода (или каких-либо других величин) с целью обеспечения минимальной неопределенности, про­ верка наличия систематической или случайной ошибки, применение уравнения баланса и методов экстраполяции» то новая проблема, с которой он столкнется, покажется ему ненамного сложнее тех, с которыми он уже встречался ранее, и может быть сформулирована с помощью терми­ нов из области механики или электротехники. Я полагаю, что не имеет значения, какое именно лабораторное обору­ дование используется при обучении студентов. В настоя­ щее время основное внимание необходимо уделять общим принципам экспериментальной работы.

Почти половина книги посвящена простым статисти­ ческим методам, однако это не учебник по математической статистике. Выводы и доказательства сведены к миниму­ му, статистика, подобно арифметике, рассматривается только как рабочий инструмент. Для понимания материа­ ла не требуется знания математической статистики, пред­ полагается, что читатель знаком лишь с основами диффе­ ренциального и интегрального исчисления. Для иллюст­ рации принципов экспериментальной работы широко ис­ пользуются числовые примеры. По возможности эти при­ меры связываются с простыми инженерными эксперимен­ тами, которые являются общими при подготовке инжене­ ров любого профиля. Было бы полезно иметь некоторый

опыт занятий в учебной лаборатории или опыт практи­ ческой работы, хотя это и не обязательно.

В настоящее время исследователю доступны многие аналитические методы, которым можно было бы посвя­ тить целую книгу. При отборе материала данной книги учитывались два обстоятельства. Во-первых, рассматри­ ваемые методы должны иметь важное значение в основном для инженеров-механиков, инженеров-строителей и ин- женеров-электротехников. Во-вторых, численные решения должны быть достаточно простыми и не требовать приме­ нения вычислительной техники, хотя широкое распрост­ ранение цифровых вычислительных машин и появление их даже в небольших учебных заведениях делает необхо­ димым обсуждение хотя бы некоторых вопросов, связан­ ных с обработкой дискретных данных. Такой выбор кри­ териев может вызвать возражения квалифицированных экспериментаторов или специалистов в области статисти­ ки. Например, в книге большое внимание уделяется пла­ нированию факторных экспериментов, тогда как диспер­ сионный анализ, часто применяемый при планировании экспериментов, почти не рассматривается. Такой отбор материала обусловлен убеждением автора в том, что пла­ нирование экспериментов дает инженеру определенные неоценимые преимущества и возможности контроля, ко­ торые в настоящее время используются далеко не пол­ ностью. В экспериментах, относящихся к механике и электротехнике, от исследователя, как правило, требует­ ся лишь простой графический анализ результатов. Более сложный материал, связанный с изучением распределений и корреляций, опускается не потому, что эти вопросы не интересуют инженеров, а вследствие того, что для их изу­ чения требуется много времени, а студенты и экспери­ ментаторы обычно не имеют возможности уделять много внимания этим вопросам. Если читателя интересуют более детальные, более мощные и трудоемкие критерии и мето­ ды, он может обратиться к другим источникам, перечень которых приводится в конце каждой главы.

Любая книга, в которой делается попытка рассмотреть столь обширный предмет, напоминает в некотором отно­ шении запоминающее устройство вычислительной маши­ ны; читателю предлагаются то одни, то другие аналити­