Н.А. Спирин, В.В. Лавров - Методы планирования и обработки результатов инженерного эксперимента, страница 2

Компьютерныеметоды статистической обработки результатов инженерного эксперимента6ПРЕДИСЛОВИЕпроиллюстрированы на примерах использования статистических функцийраспространенного пакета Microsoft Excel (в составе Microsoft Office) и мощнойинтегрированной системы статистического анализа и обработки данныхSTATISTICA. Глубокое освоение возможностей специализированных пакетовтребует значительного промежутка времени, при этом у пользователя можетвозникнуть иллюзия освоения самой теории вероятности и математическойстатистики.Однакоследуетпонимать,чтоинструментнезаменяеткомпетентность и профессионализм. Компьютер представляет собой не заменучеловеческого интеллекта, а лишь его усилитель.

Никакие яркие возможностисовременногопользовательскогоинтерфейса(раскрывающиесяокна,контекстное меню, кнопки и т.д.) не освобождают пользователя компьютера отнеобходимостиизученияипониманиясутистатистическихметодов,реализованных в таких системах.Построение книги имеет блочную структуру. В каждой главе послеизложения теоретического материала рассмотрены типовые примеры решениязадач.

Наличие достаточного количества примеров позволяетиспользоватькнигу не только как учебное пособие, но и как инструмент при проведениисеминарских занятий.Книгаинформатиканаписанавпреподавателямиметаллургии»ГОУВПОкафедрыУральского«Теплофизикаигосударственноготехнического университета – УПИ проф., д-м техн. наук Н.А.Спириным Н.А.,доц., канд. техн.

наук В.В.Лавровым, доц., канд. техн. наук А.Р.Бондиным А.Р.,проф., д-м техн. наук В.И.Лобановым.Авторы признательны коллективу кафедры «Теплофизика и экологииметаллургического производства» Московского государственного институтастали и сплавов (зав. кафедрой заслуженный деятель науки и техники РФ,профессор, доктор технических наук В.А.Кривандин, рецензент - профессор,доктор технических наук С.А.Крупенников) и доктору технических наук,профессору Магнитогорского государственного технического университетаВдовину К.Н.

за ценные замечания, сделанные при рецензировании книги.Авторы просят читателей свои отзывы направлять по адресу: 620002,Екатеринбург,ул.Мира,19,Уральскийуниверситет–УПИ.7государственныйтехнический1. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ1.1.

Понятие экспериментаВо многих областях научной и практической деятельности современногочеловека значительное место занимают теоретические методы изучения различных объектов и процессов окружающего нас мира. Так, в металлургии всеболее широкое применение находят результаты, полученные на основе теоретического решения задач теории пластичности, механики жидкости и газов, физики металлов, феноменологической теории разрушения материалов и другихтеоретических дисциплин. Однако, несмотря на высокую эффективность теоретических методов, при рассмотрении конкретных технологических проблем,особенно в условиях действующего производства, инженеру зачастую приходится сталкиваться с задачами, решение которых практически невозможно безорганизации и проведения того или иного экспериментального исследования.С общефилософской точки зрения эксперимент (от латинского experimentium – проба, опыт) – это чувственно-предметная деятельность в науке; в болееузком смысле – опыт, воспроизведение объекта познания, проверка гипотез ит.д.В технической литературе термину эксперимент устанавливается следующее определение – система операций, воздействий и (или) наблюдений,направленных на получение информации об объекте исследования.Являясь источником познания и критерием истинности теорий и гипотез,эксперимент играет очень важную роль как в науке, так и в инженерной практике.

Эксперименты ставятся в исследовательских лабораториях и на действующем производстве, в медицинских клиниках и на опытных сельскохозяйственных полях, в космосе и в глубинах океана.Хотя объекты исследований очень разнообразны, методы экспериментальных исследований имеют много общего:81. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ− каким бы простым ни был эксперимент, вначале выбирают план его проведения;− стремятся сократить число рассматриваемых переменных, для того чтобыуменьшить объем эксперимента;− стараются контролировать ход эксперимента;− пытаются исключить влияние случайных внешних воздействий;− оценивают точность измерительных приборов и точность получения данных;− и наконец, в процессе любого эксперимента анализируют полученные результаты и стремятся дать их интерпретацию, поскольку без этого решающего этапа весь процесс экспериментального исследования не имеет смысла.К сожалению, зачастую работа экспериментатора настолько хаотична инеорганизованна, а ее эффективность так мала, что полученные результаты нев состоянии оправдать даже тех средств, которые были израсходованы на проведение опытов.

Поэтому вопросы организации эксперимента, снижения затратна его проведение и обработку полученных результатов являются весьма ивесьма актуальными.Современные методы планирования эксперимента и обработки его результатов, разработанные на основе теории вероятностей и математическойстатистики, позволяют существенно (зачастую в несколько раз) сократить числонеобходимых для проведения опытов. Знание и использование этих методовделает работу экспериментатора более целенаправленной и организованной,существенно повышает как производительность его труда, так и надежностьполучаемых им результатов.Как и любая другая научная дисциплина, организация и планированиеэксперимента имеют свою строго определенную, во многом регламентируемуюстандартами (ГОСТ 15895-77, ГОСТ 16504-81, ГОСТ 24026-80), терминологию,для первоначального знакомства с которой мы рассмотрим классификацию видов эксперимента.91.

ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ1.2. Классификация видов экспериментальных исследованийПрежде всего отметим, что любой эксперимент предполагает проведениетех или иных опытов.Опыт – воспроизведение исследуемого явления в определенных условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.По цели проведения и форме представления полученных результатовэксперимент делят на качественный и количественный.Качественный эксперимент устанавливает только сам факт существования какого-либо явления, но при этом не дает никаких количественных характеристик объекта исследования.

Любой эксперимент, каким бы сложным он нибыл, всегда заканчивается представлением его результатов, формулировкойвыводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть выражена в виде графиков, чертежей, таблиц, формул, статистических данных или словесныхописаний. Качественный эксперимент как раз и предусматривает именно словесное описание его результатов.Пример 1.1. Если взять два куска стальной проволоки диаметром 5,0 мм,один из которых после пластической деформации не имел термической обработки (проволока 5,0-II ГОСТ 3282-74), а второй прошел операции отжига (проволока 5,0-О-С ГОСТ 3282-74), и подвергнуть их нескольким перегибам, то легко убедиться, что термически не обработанный металл разрушается раньше(при меньшем числе перегибов), т.е.

имеет меньшую пластичность.Однако словесное описание – не самый эффективный и информативныйспособ представления результатов эксперимента, поскольку он не позволяетдать количественных рекомендаций, проанализировать свойства объекта виных условиях. Поэтому в инженерной практике основное содержание эксперимента представляется числом и количественными зависимостями.Количественный эксперимент не только фиксирует факт существованиятого или иного явления, но, кроме того, позволяет установить соотношения ме101. ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯжду количественными характеристиками явления и количественными характеристиками способов внешнего воздействия на объект исследования.В условиях примера 1.1, для того чтобы перевести эксперимент из разряда "качественный" в "количественный", необходимо:− определить и количественно описать те параметры процесса отжига и тесвойства материала, которые по предположению могут повлиять на пластичность стали (например: температура отжига, ºС; скорость охлаждения, ºС/ч,фактический химический состав стали, из которой изготовлена проволока ит.д.);− выбрать ту или иную количественную характеристику пластичности металла(например, число перегибов проволоки к моменту ее разрушения по ГОСТ1579-93);− в результате эксперимента необходимо установить количественную зависимость между пластичностью проволоки и параметрами процесса термообработки, с учетом тех возможных колебаний химического состава, которые допустимы для данной марки стали.Итак, количественный эксперимент прежде всего предполагает количественное определение всех тех способов внешнего воздействия на объект исследования, от которых зависит его поведение – количественное описание всехфакторов.Фактор – переменная величина, по предположению влияющая на результаты эксперимента.Например, в качестве факторов рассматриваемого иллюстративного эксперимента можно выбрать температуру отжига, скорость охлаждения, процентное содержание углерода или любого другого химических элемента, регламентированного для данной марки стали.В отдельном конкретном опыте каждый фактор может принимать одно извозможных своих значений – уровень фактора.Уровень фактора – фиксированное значение фактора относительно начала отсчета.111.

ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯНапример, одним уровнем такого фактора, как скорость охлаждения приотжиге, может быть 50 ºС/ч, другим – 100 ºС/ч и т.д.Фиксированный набор уровней всех факторов в каждом конкретном опыте как раз и определяет одно из возможных состояний объекта исследования.При проведении опытов очень многое зависит от того, насколько активноэкспериментатор может "вмешиваться" в исследуемое явление, имеет он илинет возможность устанавливать те уровни факторов, которые представляютдля него интерес.С этой точки зрения все факторы можно разбить на три группы:− контролируемые и управляемые – это факторы, для которых можно не только зарегистрировать их уровень, но еще и задать в каждом конкретном опыте любое его возможное значение;− контролируемые, но неуправляемые факторы – это факторы, уровни которых можно только регистрировать, а вот задать в каждом опыте их определенное значение практически невозможно;− неконтролируемые – это факторы, уровни которых не регистрируются экспериментатором и о существовании которых он даже может и не подозревать.В примере 1.1 в качестве контролируемых и управляемых факторов можно очень вероятно рассматривать температуру отжига и скорость охлажденияпроволоки.