Пример использования моделирования при подготовке инженеров в рамках курса «Основы научных исследований»

Эффективное функционирование современного производства невозможно без его систематического технического перевооружения. Последнее в свою очередь базируется на достижениях науки и техники. При этом элементы научного исследования все в большей мере входят в инженерную деятельность, так как разработка новых технологических процессов, проектирование машин и механизмов для их реализации и, наконец, внедрение достижений науки в производство требует постоянного поиска новых идей. В своей повседневной работе специалист постоянно сталкивается с необходимостью исследований работы механизмов и технологических машин, выбора оптимальных параметров и режимов производственных процессов — проведением научных исследований. Поэтому уже на уровне подготовки специалистов в высших учебных заведениях необходимо формировать у обучаемых научное мышление, способность к самостоятельному принятию решений, грамотному анализу полученных данных и возможности прогнозирования ситуации [2].

Инженеру-механику необходимо владеть методикой научного поиска, уметь ставить задачи исследования, знать методы и средства измерения параметров работы, обладать навыками проведения эксперимента, обработки, анализа и обобщения результатов исследования, владеть теорией принятия инженерных решений. Реализация указанных умений и профессиональных компетенций достигается в процессе обучения студентов при рассмотрении большого числа учебных дисциплин. На уровне магистерской программы полученные знания обобщаются в курсе «Основы научных исследований». В рамках данной программы изучаются вопросы практической организации научного поиска, анализа и обобщения результатов исследования, овладение теорией принятия инженерных решений.

Одним из основных методов научного познания объекта является эксперимент. Качественное проведение научного эксперимента способно сформировать теоретическое научное познание и практические навыки, необходимые исследователю. В то же время, обучаемый получает расширение научного кругозора, способность к самостоятельной постановке и проведению исследований, анализу и критическому пониманию достижений современной науки. Рассматривая эксперимент как один из методов научных исследований, становится возможным выделить следующие этапы.

• 1. Изучение методологии проведения эксперимента. Разработка плана эксперимента. Выбор модели.
• 2. Организация научного эксперимента. Подготовка оборудования, приборов и объекта исследований.
• 3. Способы и задачи регистрации и протоколирования исследуемых показателей.
• 4. Статистическая и математическая обработка экспериментальных данных.
• 5. Оформление результатов исследования.

Каждый из этапов эксперимента как основы научных исследований, в свою очередь, является совокупностью методов, изучение которых проходит в курсах смежных дисциплин. Поэтому невозможно проводить обучение специалистов без предметной взаимосвязи. В частности, при планировании и проведении эксперимента при изучении «Основ научных исследований», обнаруживается тесная взаимосвязь с курсом «Моделирование объектов автомобильного транспорта», так же входящего в магистерскую программу.

Взаимосвязь между дисциплинами можно определить по следующим признакам. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования — как теоретический (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели). По сути моделирование представляет собой способ проведения эксперимента. Моделирование выступает как средство отражения свойств материальных объектов.

Сущность моделирования заключается в исследовании объекта с помощью заменителя — модели, что позволяет по результатам опытов на модели судить о явлениях, происходящих в «натурных условиях» .

Все виды моделирования подразделяются на четыре класса:

• 1. Макет исследуемого объекта — представляет собой его внешнее пространственное изображение, характеризует взаимодействие и взаимосвязь отдельных частей объекта.
• 2. Физическая модель объекта (процесса) — в вещественном виде с большей или меньшей точностью воспроизводит процессы, происходящие в исследуемом объекте.
• 3. Предметно-математическая модель — позволяет исследовать объект путем изучения явлений и объектов иной физической природы.
• 4. Математическая модель — способ описания объективно существующих явлений с помощью математической символики.

Таким образом, целесообразно при изучении дисциплины «Основы научных исследований» использовать моделирование объектов, эксперимент.

Применение данного положения можно рассмотреть на конкретном примере использования моделирования в проведении научного эксперимента.

Обозначим тему как «Аэродинамическая оптимизация автомобиля для участия в национальных соревнованиях по дрэг-рейсингу». Цель эксперимента — улучшение производительности машины, изменяя аэродинамическое качество объекта.

Объектом исследования является легковой полноприводный автомобиль серийного производства с закрытыми колесами, с двигателем внутреннего сгорания объёмом 3000 куб.см. Согласно техническим требованиям, менять геометрию кузова автомобиля запрещено. Таким образом, изменение аэродинамических характеристик возможно только при использовании навесных аэродинамических элементов и плоскостей, а также при варьировании развесовки автомобиля.

Для достижения поставленных задач необходимо построить модель, которая будет учитывать все необходимые параметры автомобиля, согласно техническому заданию и техническим требованиям соревнований. При моделировании нужно учесть все силы, действующие на автомобиль при движении, вес, распределение веса, размеры частей и узлов дрегстера, динамические характеристики, производительность двигателя и общей тяги, что позволит составить адекватную картину движения автомобиля по дистанции. Исходя из этого, модель будет представлять собой систему, состоящую из двух отдельных блоков. Задачи первого блока — определить силы, затрачиваемые данным автомобилем на преодоление дистанции, время прохождения дистанции и скорость. Второго — определить, как аэродинамические элементы могут повлиять на производительность автомобиля. эксперимент учебный моделирование научный Практически, первый блок представляет собой уравнение движения, которое также состоит из двух подчастей. Дистанция разбивается на два участка. Первый участок — область ускорения, ограниченная тягой. Второй — область движения, ограниченная мощностью.

На первом участке ускорение, развиваемое машиной, настолько стремительно, что при подаче газа возникнет проскальзывание ведущих колёс. При возрастании передаваемого крутящего момента увеличивается площадь, в пределах которой происходит проскальзывание шины относительно дороги, увеличивается тангенциальная деформация шины, скольжение и уменьшается путь, проходимый колесом за один оборот. На этом этапе автомобиль испытывает недостаток прижимной силы, для передачи полного момента. Непосредственно перед стартом происходит перераспределение нормальных нагрузок и веса, автомобиль «приседает» на задние колёса и вес более полно передаётся на заднюю ось. Прижимная сила на переднюю ось уменьшается. Конструктивно улучшить сцепление ведущих колёс помогают особенности дреговых шин, имеющих весьма большой диаметр и мягкую гибкую боковину. При движении для шин характерно: высокий крутящий момент (колесо вращается со скоростью 8000 об/мин.), низкое давление (ниже 1 бара) и большие деформации в тангенциальном направлении. В момент старта шина сжата в передней части, что увеличивает пятно контакта. Боковина шин вращается быстрее, чем остальная её часть, нижняя средняя часть шины у основания деформируется (сморщивается). Как только протектор достигает задней части участка пятна контакта, остальная часть пытается догнать боковину. Колесо получает мощный импульс (ударный импульс протектора), вызывающий большие силы, отвечающие за ускорение. Также силы инерции вращения шины обеспечивают дополнительную прижимную силу на колёса.

На втором участке колёса могут вращаться уже без проскальзывания, но частота их вращения и пройденный путь ограничены мощностными показателями автомобиля. Граница между областями проходит в так называемой «точке прохождения критической скорости». Ниже критической скорости возникает пробуксовка, выше — движущая сила пропорциональна мощности и обратно пропорциональна скорости.

Проанализировав первый блок системы описываемой модели, можно определить параметры для аэродинамической оптимизации автомобиля. Для улучшения аэродинамического качества объекта при движении на участке ускорения, ограниченного тягой, требуется снижение подъёмной силы, что достигается следующими методами: уменьшением расстояния от центра тяжести до передней оси при одновременном увеличением расстояния от центра тяжести до центра давления.

Для области движения, ограниченного мощностью, для улучшения аэродинамического качества машины также требуется снизить подъёмную силу на осях и увеличить аэродинамический радиус, понизив общий коэффициент подъёмной силы, увеличить вес на ведущую ось, в том числе и за счёт аэродинамических сил. На всех этапах прохождения дистанции необходимым условием является понижение коэффициента аэродинамического сопротивления.

Полученные закономерности будут составлять второй блок системы модели.

В результате анализа проблемы и свойств объекта, становится возможным предложить способы реализации поставленной цели. Для приведённого примера решением служат следующие параметры. Распределение масс деталей и узлов автомобиля со смещением вперёд позволит сместить центр тяжести к передней оси. Дополнительную прижимную силу на переднюю ось обеспечит установка переднего спойлера, который должен обеспечивать достаточное давление на передние колёса для осуществления управляемости и недопущения продольного раскачивания (тангажа). Передний спойлер, совместно с аэродинамическими подднищевыми заслонами, имеет важное значение в эффективном управлении встречными воздушными массами. Направляя поток на и под кузов этот элемент обеспечивает работу аэродинамическим элементам, расположенным в задней части кузова и уменьшает расход воздуха под днищем. Установка антикрыла под небольшим углом атаки с высоким соотношением сторон в задней плоскости машины будет способствовать генерированию прижимной силы на задней оси и смещению центра давления назад относительно центра тяжести для устойчивости автомобиля на трассе. Следует ограничить поступление воздуха в колёсные арки, чтобы не способствовать образованию подъёмной силы вращающимся колесом. Эффективное снижение коэффициента аэродинамического сопротивления позволяет достичь использование диффузора.

Приведённый пример наглядно демонстрирует применение одного из методов научных исследований — моделирования, на практике. Особенно важным для студентов при выполнении подобных задач является грамотно определить исходные параметры, методы решения поставленных задач и провести анализ полученных результатов.

Таким образом, выполнение научных исследований способствует формированию навыков ведения самостоятельной работы, проектирования, прогнозирования. У обучаемых развивается критическое мышление, способность к творческому решению задач, умение применить теоретические знания в профессиональной деятельности.

• 1. Сабитов, Р.А. Основы научных исследований. /Р.А. Сабитов: Учеб. пособие — Челябинск: Челяб. гос. ун-т., 2002. 138 с.
• 2. Buratti, T. M. Top-fuel dragster wing design using CFD and its influence on vehicle dynamic performance. Masters Thesis, Oklahoma State University, Department of Mechanical & Aerospace Engineering, December 2000 (англ).