Моделирование, как средство отражения свойств материальных объектов

      Исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей называется моделированием. Это одна из основных категорий теории познания. 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).

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

      В основе моделирования лежит теория подобия, которая предполагает, что процессы и явления подобны, если между ними существует соответствие, определяемое критериями подобия.

      Критерии подобия - это безразмерные комплексы параметров процесса или явления, их отвлеченные характеристики, полученные в результате абстрагирования и идеализации.

      Высказанное суждение можно представить простыми формулами вида:

ХМ = КХ ХН; ХН = ХМ/КХ,      (1.3.)

где ХН - значение какой-либо величины в натурных условиях;

      Для каждого рода величин коэффициент подобия (масштаб моделирования) должен быть постоянным: например, отношение L/l = Kl линейных размеров в натуре к сходственным размерам на модели должно равняться одному и тому же числу Kl

     Все виды моделирования подразделяются на четыре класса:

      I. 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.

      Модели широко используются при исследовании и проектировании различных технологических объектов (в т.ч. машин и аппаратов легкой промышленности) для определения на модели тех или иных свойств (характеристик) как объекта в целом, так и отдельных его частей. Например, при исследовании на физической модели процесса или рабочих органов машин для обработки деталей деформированием (тиснение, предварительное формование подошв, стелек, обтяжка и затяжка верха обуви и др.) должны соблюдаться условия подобия.

      Характерным для физического моделирования является:
- относительно полное воспроизведение свойств моделируемого объекта;
- возможности использования аппаратуры для регистрации показаний измерения без использования преобразующих устройств, вносящих дополнительные погрешности и искажения;
- возможности изучения явлений, не поддающихся математическому описанию;
- дороговизна моделей сложных объектов;
- трудность варьирования некоторыми параметрами моделируемого объекта в необходимых границах.

      Пример деформированных кожевенных или полимерных материалов может использоваться при предметно-математическом моделировании их реологических свойств с составлением уравнений их деформационного поведения. Так, упругая деформация, описываемая уравнением F =CS ,где С - жесткость, $ - абсолютная деформация моделируется пружиной (см. рис. 1.4, а). Пластическая деформация моделируется гидравлическим катарактом с вязким трением (например, системой цилиндр-поршень) (рис. 1.4,6). Математически такая деформация интерпретируется следующим уравнением:

             F = D (dS/dt),                              (1.4)

где D - жесткость катаракта (коэффициент численно равный нагрузке (Н), необходимой для скольжения поршня со скоростью I м/сек).

      Для моделирования высокоэластической деформации соединяют параллельно пружину и катаракт (рис.1.4,в), получим так называемую модель Кельвина-Фойхта. При этом их деформации одинаковые, а суммарное сопротивление равняется внешней нагрузке

      Таким образом, в приведенной предметно- математической модели напряжение моделировалось нагрузкой, модуль мгновенной упругости - жесткостью пружины, вязкость пластического течения -жесткостью катаракта, вязкость и модуль высокоэластической деформации - жесткостью катаракта и пружины элемента Фойхта.

      Наряду с механическим, широко используется и электрическое моделирование, обладающее рядом достоинств: простота, компактность, дешевизна и т.п. При электрическом моделировании даже в самых сложных случаях можно ограничиться моделью, состоящей из набора простых деталей: конденсаторов, индуктивностей и резисторов. Их комбинации позволят массу моделировать индуктивностью; силу - электрическим напряжением; скорость - силой тока; податливость, мягкость, упругость - емкостью; смещение - электрическим зарядом и т.п.

      Наиболее абстрактным и идеальным отображением исследуемого объекта является математическая модель. Такой тип исследования осуществляется на моделях, физическая природа которых отличается от физической природы оригинала, благодаря чему значительно упрощается сам процесс моделирования. Например, с помощью одних и тех же формул можно моделировать аэродинамические и гидродинамические явления, колебания струн и мембран, особенности поведения электронов в атомах и молекулах и т.п.

      Математическая модель явления представляет собой гипотезу, выраженную системой символов.

      Существуют, в основном, два метода разработки математических моделей: теоретический и экспериментально-статистический.

      Теоретический метод основан на изучении физико-математических и физико-химических закономерностей объекта, составлении и решении систем уравнений в алгебраической, дифференциальной и конечно-разностной форме.

Экспериментально-статистический подход основан на статистической обработке результатов экспериментов, организованных специальным образом. Главное достоинство моделей, получаемых на основе теоретического исследования, заключается в их большой прогностической мощности. Зная достаточно полно описание поведения объектов, можно с большей степенью достоверности предсказывать их поведение в самых разнообразных условиях.

      Слабое место такого подхода - трудность создания хорошей теории сложных явлений и процессов.

      Получить модели для большого класса объектов легкой промышленности весьма сложно и есть сомнения, что можно достичь цели в обозримый срок.

      Обычным недостатком теоретических математических моделей является и то, что при их разработке принимается ряд таких допущений, что эти модели при практическом применении не дают ожидаемых результатов.

      Значительный интерес представляют более доступные и зачастую более эффективные экспериментально-статистические методы, исследования сложных объектов, имеющие своей целью, как отыскание математического описания, так и оптимизацию объектов и процессов по этим моделям.

      Общим и главным недостатком всех математических моделей является их недостаточная наглядность, особенно на первых этапах исследования, что ведет иногда к явному или скрытому подсознательному сопротивлению исследователя применению математических методов при разработке модели. Поэтому, вероятно, наиболее целесообразным является применение последовательного метода моделирования путем создания макета, физической модели, предметно-математической модели и математической модели, как завершающего этапа исследования.