Общие сведения об испытаниях с использованием моделей

Моделирование— это метод исследования объекта испытаний (ОИ) и протекающих в нем физических процессов. В основе метода лежит замена ОИ и реальных процессов, проходящих в нем, моделью, струк­тура и способ реализации которой могут изучаться путем математи­ческого, физического и физико-математического моделирования. Как указалось выше, моделирование позволяет сократить объем, продол­жительность и стоимость испытаний по сравнению с лабораторными и эксплуатационными методами.

Испытания с использованием моделирования являются важным средством изучения свойств ОИ. Они позволяют быстро и эффек­тивно оценить поведение ОИ на всех стадиях от проектирования до эксплуатации путем имитации поведения реального ОИ другим, бо­лее удобным для испытателя методом. Особенно важное значение приобретает испытание с использованием моделирования в аварий­ных ситуациях для уточнения процессов потери работоспособности ОИ при различных эксплуатационных условиях и режимах работы, а также при выборе контролируемых параметров ОИ в процессе его разработки.

С помощью моделирования можно воспроизводить работу ряда систем, практически не прибегая к натурным испытаниям, оптими­зировать их характеристики, осуществлять краткосрочный или глубо­кий прогноз. Основное назначение моделирования — выбор опти­мальной стратегии поиска наилучшего из возможных вариантов. Однако на практике этим проблема моделирования не ограничивает­ся. Выбранная в процессе моделирования стратегия исследования будет оптимальной для совокупности рассматриваемых условий. Но она может оказаться и неоптимальной, если в ходе исследования рас­кроются новые, до того неизвестные свойства системы. В этом слу­чае должно измениться соответственно и направление поиска.

Допустим, что условиями технического задания на разработку двигательной установки (ДУ) космического корабля сформулирова­ны основные требования: уровень надежности, значения основных параметров, масса конструкции и т. п. Благодаря проведенной отра­ботке поставленная цель оказалась достигнутой. Однако с помощью моделирования были выявлены некоторые новые свойства и приня­тая схема конструкции ДУ и ее параметры оказались неоптимальны­ми. Тогда в результате проведенного исследования наметилась новая стратегия поиска, позволяющая решать поставленную задачу уже при значительно облегченной конструкции. В этом и заключается эври­стический смысл идеи моделирования, благодаря которому выявле­ние новых свойств процесса при анализе полученных результатов оп­ределяет новые пути решения комплексной задачи. С учетом этого моделирование физических процессов позволяет решать задачи как бы двух планов: во-первых, определять оптимальным образом путь решения задачи при заранее известном составе факторов и, во-вто­рых, благодаря выявлению новых свойств и особенностей исследуе­мого процесса осуществлять эвристически стратегию поиска.

Исследование методом моделирования начинается обычно с об­работки априорной информации по испытаниям натурных объектов, выбора вида модели, разработки специальной рабочей модели, пред­назначенной для конкретных исследований. Затем уже производится экспериментирование на данной модели с последующим уточнением ее вида и самих результатов моделирования. В ряде случаев модели­рование заканчивается серией контрольных испытаний натурных си­стем с целью подтверждения достоверности полученных результатов.

По назначению различают два основных вида моделей, исполь­зуемых при проведении испытаний: физические и математические. Физическая модель позволяет воспроизвести ОИ с сохранением его физической природы и происходящих в нем процессов при соответ­ствующих воздействиях внешних факторов. Математическая модель представляет собой математические соотношения, описывающие ОИ и происходящие в нем процессы при внешних воздействиях.

Физическое моделирование применяют при исследовании и оценке характеристик О И, а также процессов их функционирования, когда получение экспериментальных характеристик по результатам испыта­ний реальных О И связано с большими трудностями и затратами и не представляется возможным осуществить математическое моделирова­ние. В этих случаях физическая модель позволяет обнаружить зави­симость между различными параметрами непосредственным измере­нием. Затем, опираясь на теорию подобия или используя метод аналогий, результаты испытаний переносятся на оригинал (модели­руемый объект или процесс).

В зависимости от свойств ОИ физические модели могут исполь­зоваться при проведении исследовательских испытаний для оценки некоторых (например, наиболее трудно измеряемых на ОИ) характе­ристик, при испытаниях на надежность с целью определить «слабые» звенья и оценить показатели надежности по поведению слабого звена.

Математическое моделирование применяют в тех случаях, когда имеется возможность рассчитать (с использованием ЭВМ) измене­ние (в процессе внешних воздействий) параметров, определяющих поведение ОИ. Математические модели представляют собой матема­тические соотношения, использующие дискретные значения исход­ных данных и отражающие результаты расчета также для дискретных моментов времени. Расчет значений параметров на выходе ОИ по известным для дискретных моментов времени значениям входных параметров, в том числе внешних воздействий, называется цифровым моделированием.

Цифровое моделирование сложных ОИ на ЭВМ осуществляется путем «проигрывания» как различных вариантов описаний самого ОИ, так и его взаимодействия с окружающей средой. Такое направление принято называть имитационным моделированием.

Разработка математических моделей может вестись на основе об­работки статистических данных. Однако если исследуется совершен­но новое явление, то на ранних этапах исследователь не располагает достаточным объемом информации, что позволяет с помощью со­здаваемой модели увидеть не сам процесс, а «нащупать» лишь его схему. Такое приближенное отображение процесса фиксируется с помощью так называемых концептуальных моделей. Концептуальные модели определяют наше условное представление об исследуемом процессе, а точнее — дают только скелетную схему.

Одна из наиболее важных задач моделирования — это изучение в процессе совершенствования отрабатываемых систем их характерис­тик и выявление скрытых свойств. К числу этих свойств относятся: оптимальные конструктивные и технологические характеристики; фактические значения основных параметров при любых сочетаниях внешних и внутренних факторов; значения параметров, определяю­щих экстремальные условия испытаний, распределение характерис­тик надежности систем при заданных условиях эксплуатации. Важным вопросом является обеспечение научной основы для планирования испытаний и прогнозирования основных параметров. Последнее дол­жно предшествовать всякому внедрению систем в производство.

В своей теоретической и практической основе разработка слож­ных систем зиждется на методах математического и физического мо­делирования, которые являются исходным началом для оптимиза­ции поиска. Подход к обоим методам различен. Если математические модели — это отображение реального процесса при помощи условных математических символов, то физические модели — это упрощенные или уменьшенные «макеты» реальных систем. Каждая из видов моде­лей не исключает, а дополняет другую и в рациональной программе участвуют вместе.

Чтобы можно бьшо распространить результаты, полученные при испытаниях с использованием моделирования, для оценки поведе­ния реальных ОИ, необходимо обеспечить определенное соответствие между моделью и ОИ. Это соответствие может выражаться в виде адекватности (т. е. одинаковости поведения в одинаковых условиях) или подобии модели и ОИ. В большинстве случаев испытаний ОИ с применением моделирования трудно обеспечить адекватность модели и ОИ, поэтому используются модели, подобные ОИ.

Процесс испытаний с помощью моделей ОИ (в дальнейшем — процесс моделирования) независимо от их вида (физическая или ма­тематическая) состоит из одинаковых основных этапов: сбора дан­ных, необходимых для построения модели; построения модели; про­ведения испытаний на модели; анализа полученных результатов. На рис. 4.2 приведено более детальное раскрытие этих этапов примени­тельно к математическому моделированию

Этап 1 — построение содержательного описания модели, в которое вносят всю информацию об ОИ. Если ОИ является вновь разрабаты­ваемым изделием, то в содержательное описание включают данные из ТЗ, условия работы объекта, данные о его структуре и функцио­нировании отдельных элементов. Эти данные получают из литера­турных источников, документов, отчетов о результатах исследова­ний, сведений об аналогичных объектах.

Этап 2 — построение формализованного описания, заключающееся в отборе из содержательного описания тех независимых переменных параметров, которые необходимы для построения модели и расчетов

по ней. Эти параметры должны описывать режимы работы ОИ и про­цессы, протекающие в нем при внешних воздействиях.

Этап 3 — построение модели путем нахождения ее блочной струк­туры. Каждый блок описывается уравнениями своего функциониро­вания, а взаимодействие между блоками — соответствующими пара­метрами.

Этап 4 — обработка модели осуществляется путем программиро­вания математической модели на ЭВМ или настройкой физической модели.

Этап 5 — эксперименты на модели реализуются при математичес­ком моделировании путем соответствующих расчетов на ЭВМ.

Этап 6 — проверка адекватности модели включает накопление ре­зультатов моделирования и их обработку с сопоставительным анали­зом точности полученных результатов моделирования с результатами лабораторного эксперимента. Критерии адекватности определяются на основе теории подобия.

Этап 7 — использование результатов моделирования для следующих целей: а) при разработке ОИ — для совершенствования его структу­ры и функционирования, оптимизации процедур испытаний и конт­роля; б) моделирования работающего ОИ, когда требуется более пол­ная информация о его свойствах, чем полученная при лабораторных испытаниях; в) моделирование сложного работающего ОИ, когда тре­буется определение степени нагружения отдельных блоков его струк­туры или эффективности их взаимосвязей.

Изложенные соображения позволяют в общем плане определить роль испытаний при использовании методов моделирования. Воз­можность математического моделирования определяется наличием со­ответствующих соотношений и трудоемкостью расчетов, которая во многом зависит от характеристик используемых ЭВМ.

Возможность применения физического моделирования определя­ется свойствами ОИ и видами испытательных воздействий. Если ОИ является сложной технической системой, состоящей из большого чис­ла отдельных звеньев (блоков, узлов), имеющих существенно раз­личную прочность (устойчивость) к разным видам испытательных воз­действий, то испытания могут проводиться с помощью физических моделей.

В тех случаях, когда ОИ обладает свойствами, при которых слож­ные внешние воздействия могут быть заменены воздействиями более простыми или с меньшей интенсивностью, испытания осуществля­ются на основе физического моделирования воздействий на ОИ.