設(shè)計與試驗——程不時

1、設(shè)計與試驗 程不時這一次，打算談一談設(shè)計與試驗的問題。在設(shè)計中，往往包含有試驗的步驟。有的人只把設(shè)計中的試驗當作一個常規(guī)的程序來對待，比如他們只希望了解什么樣的設(shè)計通常包含哪些試驗，（如飛機設(shè)計一般要做風洞試驗、結(jié)構(gòu)要做靜力試驗等等，是否一定要包含自由飛模型飛行試驗）但是這些試驗主要解決什么問題，試驗在人的識知擴展上究竟起什么作用，在一些特殊情況下是否需要特地開發(fā)一些特殊試驗等問題上，缺乏必要的思考能力。在工程設(shè)計中使用試驗是作為認識手段，而不是作為一種常規(guī)的程序。在人的認識與客觀實際之間，人的感官是傳遞信息的橋梁。人們通過感官感受到的信息而了解世界，并調(diào)整自己的行動。通?！案泄佟敝皇潜粍拥亟?/p>

2、受外界的事物?！霸囼灐眲t是人們有意識的觀察和探索活動，一種擴大信息來源和拓寬信息渠道的主動行動。 人從客觀世界感受到的信息總是局部的、具體的。但是由于人認識的能動性，人們可以從這些信息中總結(jié)出對于客體規(guī)律性的認識。同樣，實驗雖然是局部的有控制的行動，但是可以檢驗人對客觀世界規(guī)律的認識是否正確，或驗證自己活動的客觀效果。試驗是在可控制的條件下，對產(chǎn)品的某些局部（局部性能或局部構(gòu)件）進行分析，探索某些規(guī)律、證實人的某些認識、或測試人為采取的措施造成的結(jié)果，目的在于減少產(chǎn)品研制中技術(shù)風險。試驗總可能有成功和失敗兩種結(jié)果。試驗失敗一般比產(chǎn)品本身的失敗代價小。因此，試驗是一種減少產(chǎn)品技術(shù)風險的手段。一般

3、說來，試驗可以分為開發(fā)性試驗與驗證性試驗兩類。開發(fā)性實驗是探求設(shè)計中的有效手段，（典型如愛迪生從六千種植物的碳化物中尋找適合于做白熾燈絲的材料），驗證性試驗是為了證明人為設(shè)定的產(chǎn)品是否實現(xiàn)了原定的目的（如煉鋼中對每爐鋼水的成分化驗、飛機生產(chǎn)中制成品的交付試飛等等）。試驗的試件，可以是產(chǎn)品本身、也可以是產(chǎn)品的某些局部或者產(chǎn)品的某種模型。比如飛機研制中的空氣動力學試驗的常用方法，就是用模型在風洞中進行；而材料物理特性的試驗中使用的試件，也可以視為產(chǎn)品的一種模型。 模型 在工程設(shè)計中越來越多的使用模型。國外科技界有人認為：“在科學中，模型方法是人們所說的科學方法的核心?！痹陂_發(fā)中使用模型，往往可以節(jié)

4、約人力、物力、財務(wù)和時間，并且可以使一些本來很難觀察到的現(xiàn)象也用試驗來進行考察。因此人們越來多的使用模型來進行研究。 模型是模擬客觀現(xiàn)象的某些特點的一種人造系統(tǒng)，它只是在特定的特點上與原型有相似點。一般說來，模型將原型簡化，包含的因素少，這樣便于建造，也便于試驗和觀察。因此，模型與原型的相似是有條件的。 模型一般可分為物質(zhì)模型和理論模型兩類。 物質(zhì)模型又可分為幾何模型和物理模型兩種。幾何模型指外形與實物相似，僅僅盡寸經(jīng)過放大或縮小的模型。幾何模型除了用于展覽，教學等用途外，人們可以用工廠模型，城市模型來研究工廠、城市的布局，用地形砂盤研究作戰(zhàn)布署等。在生產(chǎn)中還常常用來作為傳遞尺寸的手段，如鑄造

5、中做砂型的木模、蠟?zāi)＃硗獬尚魏脱b配中用的樣板、模胎、型架等等，都屬于幾何模型，雖然這些幾何模型不一定模擬原形的全部幾何外形，但在特定的某些幾何特性上必須反映原形的特征。物理模型則是與原型有相似的物理現(xiàn)象的模型。例如，用光彈性試件上的光線花紋來推斷金屬構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力分布。用磁場分布（可以通過鐵粉的分布來顯示）推斷看不見的氣流流線的走向等等。不同物理現(xiàn)象可以用微分方程來表示。不同性質(zhì)的事物可以作為物理模型來使用，是因為這些現(xiàn)象之間可以用相同的微分方程來描繪。用不同電路連接而成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬計算機能解微分方程。人們用電路特性來模擬飛機在空中的復(fù)雜運動，可以使新設(shè)計的飛機在試飛前就能在模擬計算機上研

6、究它的飛行特性。由電路組成的模擬計算機在外形上一點也不像一架飛機，但是它可以模擬飛機的物理特性。因此，物理模型與原型只在物理特性上有相似性。人具有抽象思維的能力。人不僅能接受外界給予的第一信號（如聲、光、電、味等），還能接受和處理第二信息，如語言、文字、符號。從擴大了的模型概念來看，語言文字也是一種模型。語言文字是人發(fā)出用來表示某個客體或者概念的聲音或者寫下的詞匯，也是人對客體的一種映象。寫下的字符有時稱為信息模型或符號模型，有時也稱為理論模型。人們常常建立對客觀世界的某種理論，只要這種理論經(jīng)過實踐證明是正確的，人們就可以在該理論適用范圍內(nèi)解釋某些現(xiàn)象，對未來做出某種預(yù)測，或者借助它來做出某種

7、決定。近來對一些解釋科學現(xiàn)象的理論，也常稱為模型。例如在基本粒子研究中的“板田模型”，“層子模型”等等。對客觀事物的描述，如果在數(shù)學上也是精確的，就能增加模型的準確性，使人們運用這種模型時，能得到定量的結(jié)果。這種理論模型稱為“數(shù)學模型”。數(shù)學模型可以說是一種用數(shù)學的材料構(gòu)成的模型。雖然數(shù)學模型這個名稱在近年來才廣泛使用，但是自古以來許多物理上的發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上都是數(shù)學模型。應(yīng)該注意的是，一切模型都只在某種程度上表現(xiàn)客體的特定的側(cè)面，它們在其他方面并不代表客體。模型（包括理論）在某些條件下是完美的，是在另外的條件下可能非常拙劣。例如，通常使用的關(guān)于定量氣體的壓力、體積和溫度之間的關(guān)系，在一定的溫度范圍

8、內(nèi)是很好的模型，但是當溫度接近于氣體的液化點時，這個關(guān)系就變?yōu)橥耆珶o效，人們不得不去另找新的模型。 模型總是經(jīng)過簡化了的。因此，沒有一種包羅萬象的，終極的模型。使用模型（理論）來幫助認識和改造世界時，必須注意模型的適用范圍。應(yīng)該一方面充分利用模型在認識中的作用，又不要對有局限性的模型產(chǎn)生盲目性。這一點應(yīng)充分注意。相似律 在采用模型來作試驗的時候，必須注意模型條件與現(xiàn)實條件下的相似律，即模型試驗與實際情況的可比性。 單從幾何尺寸來說，一件東西在尺寸上放大和縮小以后，并非所有的特性都按同一比例得到放大。最簡單的例子是：如果用一個放大 2 倍的放大鏡去看一個 30 度的角，它的角度會變成多少？正確的

9、答案是：角度仍然是 30度，放大鏡并不能放大角度。 由此可以看到即使幾何特性也不都隨尺寸變化而同樣變化。將一個三角形的每邊邊長放大一倍，新的三角形比原來的三角形面積大了 4 倍，而三個角的角度卻保持原值不變。有些物理特性也不隨尺寸放大而變化，或者不隨尺寸變化的比例變化。將一個鐘擺放大一倍，它的擺動周期不是大一倍，而是大了 1.414 倍。將一個鐘表簡單放大或縮小是不能保持走時準確的。 在航空技術(shù)發(fā)展的歷史上，曾經(jīng)有人仿造一架成功的小飛機，放大尺寸制造一架大飛機。結(jié)果這樣造出的大飛機喪失了原來小飛機的飛行能力，甚至不能飛行?，F(xiàn)在已有載客600人的飛機在飛行，但是它卻不是把小飛機的尺寸放大設(shè)計出來

10、的。 當結(jié)構(gòu)尺寸放大時，有一種“平方與立方規(guī)律”在起作用。這是說尺寸放大時，結(jié)構(gòu)的面積將按尺寸放大倍數(shù)的平方改變，而體積（以及重量）卻按放大倍數(shù)的三次方改變，因此結(jié)構(gòu)的單位承載能力應(yīng)該提高才能支持這個結(jié)構(gòu)。可見，結(jié)構(gòu)稍作放大或縮小時可能問題不大，但是超過一定限度就必須變化結(jié)構(gòu)形式或更改結(jié)構(gòu)材料。這就是一切大型設(shè)計，包括大型飛機，大型船舶，大型結(jié)構(gòu)的建筑以及各種大型設(shè)備設(shè)計必須遵循的原則。 在工程設(shè)計中，常見縮小的模型進行試驗。例如在飛機設(shè)計中，常用縮小的飛機模型在風洞中測量其空氣動力性能。但是由于模型是縮小了的，試驗得到的數(shù)據(jù)并不能直接用于設(shè)計，而必須按“相似律”修正?！跋嗨坡伞本褪恰跋嗨频囊?guī)

11、律”，是使特定的特性達到相似必須依從的條件。 由于尺寸效應(yīng)，人們可能注意到一種“小型優(yōu)勢”，即較小的結(jié)構(gòu)會體現(xiàn)出某種優(yōu)越性，兒童玩具汽車銹蝕得很嚴重還能開動，真汽車銹到這種程度早就不能使用了。體形小的生物會表現(xiàn)出許多非凡的本領(lǐng)，如跳躍的高度，能牽引的重量按體重的倍數(shù)都大大超過人類，都是“相似律”向縮小的方向所起的有利作用。所以在用縮小尺寸的結(jié)構(gòu)試件作強度試驗時往往要加大按比例的載荷，或者將整個試驗在離心機上進行、即在人為加大了的重力場中進行，才能得到可與實際比擬的試驗結(jié)果。 另一方面也存在某種“規(guī)模效應(yīng)”，即在小型的范圍內(nèi)并不顯著的特點，當規(guī)模大到一定程度以后，就會表現(xiàn)明顯的效果，這是尺度效應(yīng)

12、的另一種反映。由于尺度效應(yīng)，在設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?，以及使用試驗結(jié)果時，要充分估計到由尺寸或規(guī)模改變后事物的變化。在觀察客觀各種不同的系統(tǒng)的時候，也要注意大系統(tǒng)與小系統(tǒng)間可能會發(fā)生的差異。開發(fā)性試驗 開發(fā)性試驗大體可以分為以下幾類： 、原理性試驗：這種試驗中的試件可以與產(chǎn)品不一樣，例如，在玻璃容器內(nèi)做化學反應(yīng)的試驗。 、通用性試驗架：這種試驗裝制可以方便地增加或者減少組成部份來模擬所需要的情況。例如，在電氣試驗中，使用匯流條，可以隨意接上負荷；再如液壓試驗臺可以試驗各種液壓附件。 、構(gòu)架試驗臺；用構(gòu)架來代替產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。例如，在飛機研制中常用一種叫“鐵鳥”的裝置?！拌F鳥”并不會飛行，它只是一種試驗的構(gòu)架

13、。飛機操縱系統(tǒng)的試驗就是在這種同尺寸的鋼架上進行，鋼架上安裝全部操縱系統(tǒng)，來模擬飛行中的飛機的操縱性能。 、模型試驗：模型是在某一個方面模擬了產(chǎn)品的局部，通過模型試驗，來了解產(chǎn)品該局部的性能。 、工作樣機：工作樣機不是在所有方面都達到了產(chǎn)品的水平，但是要求體現(xiàn)產(chǎn)品的主要功能。1945 年 4 月 17 日清晨，在美國新墨西哥州試驗場爆炸的第一顆原子彈裝置，可以說這是一部工作樣機。這種裝置還不是一個實戰(zhàn)的核武器，但是可以像實際的原子彈一樣發(fā)生核裂變爆炸。 、生產(chǎn)樣機：這是成熟產(chǎn)品的一個代表，不只體現(xiàn)了設(shè)計上的各種細節(jié)，連生產(chǎn)工藝上的特點也得到反映。 試驗的目的，可能是定性地證明某些理論或者證實某

14、種方案的可行性，也可能是定量的取得數(shù)據(jù)。有的試驗同時有定性和定量的目的。正確的試驗應(yīng)該重復(fù)性良好，有確切的結(jié)果，使別人也可以對試驗作出評價。 試驗的簡化 一般說來，試驗總是對實際情況作了某種簡化，從有限的實踐中去獲得盡可能多的信息。如果試驗比實際情況還要復(fù)雜，更難于實現(xiàn)，人們就不會去試驗，而用產(chǎn)品本身實際運行中去觀察。簡化試驗可以縮小試驗的規(guī)模，但試驗的簡化應(yīng)該正確地“取模型”，即通過試驗結(jié)果可以正確推斷實際中的情況，不至由于簡化而影響結(jié)論的正確性。當規(guī)劃一種試驗來定性定量地判定某個問題時，通常應(yīng)注意以下幾個問題： 、確定試驗的范圍 產(chǎn)品是一個完整的整體，試驗中要用分析性思維從客觀的整體中分離

15、出需要重點認識的部分來。 1903 年，美國萊特兄弟在研制第一架飛機時，曾經(jīng)對這架飛機的不同方面做過不少試驗。他們建造了用木箱做成的風洞，在風洞中試驗了一系列機翼平面及剖面的空氣動力特性。他們也曾把制做機翼翼梁的構(gòu)件架在兩張椅背上試驗過它的強度。這就說明：他們已經(jīng)懂得把機翼外形的空氣動力特性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度特性從飛機的整體中分離出來，分別進行試驗。如果沒有這種分析的本領(lǐng)，他們就只能象古代的一些探索者那樣，直接用人坐上飛機去飛行，用生命去冒險。 有些綜合性試驗可以同時觀察幾種現(xiàn)象，或者同時測量幾個參數(shù)。但是，企圖在一個試驗中解決全部復(fù)雜問題是不可能的。把有關(guān)的及無關(guān)的因素全部包羅在內(nèi)的試驗、會使

16、試驗規(guī)模變成不必要的龐大和復(fù)雜，并且很難對試驗結(jié)果做出結(jié)論。 、利用力所能及的試驗條件 諾貝爾獎金獲得者，遺傳學家摩爾根，有一次想到海水的酸度可能會增進某些深海生物的生殖能力。他希望用試驗驗證他的設(shè)想，但一時找不到酸液，就到雜貨店去買了一支檸檬，把檸檬汁滴入他的金魚缸里，證實了他的推測。 與此類似，美國飛機設(shè)計師約翰遜設(shè)計超音速飛機的時候，飛機的水平飛行速度達到音速的 2 倍，但是當時美國還沒有超音速 2 倍的風洞，約翰遜用火箭安裝模型機翼進行自由飛行模型試驗，采用遙測技術(shù)來尋找合理的機翼的辦法，進行了50 副機翼的試驗以后，為這種飛機選定了機翼的形式。 與此相反，有一個相反的例證是：一次要求

17、將一種新型的飛機上的滅火劑的效能與傳統(tǒng)的滅火劑進行比較，主持這項試驗的人員指出，應(yīng)該制造一個真的發(fā)動機短艙，里面裝一臺發(fā)動機，再讓發(fā)動機著火，噴出新老兩種滅火劑來進行比較滅火效能；在實際使用中，飛機是用高速飛行的，因此應(yīng)把這套裝置放在超音速風洞中進行試驗。當時根本沒有這樣大的超音速風洞，于是，他做出了“滅火劑性能無法比較”的結(jié)論。這充分反映了缺乏對事物的分析能力，并且缺乏利用力所能及的條件來擴展認識的工作方法。其實，在工程上比較滅火性能，英國航空企業(yè)使用的方法，是在露天條件下熄滅一個同一面積的汽油盆，由熄滅所需的時間，就可能得出兩種滅火劑效能的初步的比較。 進行一項新的試驗，有時需要添加一些設(shè)

18、備和儀器，但是聰明的試驗者擅于利用原有的條件。伽利略做重物下落試驗時，沒有特地建立一座下落試驗臺，而是利用了比薩斜塔、用來下墜的試驗件是重量不同的一只鉛球和一顆空心炮彈。當然，當一種試驗方法已經(jīng)定型，并且需要進行大量重復(fù)試驗時，研制專門的復(fù)雜的試驗設(shè)備可以改善試驗條件和操作，提高試驗數(shù)據(jù)的精度，這是問題的另一方面。例如，近代航空部門已為空氣動力學研究建立了許多類型的風洞實驗設(shè)備。但是，開拓者不但應(yīng)該學會利用已經(jīng)建立的條件進行常規(guī)試驗，還應(yīng)該盡量利用力所能及的手段去拓展認識，才能走在認識的前沿。 缺乏創(chuàng)造性的人，總抱怨條件不夠；而具有開拓精神的人在各種條件下都能前進。這一點在試驗的規(guī)劃中也有所表

19、現(xiàn)。 、采用直接達到試驗?zāi)康氖侄?在試驗中，不要混淆目的和手段的關(guān)系。一項試驗是否出色，不能用它的規(guī)模是否寵大，使用的技術(shù)是否復(fù)雜來評定。試驗的目的是為了擴展人的認識。如果能達到同樣的目的，那么規(guī)模小的，容易實現(xiàn)的，見效快的試驗更高明。 愛迪生為了測驗他的助手的工作能力，向他出了一個題目，要求他確定一只形狀復(fù)雜的燒瓶的容積。這個助手受過良好的科學教育，他針對復(fù)雜的容器先劃分為許多計算的小單元，然后針對每個單元做了計算再疊加，得出了計算結(jié)果，帶著一大疊計算草稿去見愛迪生。愛迪生聽了他的報告后，一言不發(fā)，只把燒瓶裝滿了水，然后將水倒入量杯里，結(jié)論就出來了?，F(xiàn)實生活中，常常發(fā)生過于講究試驗手段，而忽

20、略試驗?zāi)康牡那闆r，始終記住“最有效的達到試驗?zāi)康牡姆椒ň褪呛玫姆椒ā笔欠浅Ｖ匾摹?、擅于利用試驗結(jié)果 在同一環(huán)境中生活的人，由于觀察和思考能力不同，在認識上會有差別。到同一地方去旅行，或者經(jīng)歷了同樣的事件，有的人得益匪淺，有的人毫無所獲。同樣對一次試驗所搜集現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，也需要認真整理和總結(jié)，應(yīng)該從這些素材中提取盡可能多的信息，來使認識得到更大的擴展。不僅需要正確地進行試驗，還應(yīng)驗正確的判定試驗的結(jié)果，從中得出正確的結(jié)論。 試驗設(shè)計 在開拓性試驗中，為了減少試驗的次數(shù)，“試驗設(shè)計”是一個非常有效的方法?！霸囼炘O(shè)計”是數(shù)學中數(shù)理統(tǒng)計的一個分支，專門研究如何選定試驗樣品的數(shù)量，減少試驗次數(shù)和找出最

21、優(yōu)結(jié)果的一個方法。當試驗中只有一個變化的參數(shù)時，屬于單因素試驗問題。例如，需要確定合金中某種成分的比例，或者電路中某種電阻的值，使產(chǎn)品達到最優(yōu)性能。人們根據(jù)對現(xiàn)象的認識，可以事先估計出最估參數(shù)可能存在的區(qū)間。如果對它的認識比較清楚，這種估計可能較精密，估計的區(qū)間較窄；相反，估計的區(qū)間就較寬?，F(xiàn)在要通過一系列的試驗使認識深化。如果逐個試驗，要使估計區(qū)間縮小一百倍就需要做一百次試驗。但是如果使用區(qū)間縮減法中的“黃金分割試驗技術(shù)”（又稱0.618 方法），只要做 11 次試驗就可以將區(qū)間縮小到百分之一。做 14 次試驗就可以對區(qū)間的認識精度提高 500 倍。 在多因素試驗中，往往需要分離出不同因素的

22、影響。比如要比較 A、B、C三種種子的產(chǎn)量。如果只是單純的種子產(chǎn)量問題，似乎只要在三塊同面積的土地上，分別用三種種子播種，然后比較產(chǎn)量就可以了。但是如果試驗田的位置在南北方向上處在山地與河流之間，東西方向處在肥料場與荒地之間，這時仍然任意取三塊等面積的試驗田作試驗，就可能由于土壤的肥瘠不同和灌溉的充分與否影響試驗田的產(chǎn)量，而不單是種子單一因素的結(jié)果。要估量這些因素的影響，合理的辦法是將試驗區(qū)分為9塊試驗田，如下圖，將三種不同的種子的每一種分播在三塊位置不同的試驗田里，將三塊田的產(chǎn)量平均，就得到這種種子由于品種的貢獻（排除了土壤和灌溉因素）。而將靠肥料場的三塊田的產(chǎn)量平均、與靠荒地的三塊田的平均產(chǎn)量比較，就得到由于土地肥瘠程度所造成的產(chǎn)量差異（而排除了種子品種和灌溉條件因素）；用靠山和三塊和傍水的三塊平均產(chǎn)量的比較可以看出由于灌溉條件造成的差異（排除了種子品種和土壤條件的差異）。 山地 &