數(shù)值模擬方法與實驗方法對比

數(shù)值模擬方法與實驗方法對比摘要：科學(xué)研究與解決工程問題的基礎(chǔ)在于物理實驗與實物觀測，但是采用實物模型進行物理實驗的研究周期長、投入大，有時甚至無法在實物上進行，如對天體物理的研究。而現(xiàn)代科學(xué)研究方法的核心則是通過觀測或?qū)嶒灲⒀芯繉ο蟮臄?shù)學(xué)模型，基于數(shù)學(xué)模型進行研究與分析。在數(shù)學(xué)模型上進行的數(shù)值模擬研究具有研究周期短、安全、投入少等優(yōu)點，已經(jīng)成為現(xiàn)代科研不可或缺的工具。關(guān)鍵詞：科學(xué)研究；實驗；數(shù)值模擬數(shù)值模擬方法介紹數(shù)值模擬實際上可以理解為用計算機來做實驗，其可以形象地再現(xiàn)實驗情景，與做實驗并無太大區(qū)別。數(shù)值模擬方法的應(yīng)用對象分為三個層次：宏觀層次：常見的工程建筑、制造設(shè)備、零件等；界觀層次：材料的微觀組織與性能，如金屬材料的晶粒度影響其屈服強度；微觀層次：基本物理現(xiàn)象與機理，如金屬材料凝固時的結(jié)晶與晶粒生長過程。宏觀與界觀層次的數(shù)值模擬方法包括：有限差分方法(FiniteDifferenceMethod,FDM)、有限單元法(FiniteElementMethod,FEM)、邊界單元方法(BoundaryElementMethod,BEM)、有限體積方法(FiniteVolumeMethod,FVM)、無網(wǎng)格方法(MeshlessMethod)。微觀層次的數(shù)值模擬方法包括：第一原理法(FirstPrincipleSimulation)、元胞自動機方法(CellularAutomata)、蒙特卡洛方法(MonteCarloMethod)、分子動力學(xué)方法(MolecularDynamics)，分為經(jīng)典方法、嵌入原子模型(EmbeddedAtomModel)、從頭計算(Abinitiocalculation)的方法。雖然在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)能使用的數(shù)值模擬方法有很多種，但是就其實用性和廣泛性而言，有限單元法是最為突出的。有限單元法的基本原理是將一個連續(xù)的求解域分割成有限個單元，用未知參數(shù)方程表征單元的特性，然后將各個單元的特征方程組合成大型代數(shù)方程組，通過求解方程組得到結(jié)點上的未知參數(shù)，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力等需要考察的輸出結(jié)果。它能很好的適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件，加之成熟的大型軟件系統(tǒng)支持(比如ANSYS、MARC、NASTRAN)，有限元法成為一種應(yīng)用廣泛的數(shù)值計算方法。實驗方法介紹科學(xué)實驗，是人們?yōu)閷崿F(xiàn)預(yù)定目的，在人工控制條件下，通過干預(yù)和控制科研對象而觀察和探索其有關(guān)規(guī)律和機制的一種研究方法。它是人類獲得知識、檢驗知識的一種實踐形式。2.1實驗方法的特點科學(xué)實驗之所以能優(yōu)于自然觀察而受到人們廣泛重視，這是和科學(xué)實驗本身的特點密切相關(guān)的?？茖W(xué)實驗具有純化觀察對象的條件的作用。科學(xué)實驗中，人們可以利用各種實驗手段，對研究對象進行各種的人工變革和控制，使其擺脫各種偶然因素的干擾，這樣被研究對象的特性就能以純粹的本來面目而暴露出來，人們就能獲得被研究對象在自然狀態(tài)下難以被觀察到的特性。（2）科學(xué)實驗具有強化觀察對象的條件的作用。在科學(xué)實驗中，人們可以利用各種實驗手段，創(chuàng)造出在地球表面的自然狀態(tài)下幾乎無法出現(xiàn)的特殊條件，如超高溫、超高壓等。在這種強化了的特殊條件下，使人們發(fā)現(xiàn)了許多具有重大意義的新現(xiàn)象和新事實。（3）科學(xué)實驗具有可重復(fù)的性質(zhì)。在科學(xué)實驗中，人們可以通過一定實驗手段使自然條件下無法被反復(fù)觀察的對象重復(fù)出現(xiàn)，這樣，既有利于人們長期進行觀察研究，又有利于人們進行反復(fù)比較觀察，對以往的實驗結(jié)果加以核對。正是由于科學(xué)實驗具有這些特點，因此科學(xué)實驗越來越廣泛地被應(yīng)用，并且在現(xiàn)代科學(xué)中占有越來越重要的地位［2］。2.2實驗方法的分類現(xiàn)代科學(xué)中，科學(xué)實驗方法大致可以分為直接實驗法、間接實驗法和模擬實驗法三類［3］。直接實驗法作為最普遍的一種實驗方法，是指人為的改變實驗對象的某種狀態(tài)或條件便可以通過直接觀察的方式獲得實驗結(jié)果的一種方法。對于一些不能夠直接進行觀察或者不能直接進行實驗的實驗對象，就需要采用間接實驗方法；而所謂的模擬實驗，是指“在實驗室里創(chuàng)造條件，模擬自然環(huán)境、自然現(xiàn)象及演變過程，間接研究真實原型的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和運動規(guī)律的方法”［4］。實際上，科學(xué)實驗方法的種類還有很多，它們都以自身不同的特點和功能在自然科學(xué)的研究中發(fā)揮重要的作用。數(shù)值模擬方法與實驗方法比較數(shù)值模擬方法與實驗方法有著各自的特點及優(yōu)勢，但在實際科研中，往往是將兩者結(jié)合使用，以便節(jié)省成本及提高可行性。下面便從多個方面對比兩種方法的優(yōu)缺點。應(yīng)用范圍：對有條件進行實驗的研究，應(yīng)盡量采用實驗方法，再輔以數(shù)值模擬檢驗。對于無法直接進行試驗的研究，就可以采用數(shù)值模擬方法。數(shù)值模擬在計算機內(nèi)部程序中設(shè)有相應(yīng)的計算方法，能模擬較復(fù)雜的過程，可以極大地提高研究的可行性。直觀性與求解速度：實驗的直觀性強，其是通過具體而實在的現(xiàn)象得到結(jié)論所以結(jié)論的可信度高；數(shù)值模擬直觀性不如實驗方法好，因其是在計算機軟件中模擬現(xiàn)實環(huán)境，較抽象，但利用數(shù)值模擬可以快速得到結(jié)果且操作非常簡便。成本：一般情況下實驗的成本都較高，需要投入較大的人力物力及時間；而數(shù)值模擬成本低廉，只需在計算機上進行模擬和數(shù)據(jù)處理。施加載荷：數(shù)值模擬可以任意施加各種方向的載荷，可以施加實驗方法達不到的條件，因此數(shù)值模擬方法在監(jiān)測、設(shè)備開發(fā)、優(yōu)化、效果預(yù)測方面體現(xiàn)了重要價值；實驗方法受制于現(xiàn)實條件，很多理想化的加載是不可能在現(xiàn)實中實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集：實驗只能采集到特定點的的應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)，無法得到整個材料上各點的應(yīng)力應(yīng)變值；而數(shù)值模擬方法可以對各個區(qū)域、各個測點進行應(yīng)力分析和位移分析，對實驗進行補充。數(shù)據(jù)處理：應(yīng)將實驗方法和數(shù)值模擬方法結(jié)合起來使用，分別對結(jié)果進行分析后，充分考慮兩種方法各自的優(yōu)缺點，互相比較印證，結(jié)合理論分析，有針對性地進行數(shù)據(jù)和結(jié)果的修正，才能得到一個比較全面、客觀的結(jié)論。結(jié)果可靠性：數(shù)值模擬方法在模擬分析過程中，往往要對邊界條件和材料屬性進行簡化，而且結(jié)構(gòu)離散化的形式不同，得到的結(jié)果和精度也不同，隨機性比較大，可信度較低；但在實驗中也存在一些不可避免的客觀、主觀因素會對實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差，不過這些誤差相比于數(shù)值模擬的誤差少得多，因此實驗得到的結(jié)果的可靠性更高。兩種方法互相檢驗：合理的數(shù)值模擬方法對實驗研究和理論分析具有指導(dǎo)作用，可以彌補實驗工作的不足。通過實驗與數(shù)值模擬出的結(jié)果比較，用來判斷數(shù)值模擬方法的可行性[5]。參考文獻周鑄，黃江濤，黃勇，劉剛，陳作斌，王運濤，江雄.CFD技術(shù)在航空工程領(lǐng)域的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與發(fā)展J]?航空學(xué)報，2017,38(03)：6-30.莫凱洋?科學(xué)實驗方法芻議J]?云南科技管理，2017，30(03)：63-67.⑶林定夷.科學(xué)實驗的歷史發(fā)展及其方法論思想之