设计与试验——程不时

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1、设计与试验——程不时这一次，打算谈一谈设计与试验的问题。在设计中，往往包含有试验的步骤。有的人只把设计中的试验当作一个常规的程序来对待，比如他们只希望了解什么样的设计通常包含哪些试验，（如飞机设计一般要做风洞试验、结构要做静力试验等等，是否一定要包含自由飞模型飞行试验）但是这些试验主要解决什么问题，试验在人的识知扩展上究竟起什么作用，在一些特殊情况下是否需要特地开发一些特殊试验等问题上，缺乏必要的思考能力。在工程设计中使用试验是作为认识手段，而不是作为一种常规的程序。在人的认识与客观实际之间，人的感官是传递

2、信息的桥梁。人们通过感官感受到的信息而了解世界，并调整自己的行动。通常“感官”只是被动地接受外界的事物。“试验”则是人们有意识的观察和探索活动，一种扩大信息来源和拓宽信息渠道的主动行动。人从客观世界感受到的信息总是局部的、具体的。但是由于人认识的能动性，人们可以从这些信息中总结出对于客体规律性的认识。同样，实验虽然是局部的有控制的行动，但是可以检验人对客观世界规律的认识是否正确，或验证自己活动的客观效果。试验是在可控制的条件下，对产品的某些局部（局部性能或局部构件）进行分析，探索某些规律、证实人的某些认识、

3、或测试人为采取的措施造成的结果，目的在于减少产品研制中技术风险。试验总可能有成功和失败两种结果。试验失败一般比产品本身的失败代价小。因此，试验是一种减少产品技术风险的手段。一般说来，试验可以分为开发性试验与验证性试验两类。开发性实验是探求设计中的有效手段，（典型如爱迪生从六千种植物的碳化物中寻找适合于做白炽灯丝的材料），验证性试验是为了证明人为设定的产品是否实现了原定的目的（如炼钢中对每炉钢水的成分化验、飞机生产中制成品的交付试飞等等）。试验的试件，可以是产品本身、也可以是产品的某些局部或者产品的某种模型。

4、比如飞机研制中的空气动力学试验的常用方法，就是用模型在风洞中进行；而材料物理特性的试验中使用的试件，也可以视为产品的一种模型。模型在工程设计中越来越多的使用模型。国外科技界有人认为：“在科学中，模型方法是人们所说的‘科学方法’的核心。”在开发中使用模型，往往可以节约人力、物力、财务和时间，并且可以使一些本来很难观察到的现象也用试验来进行考察。因此人们越来多的使用模型来进行研究。模型是模拟客观现象的某些特点的一种人造系统，它只是在特定的特点上与原型有相似点。一般说来，模型将原型简化，包含的因素少，这样便于建造

5、，也便于试验和观察。因此，模型与原型的相似是有条件的。模型一般可分为物质模型和理论模型两类。物质模型又可分为几何模型和物理模型两种。几何模型指外形与实物相似，仅仅尽寸经过放大或缩小的模型。几何模型除了用于展览，教学等用途外，人们可以用工厂模型，城市模型来研究工厂、城市的布局，用地形砂盘研究作战布署等。在生产中还常常用来作为传递尺寸的手段，如铸造中做砂型的木模、蜡模，另外成形和装配中用的样板、模胎、型架等等，都属于几何模型，虽然这些几何模型不一定模拟原形的全部几何外形，但在特定的某些几何特性上必须反映原形的特

6、征。物理模型则是与原型有相似的物理现象的模型。例如，用光弹性试件上的光线花纹来推断金属构件的内应力分布。用磁场分布（可以通过铁粉的分布来显示）推断看不见的气流流线的走向等等。不同物理现象可以用微分方程来表示。不同性质的事物可以作为物理模型来使用，是因为这些现象之间可以用相同的微分方程来描绘。用不同电路连接而成的网络系统的模拟计算机能解微分方程。人们用电路特性来模拟飞机在空中的复杂运动，可以使新设计的飞机在试飞前就能在模拟计算机上研究它的飞行特性。由电路组成的模拟计算机在外形上一点也不像一架飞机，但是它可以模

7、拟飞机的物理特性。因此，物理模型与原型只在物理特性上有相似性。人具有抽象思维的能力。人不仅能接受外界给予的第一信号（如声、光、电、味等），还能接受和处理第二信息，如语言、文字、符号。从扩大了的模型概念来看，语言文字也是一种模型。语言文字是人发出用来表示某个客体或者概念的声音或者写下的词汇，也是人对客体的一种映象。写下的字符有时称为信息模型或符号模型，有时也称为理论模型。人们常常建立对客观世界的某种理论，只要这种理论经过实践证明是正确的，人们就可以在该理论适用范围内解释某些现象，对未来做出某种预测，或者借助它

8、来做出某种决定。近来对一些解释科学现象的理论，也常称为模型。例如在基本粒子研究中的“板田模型”，“层子模型”等等。对客观事物的描述，如果在数学上也是精确的，就能增加模型的准确性，使人们运用这种模型时，能得到定量的结果。这种理论模型称为“数学模型”。数学模型可以说是一种用数学的材料构成的模型。虽然数学模型这个名称在近年来才广泛使用，但是自古以来许多物理上的发现本质上都是数学模型。应该注意的是，一切模型都只在某种程度