Испытания с использованием моделей: когда допустимы и как оформляются

Когда применяются модельные испытания

объект невозможно поместить ни на один существующий стенд;
разрушающие испытания натурного объекта экономически неприемлемы;
испытания в натуре создают недопустимый риск для людей или окружающей среды;
требуется оценить множество вариантов конструкции до изготовления образца;
объект уникален и изготавливается в единственном экземпляре;
требуется оценить поведение при воздействиях, которые невозможно воспроизвести в натуре;
нужна оценка на этапе проектирования, когда изделия ещё не существует;
исследуются процессы, недоступные прямому наблюдению в натурном объекте.

Два типа моделей

Тип	Что представляет собой	Основное применение
Физическая масштабная модель	Уменьшенная копия объекта с соблюдением подобия	Гидротехника, аэродинамика, строительные конструкции
Фрагмент натурного размера	Часть конструкции в реальном масштабе	Узлы соединений, участки перекрытий, стыки
Расчётная численная модель	Математическая модель поведения объекта	Прочность, тепловые режимы, потоки, ресурс
Комбинированная модель	Расчёт, калиброванный по данным физической модели	Сложные конструкции и системы
Модель процесса	Воспроизведение отдельного явления, а не объекта	Горение, износ, коррозия, старение

Условия подобия

Перенос результата с модели на объект законен только при выполнении условий подобия. Их нарушение — главная причина, по которой модельные данные отклоняются при экспертизе.

геометрическое подобие: сохранение соотношений размеров;
подобие материалов или обоснованный пересчёт их характеристик;
подобие нагрузок и их распределения;
подобие граничных условий: опоры, закрепления, среда;
равенство определяющих безразмерных критериев;
подобие временных масштабов при динамических процессах;
учёт эффектов, которые при уменьшении масштаба меняются непропорционально;
обоснование масштабных коэффициентов пересчёта для каждой величины.

Масштабные эффекты

прочность материала зависит от размера образца: мелкие образцы прочнее;
соотношение поверхности к объёму меняется, что влияет на теплообмен;
поведение трещин и разрушения масштабируется нелинейно;
влияние собственного веса конструкции при уменьшении масштаба падает;
процессы, зависящие от вязкости и поверхностного натяжения, искажаются;
динамические характеристики меняются по своим законам подобия;
неоднородности материала на малой модели проявляются иначе.

Расчётные модели: что требуется для доверия

Обосновать выбор математической модели и допущений.
Указать использованное программное обеспечение и его верификацию.
Задать характеристики материалов со ссылкой на источник данных.
Обосновать расчётную схему, сетку и граничные условия.
Провести проверку сходимости результата при измельчении сетки.
Выполнить верификацию на задаче с известным решением.
Провести валидацию по данным физических испытаний.
Оценить погрешность и указать область применимости результата.

Где модельные результаты применимы

Задача	Применимость	Условие
Обоснование безопасности оборудования	Применимо	Расчёты с валидацией, оценка рисков
Проектная и рабочая документация	Применимо	Расчёты по нормам проектирования
Подтверждение соответствия регламентам	Ограниченно	Только вместе с испытаниями образцов или узлов
Сокращение объёма натурных испытаний	Применимо	Обоснование выбора критических режимов
Оценка изменений в конструкции	Применимо	Сравнительный анализ вариантов
Определение показателей, нормируемых стандартами	Как правило, нет	Требуется измерение по методу стандарта
Экспертиза промышленной безопасности	Применимо	Расчёты в составе обосновывающих материалов

Оформление результатов

программа модельных испытаний с обоснованием подобия;
описание модели: геометрия, материалы, масштаб, отличия от объекта;
масштабные коэффициенты по каждой измеряемой величине;
протокол измерений на модели;
расчёт пересчёта результатов на натурный объект;
оценка погрешности и границ применимости;
для расчётных моделей — отчёт с верификацией и валидацией;
заключение о соответствии объекта проверяемым требованиям.

Типовые ошибки

перенос результата без анализа масштабных эффектов;
нарушение геометрического подобия «для удобства изготовления модели»;
использование иных материалов без пересчёта характеристик;
расчёт без проверки сходимости по сетке;
отсутствие валидации расчётной модели по экспериментальным данным;
подмена нормированного метода измерения расчётом;
отсутствие оценки погрешности переноса;
неучтённые граничные условия, отличающиеся от реальных.

Чек-лист

Обосновать, почему натурные или стендовые испытания невозможны или недостаточны.
Выбрать тип модели: физическая, фрагмент, расчётная, комбинированная.
Определить определяющие критерии подобия и обеспечить их выполнение.
Оценить влияние критериев, подобие по которым не обеспечено.
Установить масштабные коэффициенты по каждой величине.
Для расчёта выполнить верификацию и валидацию.
Провести измерения и пересчёт на натурный объект.
Оценить погрешность и явно указать границы применимости.
Проверить, требуется ли дополнительно нормированный метод измерения.
Оформить отчёт так, чтобы обоснование подобия читалось независимым экспертом.

Частые вопросы

Что такое испытания с использованием моделей?

Испытания, при которых вместо натурного объекта исследуется его физическая масштабная модель, фрагмент или расчётная численная модель, а результат переносится на объект по правилам подобия.

Когда они применяются?

Когда объект невозможно испытать в натуре: слишком велик, уникален, разрушающие испытания неприемлемы по стоимости или опасны. Также как предварительный этап для сокращения объёма натурных испытаний.

Можно ли заменить модельными испытаниями сертификационные?

Как правило, нет. Там, где стандарт задаёт метод измерения показателя, требуется измерение по этому методу. Модельные данные применимы как дополнение и обоснование.

Что такое условия подобия?

Совокупность требований, при выполнении которых результат с модели переносим на объект: геометрическое подобие, подобие материалов, нагрузок, граничных условий и равенство определяющих безразмерных критериев.

Можно ли обеспечить полное подобие?

Практически нет. Обеспечивается подобие по определяющим критериям, а влияние остальных оценивается отдельно и включается в погрешность результата.

Что такое масштабные эффекты?

Явления, при которых характеристики меняются с размером непропорционально: мелкие образцы прочнее, теплообмен и разрушение масштабируются нелинейно, влияние собственного веса на малой модели снижается.

Принимаются ли расчёты вместо испытаний?

В проектировании и в обосновании безопасности — да. При подтверждении соответствия регламентам — только вместе с испытаниями образцов или узлов и при валидации расчётной модели.

Что нужно, чтобы расчётной модели доверяли?

Обоснование допущений, указание программного обеспечения, проверка сходимости по сетке, верификация на задаче с известным решением и валидация по данным физических испытаний.

Какие объекты чаще испытывают на моделях?

Гидротехнические сооружения, мосты и строительные конструкции, аэродинамические объекты, крупногабаритное оборудование, а также узлы и стыки — в натурном масштабе как фрагменты.

Как оформляется результат?

Программой с обоснованием подобия, описанием модели, масштабными коэффициентами, протоколом измерений, расчётом пересчёта на объект, оценкой погрешности и границ применимости.

Кто проводит модельные испытания?

Специализированные лаборатории и научные организации, располагающие стендами для моделирования, а расчётные модели — проектные и расчётные подразделения с подтверждённой компетентностью.

Годятся ли модельные данные для обоснования безопасности?

Да, расчётные модели являются штатным инструментом при обосновании безопасности оборудования и при экспертизе промышленной безопасности.

Можно ли изготовить модель из другого материала?

Можно, но с обоснованным пересчётом характеристик. Замена материала «для удобства» без пересчёта делает результат непереносимым на объект.

Как относиться к запасам прочности по модельным данным?

С повышенными коэффициентами: жёсткость масштабируется предсказуемо, а момент разрушения — существенно хуже, поэтому запас закладывается больший.

С чего начать?

С обоснования, почему натурные испытания невозможны, и с выбора определяющих критериев подобия. Без этого модель даёт числа, которые нельзя перенести на объект.

Бесплатная консультация

Разберём ваш случай

Опишите товар и задачу — определим, какой документ нужен по техрегламентам, подберём схему подтверждения соответствия и назовём срок и стоимость до начала работ.

Проверим, попадает ли товар под технические регламенты
Подберём схему и состав испытаний под ваш код ТН ВЭД
Скажем срок и стоимость до начала работ
Проверим документы поставщика в реестре — без оплаты

Испытания с использованием моделей: масштаб и расчёт