相似方法的发展及应用

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第269页（1149字）

相似方法是一种可以把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的科学方法。相似理论是现象模拟和研究自然界及工程中相似现象的基础。

我国历史上的许多发明创造，在制造实物以前往往根据设想先做简单的模型。1900年前东汉汉安帝时期，太史令张衡(公元89～139年)造观察天象的青铜浑天仪时，曾先用竹篾作模型，叫做“小浑”。明清时期的许多大型建筑宫殿都是先造模型后施工。那时虽没有相似理论，但在模型和实物之间保持着简单的几何相似关系。

近100多年，人们在探索自然规律的过程中，逐渐形成了研究自然界和工程中各种相似现象的“相似方法”、“模化方法(模型研究方法)”和相应的相似理论、模拟理论。1829年柯西(Cauchy)对振动的梁和板的研究，1869年付德鲁对船的分析，1883年雷诺(Oshorn Reynolds)对管中液体流动的实验研究等，都用相似方法解决了实际问题。约100年前，美国拔伯葛公司已开始用模型研究气流的流动阻力并决定所需功率的大小。前苏联在四五十年前已广泛用模型研究流体动力及传热问题。

目前在大型的复杂设备与结构设计过程中，一般都要通过模型试验比较方案取得合理参数，预测设备的性能。从阿波罗宇宙飞船到我国的万吨水压机、30万吨合成氨压缩机等都通过模型试验进行产品设计。许多复杂的物理、化学过程也可通过模化方法，用较小的人力物力和时间取得对工作规律性的了解。如热力设备(锅炉、蒸发器、热交换器、燃烧设备等)中有关流体动力、传热、气液及气固两相介质流动等的规律大都是靠模比的方法取得的。

用相似理论可以进行不同参量系列产品的设计，如不同流量的水泵、不同中心距的减速器、不同传递功率的联轴器等，常称相似设计法。用一个标准产品设计通过相似设计法，迅速求得多种尺寸、参数的一组系列产品，这样可大大节约开发成本(图2．3．1－1)。

图2．3．1－1 单件设计与系列设计成本比较

(……理论值，——实际值)

利用相似方法进行成本估算，可以根据已知零部件或产品的成本较快地求得相似件的近似成本，在产品成本预测和可行性分析时应用很方便。

目前相似理论及相似方法的应用已发展到更多的工程及研究领域，如物体运动、动载荷对结构作用、流动力学、穿透力学、土壤动力学、热力学、甚至光学等及声学，有很大的生命力及发展前途。