Машиностроение - Mechanical engineering

Машиностроение является инженерное дело филиал, объединяющий инженерная физика и математика принципы с материаловедение к дизайн, анализировать, производить и поддерживать механические системы.^[1] Это один из старейших и самых обширных инженерные отрасли.

Сфера машиностроения требует понимания основных областей, включая механика, динамика, термодинамика, материаловедение, структурный анализ, и электричество. В дополнение к этим основным принципам инженеры-механики используют такие инструменты, как системы автоматизированного проектирования (CAD), автоматическое производство (CAM) и жизненный цикл продукта управление для разработки и анализа заводы, промышленное оборудование и машины, системы отопления и охлаждения, транспорт системы, самолет, гидроцикл, робототехника, медицинское оборудование, оружие, и другие. Это отрасль техники, которая включает в себя проектирование, производство и эксплуатацию машины.^[2][3]

Машиностроение возникло как отрасль в Индустриальная революция в Европе в 18 веке; однако его развитие можно проследить несколько тысяч лет назад по всему миру. В 19 веке развитие физика привел к развитию машиностроительной науки. Область постоянно развивалась, чтобы включать достижения; сегодня машиностроители занимаются разработками в таких областях, как композиты, мехатроника, и нанотехнологии. Он также пересекается с аэрокосмическая техника, металлургическое машиностроение, гражданское строительство, электротехника, Технология машиностроения, химическая инженерия, промышленная инженерия, и другие инженерные дисциплины в разном количестве. Инженеры-механики также могут работать в области биомедицинская инженерия, особенно с биомеханика, явления переноса, биомехатроника, бионанотехнология, и моделирование биологических систем.

Двигатель W16 из Bugatti Veyron. Инженеры-механики проектируют двигатели, электростанции, другие машины ...

...структуры, и автомобили всех размеров.

История

Применение машиностроения можно увидеть в архивах различных древних и средневековых обществ. Шесть классических простые машины были известны в древний Ближний Восток. В клин и наклонная плоскость (рампа) были известны с доисторический раз.^[4] В колесо, вместе с колесо и ось механизм, был изобретен в Месопотамия (современный Ирак) в 5-м тысячелетии до нашей эры.^[5] В рычаг механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке, где он использовался в простой шкала баланса,^[6] и перемещать большие предметы в древнеегипетские технологии.^[7] Рычаг также использовался в журавль водоподъемное устройство, первое кран машина, которая появилась в Месопотамии около 3000 г. до н.э.^[6] Самое раннее свидетельство шкивы датируются Месопотамией в начале 2-го тысячелетия до нашей эры.^[8]

В Сакия был разработан в Королевство Куш в 4 веке до нашей эры. Он полагался на силу животных, уменьшая буксировку на потребности человеческой энергии.^[9] Водохранилища в виде Хафиры были разработаны в Куше для хранения воды и ускорения орошения.^[10] Bloomeries и доменные печи были разработаны в седьмом веке до нашей эры в Мероэ.^{[11][12][13][14]} Кушите солнечные часы прикладная математика в форме продвинутой тригонометрии.^[15][16]

Самый ранний практический водный машины, водяное колесо и водяная мельница, впервые появился в Персидская империя, на территории нынешнего Ирака и Ирана, к началу 4 века до нашей эры.^[17] В древняя Греция, работы Архимед (287–212 до н.э.) оказали влияние на механику в западной традиции. В Римский Египет, Цапля Александрийская (ок. 10–70 гг. н. э.) создали первые на паровой тяге устройство (Эолипил ).^[18] В Китай, Чжан Хэн (78–139 гг. Н.э.) улучшил водяные часы и изобрел сейсмометр, и Ма Цзюнь (200–265 гг. Н.э.) изобрел колесницу с дифференциал шестерни. Средневековый китайский часовщик и инженер Су Сон (1020–1101 гг.) спусковой механизм механизм в его астрономический часовая башня За два столетия до того, как в средневековых европейских часах были обнаружены спусковые механизмы. Он также изобрел первую известную в мире бесконечную передачу энергии. цепной привод.^[19]

Вовремя Исламский золотой век (7-15 века), Мусульманские изобретатели внес замечательный вклад в области механической техники. Аль-Джазари, который был одним из них, написал свой знаменитый Книга гениальных устройств в 1206 г. и представлено множество механических конструкций. Аль-Джазари также является первым известным человеком, создавшим такие устройства, как коленчатый вал и распредвал, которые сейчас составляют основу многих механизмов.^[20]

В течение 17 века важные прорывы в основах машиностроения произошли в Англия. сэр Исаак Ньютон сформулирован Законы движения Ньютона и разработал Исчисление, математические основы физики. Ньютон неохотно публиковал свои работы в течение многих лет, но в конце концов его убедили сделать это его коллеги, такие как сэр Эдмонд Галлей, на благо всего человечества. Готфрид Вильгельм Лейбниц также приписывают создание исчисления в течение этого периода времени.^[21]

Во время промышленной революции начала 19 века Станки были разработаны в Англии, Германия, и Шотландия. Это позволило машиностроению развиться как отдельному направлению в машиностроении. Они привезли с собой производственные машины и двигатели для их питания.^[22] Первое британское профессиональное общество инженеров-механиков было образовано в 1847 году. Институт инженеров-механиков через тридцать лет после того, как инженеры-строители создали первое подобное профессиональное общество Институт инженеров-строителей.^[23] На европейском континенте Иоганн фон Циммерманн (1820–1901) основал первую фабрику шлифовальных станков в г. Хемниц, Германия в 1848 году.

В Соединенных Штатах Американское общество инженеров-механиков (ASME) было образовано в 1880 году и стало третьим таким профессиональным инженерным обществом после Американское общество инженеров-строителей (1852 г.) и Американский институт горных инженеров (1871).^[24] Первыми школами в США, предлагающими инженерное образование, были Военная академия США в 1817 г. учреждение, ныне известное как Норвичский университет в 1819 г. и Политехнический институт Ренсселера в 1825 г. Образование в области машиностроения исторически основывалось на прочном фундаменте математики и естественных наук.^[25]

Образование

Винт архимеда управлялся вручную и мог эффективно поднимать воду, как демонстрирует анимированный красный шар.

Дипломы в области машиностроения предлагаются в различных университетах мира. Программы машиностроения обычно занимают от четырех до пяти лет обучения в зависимости от места и университета и приводят к получению Бакалавр инженерии (B.Eng. Или B.E.), Бакалавр (B.Sc. или B.S.), бакалавр инженерных наук (B.Sc.Eng.), Бакалавр технологий (B.Tech.), Бакалавр машиностроения (B.M.E.), или Бакалавр прикладных наук Степень бакалавра в области машиностроения или с упором на машиностроение. В Испании, Португалии и большей части Южной Америки, где ни Б.С. ни B.Tech. были приняты программы, формальное название степени - «Инженер-механик», а курсовая работа рассчитана на пять или шесть лет обучения. В Италии курсовая работа основана на пятилетнем обучении и обучении, но для того, чтобы получить квалификацию инженера, по окончании курса необходимо сдать государственный экзамен. В Греции курсовые работы основаны на пятилетнем учебном плане и требовании наличия дипломной работы, по завершении которой выдается диплом, а не степень бакалавра наук.^[26]

В США большинство студент программы машиностроения аккредитованный посредством Совет по аккредитации техники и технологий (ABET) для обеспечения одинаковых требований и стандартов курсов в университетах. На веб-сайте ABET перечислены 302 аккредитованные программы машиностроения по состоянию на 11 марта 2014 года.^[27] Программы машиностроения в Канаде аккредитованы Канадским Инженерным советом по аккредитации (CEAB),^[28] и большинство других стран, предлагающих инженерные степени, имеют аналогичные общества аккредитации.

В Австралия степени машиностроения присуждаются как бакалавр инженерных наук (механика) или аналогичная номенклатура, хотя количество специальностей растет. Для получения степени требуется четыре года очного обучения. Чтобы гарантировать качество инженерных степеней, Инженеры Австралия аккредитует инженерные степени, присуждаемые австралийскими университетами, в соответствии с мировым Вашингтонское соглашение. Перед присуждением степени студент должен проработать не менее 3 месяцев в инженерной фирме.^[29] Подобные системы также присутствуют в Южной Африке и контролируются Инженерным советом Южной Африки (ECSA).

В Индии, чтобы стать инженером, нужно иметь степень инженера, такую ​​как бакалавр технических наук или бакалавра, иметь диплом инженера или пройти курс инженерной специальности, например, слесарь Институт производственного обучения (ITI), чтобы получить «Торговый сертификат ITI», а также пройти Всеиндийский торговый тест (AITT) по специальности «Инженерное дело», проводимой Национальным советом профессионального обучения (NCVT), по которому каждый получает «Национальный торговый сертификат». Похожая система используется в Непале.^[30]

Некоторые инженеры-механики продолжают учиться в аспирантуре, например, в Магистр инженерии, Магистр технологий, Магистр естественных наук, Магистр инженерного менеджмента (M.Eng.Mgt. Или M.E.M.), Доктор Философии в инженерии (Eng.D. или Ph.D.) или Степень инженера. Степени магистра и инженера могут включать или не включать исследование. Доктор философии включает в себя значительный исследовательский компонент и часто рассматривается как отправная точка академия.^[31] Степень инженера существует в нескольких учреждениях на промежуточном уровне между степенью магистра и докторской степени.

Курсовая работа

Стандарты, устанавливаемые аккредитационным обществом каждой страны, предназначены для обеспечения единообразия основного предметного материала, повышения компетентности выпускаемых инженеров и поддержания доверия к инженерной профессии в целом. Например, инженерные программы в США требуются ABET, чтобы показать, что их студенты могут «профессионально работать как в области тепловых, так и механических систем».^[32] Однако конкретные курсы, необходимые для получения диплома, могут отличаться от программы к программе. Университеты и Технологические институты часто объединяет несколько предметов в один класс или разбивает предмет на несколько классов, в зависимости от доступного факультета и основной области исследований университета.

Фундаментальные предметы машиностроения обычно включают:

• Математика (особенно, исчисление, дифференциальные уравнения, и линейная алгебра )
• Основные физические науки (в том числе физика и химия )
• Статика и динамика
• Сопротивление материалов и механика твердого тела
• Материаловедение, Композиты
• Термодинамика, теплопередача, преобразование энергии, и HVAC
• Топлива, горение, Двигатель внутреннего сгорания
• Гидравлическая механика (включая статика жидкости и динамика жидкостей )
• Механизм и Машина дизайн (в том числе кинематика и динамика )
• Приборы и измерение
• Технология машиностроения, технологии или процессы
• Вибрация, теория управления и техника управления
• Гидравлика и Пневматика
• Мехатроника и робототехника
• Инженерный дизайн и дизайн продукта
• Черчение, системы автоматизированного проектирования (CAD) и автоматическое производство (CAM)^[33][34]

От инженеров-механиков также ожидается понимание и способность применять базовые концепции химии, физики, Трибология, химическая инженерия, гражданское строительство, и электротехника. Все программы машиностроения включают несколько семестров математических занятий, включая исчисление и передовые математические концепции, включая дифференциальные уравнения, уравнения в частных производных, линейная алгебра, абстрактная алгебра, и дифференциальная геометрия, среди прочего.

В дополнение к основной учебной программе по машиностроению, многие программы по машиностроению предлагают более специализированные программы и классы, такие как Системы управления, робототехника, транспорт и логистика, криогеника, топливо технологии, автомобилестроение, биомеханика, вибрация, оптика и другие, если для этих предметов не существует отдельного отдела.^[35]

Большинство программ машиностроения также требуют разного количества исследований или общественных проектов для получения практического опыта решения проблем. В Соединенных Штатах студенты-механики обычно завершают один или несколько стажировки во время учебы, хотя это обычно не требуется в университете. Совместное образование это еще один вариант. Будущие рабочие навыки^[36] Исследования предъявляют спрос на компоненты обучения, которые подпитывают творческий потенциал и инновации учащихся.^[37]

Должностные обязанности

Инженеры-механики исследуют, проектируют, разрабатывают, создают и испытывают механические и тепловые устройства, включая инструменты, двигатели и машины.

Инженеры-механики обычно делают следующее:

• Проанализируйте проблемы, чтобы увидеть, как механические и тепловые устройства могут помочь в решении проблемы.
• Проектируйте или модифицируйте механические и тепловые устройства с помощью анализа и компьютерного проектирования.
• Разрабатывать и тестировать прототипы устройств, которые они проектируют.
• Проанализируйте результаты теста и при необходимости измените дизайн.
• Наблюдайте за производственным процессом устройства.

Инженеры-механики проектируют и контролируют производство многих продуктов, от медицинских устройств до новых батарей. Они также проектируют энергетические машины, такие как электрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, а также энергопотребляющие машины, такие как системы охлаждения и кондиционирования воздуха.

Как и другие инженеры, инженеры-механики используют компьютеры для создания и анализа проектов, моделирования и тестирования того, как машина может работать.

Лицензия и регулирование

Инженеры могут искать лицензия правительством штата, провинции или страны. Цель этого процесса - убедиться, что инженеры обладают необходимыми техническими знаниями, практическим опытом и знанием местной правовой системы для практической инженерной деятельности на профессиональном уровне. После сертификации инженеру присваивается звание Профессиональный инженер (в США, Канаде, Японии, Южной Корее, Бангладеш и Южной Африке), Дипломированный инженер (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), Дипломированный профессиональный инженер (в Австралии и Новой Зеландии) или Европейский инженер (большая часть Европейского Союза).

В США, чтобы стать лицензированным профессиональным инженером (PE), инженер должен сдать комплексный экзамен FE (Основы инженерии) и проработать минимум 4 года в качестве специалиста. Инженер-стажер (EI) или же Инженер по обучению (EIT)и сдать экзамены на «Принципы и практика» или PE (практикующий инженер или профессиональный инженер). Требования и этапы этого процесса изложены Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам (NCEES), состоящий из комиссий по лицензированию инженерных и землеустроительных работ, представляющих все штаты и территории США.

В Великобритании нынешним выпускникам требуется BEng плюс соответствующая степень магистра или интегрированная MEng степень, как минимум 4 года аспирантуры по развитию профессиональных качеств и рецензируемый отчет о проекте, чтобы стать дипломированным инженером-механиком (CEng, MIMechE) через Институт инженеров-механиков. CEng MIMechE также можно получить через маршрут обследования, проводимый Лондонский институт Сити и гильдий.^[38]

В большинстве развитых стран определенные инженерные задачи, такие как проектирование мостов, электростанций и химических заводов, должны быть одобрены профессиональный инженер или дипломированный инженер. «Например, только лицензированный инженер может подготовить, подписать, запечатать и представить инженерные планы и чертежи в государственный орган для утверждения или опечатать инженерные работы для государственных и частных клиентов».^[39] Это требование может быть прописано в законодательстве штата или провинции, например, в канадских провинциях, например, в Законе об инженерах Онтарио или Квебека.^[40]

В других странах, таких как Австралия и Великобритания, такого законодательства не существует; однако практически все сертифицирующие органы поддерживают моральный кодекс независимо от законодательства, они ожидают, что все члены будут соблюдать его или рискуют быть исключенными.^[41]

Статистика заработной платы и персонала

Общее количество инженеров, нанятых в США в 2015 году, составляло примерно 1,6 миллиона человек. Из них 278 340 были инженерами-механиками (17,28%), крупнейшей дисциплиной по размеру.^[42] В 2012 году средний годовой доход инженеров-механиков в рабочей силе США составлял 80 580 долларов. Средний доход был самым высоким при работе на правительство (92 030 долларов США) и самым низким в сфере образования (57 090 долларов США).^[43] Согласно прогнозам, в 2014 году общее количество рабочих мест в машиностроении вырастет на 5% в течение следующего десятилетия.^[44] По состоянию на 2009 год средняя начальная зарплата со степенью бакалавра составляла 58 800 долларов.^[45]

Субдисциплины

Сфера машиностроения может рассматриваться как собрание многих научных дисциплин машиностроения. Некоторые из этих дисциплин, которые обычно преподаются на уровне бакалавриата, перечислены ниже с кратким объяснением и наиболее распространенным применением каждой из них. Некоторые из этих дисциплин уникальны для машиностроения, в то время как другие представляют собой комбинацию машиностроения и одной или нескольких других дисциплин. Большая часть работы, которую выполняет инженер-механик, использует навыки и методы из нескольких из этих дисциплин, а также специализированных дисциплин. Специализированные субдисциплины, используемые в этой статье, с большей вероятностью станут предметом аспирантуры или обучения на рабочем месте, чем исследования на уровне бакалавриата. В этом разделе обсуждаются несколько специализированных дисциплин.

Механика

Круг Мора, распространенный инструмент для изучения подчеркивает в механический элемент

Механика - это в самом общем смысле изучение силы и их влияние на иметь значение. Обычно инженерная механика используется для анализа и прогнозирования ускорения и деформации (как эластичный и пластик ) объектов под действием известных сил (также называемых нагрузками) или подчеркивает. Поддисциплины механики включают:

• Статика, изучение неподвижных тел при известных нагрузках, как силы влияют на статические тела
• Динамика изучение того, как силы влияют на движущиеся тела. Динамика включает кинематику (о движении, скорости и ускорении) и кинетику (о силах и результирующих ускорениях).
• Механика материалов, изучение того, как различные материалы деформируются при различных видах напряжения
• Гидравлическая механика, изучение того, как жидкости реагируют на силы^[46]
• Кинематика, изучение движения тел (объектов) и систем (групп объектов), игнорируя при этом силы, вызывающие движение. Кинематика часто используется при проектировании и анализе механизмы.
• Механика сплошной среды, метод применения механики, который предполагает, что объекты непрерывны (а не дискретный )

Инженеры-механики обычно используют механику на этапах проектирования или анализа. Если бы инженерный проект был проектированием транспортного средства, статика могла бы быть использована для проектирования рамы транспортного средства, чтобы оценить, где напряжения будут наиболее интенсивными. Динамика может использоваться при проектировании двигателя автомобиля для оценки сил в поршни и кулачки как двигатель работает. Механика материалов может быть использована для выбора подходящих материалов для рамы и двигателя. Гидравлическая механика может быть использована для проектирования системы вентиляции автомобиля (см. HVAC ) или разработать прием система для двигателя.

Мехатроника и робототехника

Тренировка FMS с обучающим роботом СКОРБОТ-ЭР 4у, верстак фрезерный станок с ЧПУ и токарный станок с ЧПУ

Мехатроника - это сочетание механики и электроники. Это междисциплинарная отрасль машиностроения, электротехника и программная инженерия это связано с интеграцией электротехники и машиностроения для создания гибридных систем. Таким образом, машины могут быть автоматизированы с помощью электродвигатели, сервомеханизмы, и другие электрические системы в сочетании со специальным программным обеспечением. Типичным примером системы мехатроники является привод CD-ROM. Механические системы открывают и закрывают привод, вращают компакт-диск и перемещают лазер, а оптическая система считывает данные с компакт-диска и преобразует их в биты. Интегрированное программное обеспечение контролирует процесс и передает содержимое компакт-диска на компьютер.

Робототехника - это применение мехатроники для создания роботов, которые часто используются в промышленности для выполнения опасных, неприятных или повторяющихся задач. Эти роботы могут быть любой формы и размера, но все они заранее запрограммированы и физически взаимодействуют с миром. Для создания робота инженер обычно использует кинематику (для определения диапазона движения робота) и механику (для определения напряжений внутри робота).

Роботы широко используются в промышленная инженерия. Они позволяют предприятиям экономить деньги на рабочей силе, выполнять задачи, которые либо слишком опасны, либо слишком точны для человека, чтобы выполнять их экономично, а также обеспечивать лучшее качество. Многие компании нанимают сборочные линии роботов, особенно в автомобильной промышленности и на некоторых заводах, настолько роботизированы, что могут работать сами. За пределами завода роботы использовались для обезвреживания бомб, исследование космоса, и многие другие поля. Роботы также продаются для различных жилых помещений, от отдыха до домашних применений.

Структурный анализ

Структурный анализ - это отрасль машиностроения (а также гражданского строительства), посвященная изучению того, почему и как объекты выходят из строя, а также исправлению объектов и их производительности. Разрушения конструкции происходят в двух основных режимах: статическое разрушение и усталостное разрушение. Статическое разрушение конструкции возникает, когда при нагрузке (приложении силы) анализируемый объект либо ломается, либо деформируется пластически, в зависимости от критерия отказа. Усталостный отказ происходит, когда объект выходит из строя после нескольких повторных циклов загрузки и разгрузки. Усталостное разрушение происходит из-за несовершенства объекта: например, микроскопическая трещина на поверхности объекта будет немного расти с каждым циклом (распространением), пока трещина не станет достаточно большой, чтобы вызвать окончательная неудача.^[47]

Однако отказ не определяется просто как поломка детали; это определяется как когда часть не работает должным образом. Некоторые системы, такие как перфорированные верхние секции некоторых пластиковых пакетов, предназначены для разрушения. Если эти системы не сломаются, для определения причины может быть использован анализ отказов.

Структурный анализ часто используется инженерами-механиками после того, как произошел отказ, или при проектировании для предотвращения отказа. Инженеры часто используют онлайн-документы и книги, например, опубликованные ASM.^[48] чтобы помочь им определить тип неисправности и возможные причины.

После применения теории к механической конструкции часто проводятся физические испытания для проверки результатов расчетов. Структурный анализ может использоваться в офисе при проектировании деталей, в полевых условиях для анализа неисправных деталей или в лабораториях, где детали могут подвергаться контролируемым испытаниям на отказ.

Термодинамика и теплотехника

Термодинамика прикладная наука, используемая в нескольких отраслях техники, включая машиностроение и химическое машиностроение. В самом простом виде термодинамика - это изучение энергии, ее использования и преобразования посредством система.^[49] Обычно инженерная термодинамика занимается преобразованием энергии из одной формы в другую. Например, автомобильные двигатели преобразуют химическую энергию (энтальпия ) из топлива в тепло, а затем в механическую работу, которая в конечном итоге поворачивает колеса.

Принципы термодинамики используются инженерами-механиками в областях теплопередача, теплоносители, и преобразование энергии. Инженеры-механики используют теплотехнику для проектирования двигатели и электростанции, системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), теплообменники, радиаторы, радиаторы, охлаждение, изоляция, и другие.^[50]

Дизайн и разработка

САПР-модель механическое двойное уплотнение

Черчение или технический чертеж - это средство, с помощью которого инженеры-механики проектируют изделия и создают инструкции для производство части. Технический чертеж может представлять собой компьютерную модель или нарисованную от руки схему, показывающую все размеры, необходимые для изготовления детали, а также примечания по сборке, список необходимых материалов и другую относящуюся к делу информацию.^[51] Инженер-механик или квалифицированный рабочий из США, который создает технические чертежи, может называться чертежником или чертежником. Редактирование исторически было двумерным процессом, но системы автоматизированного проектирования (CAD) программы теперь позволяют дизайнеру творить в трех измерениях.

Инструкции по изготовлению детали должны подаваться на необходимое оборудование либо вручную, с помощью запрограммированных инструкций, либо с использованием автоматическое производство (CAM) или комбинированная программа CAD / CAM. При желании инженер может также вручную изготовить деталь, используя технические чертежи. Однако с появлением компьютер с числовым программным управлением (ЧПУ), детали теперь можно изготавливать без необходимости постоянного участия технических специалистов. Детали, изготовленные вручную, обычно состоят из напыляемые покрытия, обработка поверхности и другие процессы, которые невозможно выполнить с помощью машины с экономической или практической точки зрения.

Черчение используется почти во всех разделах машиностроения, а также во многих других областях инженерии и архитектуры. Трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения САПР, также широко используются в анализ методом конечных элементов (FEA) и вычислительная гидродинамика (CFD).

Современные инструменты

Вид под углом четырехцилиндровый рядный коленчатый вал с поршнями

Многие машиностроительные компании, особенно в промышленно развитых странах, начали включать компьютерная инженерия (CAE) в существующие процессы проектирования и анализа, включая 2D и 3D. твердотельное моделирование системы автоматизированного проектирования (CAD). Этот метод имеет множество преимуществ, в том числе более простую и исчерпывающую визуализацию продуктов, возможность создавать виртуальные сборки деталей и простоту использования при проектировании сопрягающихся интерфейсов и допусков.

Другие программы CAE, обычно используемые инженерами-механиками, включают: управление жизненным циклом продукта (PLM) инструменты и инструменты анализа, используемые для выполнения сложных симуляций. Инструменты анализа могут использоваться для прогнозирования реакции продукта на ожидаемые нагрузки, включая усталостную долговечность и технологичность. Эти инструменты включают анализ методом конечных элементов (FEA), вычислительная гидродинамика (CFD) и автоматическое производство (САМ).

Используя программы CAE, группа инженеров-проектировщиков может быстро и дешево выполнить итерацию процесса проектирования, чтобы разработать продукт, который лучше соответствует требованиям по стоимости, производительности и другим ограничениям. Нет необходимости создавать физический прототип до тех пор, пока проект не будет близок к завершению, что позволит оценить сотни или тысячи проектов вместо небольшого числа. Кроме того, программы анализа CAE могут моделировать сложные физические явления, которые невозможно решить вручную, такие как вязкоупругость, сложный контакт между сопрягаемыми частями или неньютоновские потоки.

Поскольку машиностроение начинает сливаться с другими дисциплинами, как видно из мехатроника, мультидисциплинарная оптимизация дизайна (MDO) используется с другими программами CAE для автоматизации и улучшения итеративного процесса проектирования. Инструменты MDO охватывают существующие процессы CAE, позволяя продолжить оценку продукта даже после того, как аналитик уйдет домой. Они также используют сложные алгоритмы оптимизации, чтобы более разумно исследовать возможные конструкции, часто находя лучшие инновационные решения сложных многодисциплинарных проблем проектирования.

Направления исследований

Инженеры-механики постоянно расширяют границы возможного, чтобы производить более безопасные, дешевые и эффективные машины и механические системы. Некоторые передовые технологии машиностроения перечислены ниже (см. Также разведочная инженерия ).

Микро-электромеханические системы (МЭМС)

Механические компоненты микронного размера, такие как пружины, шестерни, жидкостные и теплопередающие устройства, изготавливаются из различных материалов подложки, таких как кремний, стекло и полимеры, такие как SU8. Примеры МЭМС Компонентами являются акселерометры, которые используются в качестве датчиков автомобильных подушек безопасности, современные сотовые телефоны, гироскопы для точного позиционирования и микрофлюидные устройства, используемые в биомедицинских приложениях.

Сварка трением с перемешиванием (FSW)

Сварка трением с перемешиванием, новый тип сварка, был открыт в 1991 г. Институт сварки (TWI). Инновационная технология сварки в установившемся состоянии (без плавления) позволяет соединять ранее не свариваемые материалы, в том числе несколько алюминий сплавы. Он играет важную роль в строительстве самолетов в будущем, потенциально заменяя заклепки. Текущее использование этой технологии на сегодняшний день включает сварку швов алюминиевого основного внешнего бака космического шаттла, экипажа Orion, расходных ракет-носителей Boeing Delta II и Delta IV и ракеты SpaceX Falcon 1, нанесение брони на десантные корабли и сварку крылья и панели фюзеляжа нового самолета Eclipse 500 от Eclipse Aviation среди постоянно растущего круга применений.^[52][53][54]

Композиты

Композитная ткань, состоящая из тканого углеродного волокна

Композиты или композитные материалы представляют собой комбинацию материалов, которые обладают различными физическими характеристиками, чем любой материал по отдельности. Исследования композитных материалов в машиностроении обычно сосредоточены на разработке (и, впоследствии, на поиске применения) более прочных или более жестких материалов при попытке уменьшить масса, подверженность коррозии и другие нежелательные факторы. Композиты, армированные углеродным волокном, например, используются в таких разнообразных сферах, как космические корабли и рыболовные удочки.

Мехатроника

Мехатроника синергетическое сочетание машиностроения, электроинженерия, и программная инженерия. Дисциплина мехатроники началась как способ объединения механических принципов с электротехникой. Концепции мехатроники используются в большинстве электромеханических систем.^[55] Типичные электромеханические датчики, используемые в мехатронике, - это тензодатчики, термопары и датчики давления.

Нанотехнологии

В самых малых масштабах машиностроение превращается в нанотехнологию - одна из спекулятивных целей - создание молекулярный ассемблер строить молекулы и материалы с помощью механосинтез. Пока эта цель остается в пределах разведочная инженерия. Области текущих исследований в области машиностроения в области нанотехнологий включают нанофильтры,^[56] нанопленки,^[57] и наноструктуры,^[58] среди прочего.

Анализ методом конечных элементов

Анализ методом конечных элементов - это вычислительный инструмент, используемый для оценки напряжения, деформации и прогиба твердых тел. Он использует сетку с определенными пользователем размерами для измерения физических величин на узле. Чем больше узлов, тем выше точность.^[59] Эта область не нова, поскольку основы анализа конечных элементов (FEA) или метода конечных элементов (FEM) восходят к 1941 году. Но эволюция компьютеров сделала FEA / FEM жизнеспособным вариантом для анализа структурных проблем. Многие коммерческие коды, такие как NASTRAN, ANSYS, и ABAQUS широко используются в промышленности для исследований и проектирования компонентов. В некоторые пакеты программного обеспечения для 3D-моделирования и САПР добавлены модули FEA. В последнее время платформы облачного моделирования, такие как SimScale становятся все более распространенными.

Другие методы, такие как метод конечных разностей (FDM) и метод конечных объемов (FVM), используются для решения проблем, связанных с тепломассопереносом, потоками жидкости, взаимодействием жидкости с поверхностью и т. Д.

Биомеханика

Биомеханика - это применение механических принципов к биологическим системам, таким как люди, животные, растения, органы, и клетки.^[60] Биомеханика также помогает в создании протезов конечностей и искусственных органов для людей. Биомеханика тесно связана с инженерное дело, потому что он часто использует традиционные инженерные науки для анализа биологических систем. Некоторые простые приложения Ньютоновская механика и / или материаловедение может дать правильные приближения к механике многих биологических систем.

В последнее десятилетие обратная инженерия материалов, встречающихся в природе, таких как костная ткань, получила финансирование в академических кругах. Структура костного вещества оптимизирована для того, чтобы выдерживать большое количество сжимающих напряжений на единицу веса.^[61] Цель состоит в том, чтобы заменить необработанную сталь биоматериалом для проектирования конструкций.

За последнее десятилетие Метод конечных элементов (FEM) также вошла в биомедицинский сектор, уделяя особое внимание дальнейшим инженерным аспектам биомеханики. FEM с тех пор зарекомендовал себя как альтернатива in vivo хирургическая оценка и получила широкое признание в академических кругах. Основное преимущество вычислительной биомеханики заключается в ее способности определять эндо-анатомический ответ анатомии, не подвергаясь этическим ограничениям.^[62] Это привело к тому, что моделирование КЭ стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, в то время как несколько проектов даже приняли философию открытого исходного кода (например, BioSpine).

Вычислительная гидродинамика

Вычислительная гидродинамика, обычно сокращенно называемая CFD, представляет собой раздел механики жидкости, который использует численные методы и алгоритмы для решения и анализа проблем, связанных с потоками жидкости. Компьютеры используются для выполнения расчетов, необходимых для моделирования взаимодействия жидкостей и газов с поверхностями, определяемыми граничными условиями.^[63] С помощью высокоскоростных суперкомпьютеров можно достичь лучших решений. В результате постоянных исследований появилось программное обеспечение, которое повышает точность и скорость сложных сценариев моделирования, таких как турбулентные потоки. Первоначальная проверка такого программного обеспечения выполняется с использованием аэродинамической трубы, а окончательная проверка проводится при полномасштабных испытаниях, например летные испытания.

Акустическая инженерия

Акустическая инженерия является одной из многих других дисциплин машиностроения и представляет собой приложение акустики. Акустическая инженерия - это изучение Звук и Вибрация. Эти инженеры эффективно работают над сокращением шумовое загрязнение в механических устройствах и в зданиях путем звукоизоляции или устранения источников нежелательного шума. Изучение акустики может варьироваться от разработки более эффективного слухового аппарата, микрофона, наушников или студии звукозаписи до улучшения качества звука в оркестровом зале. Акустическая инженерия также занимается вибрацией различных механических систем.^[64]

Связанные поля

Технология машиностроения, аэрокосмическая техника и автомобилестроение иногда объединяются с машиностроением. Степень бакалавра в этих областях обычно отличается от нескольких специализированных классов.

Смотрите также

Списки

Ассоциации

Викиучебники

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Берстолл, Обри Ф. (1965). История машиностроения. MIT Press. ISBN  978-0-262-52001-0.
• Стандартный справочник Marks для инженеров-механиков (11-е изд.). Макгроу-Хилл. 2007 г. ISBN  978-0-07-142867-5.
• Оберг, Эрик; Франклин Д. Джонс; Холбрук Л. Хортон; Генри Х. Райффель; Кристофер Макколи (2016). Справочник по машинам (30-е изд.). Нью-Йорк: Industrial Press Inc. ISBN  978-0-8311-3091-6.

внешняя ссылка

Котировки, связанные с Машиностроение в Викицитатнике