Машиностроение — это изучение физических машин , которые могут включать в себя силу и движение. Это инженерная отрасль , которая сочетает в себе принципы инженерной физики и математики с материаловедением для проектирования , анализа, производства и обслуживания механических систем . [1] Это одна из старейших и широчайших инженерных отраслей .
Машиностроение требует понимания основных областей, включая механику , динамику , термодинамику , материаловедение , проектирование , структурный анализ и электричество . В дополнение к этим основным принципам инженеры-механики используют такие инструменты, как автоматизированное проектирование (CAD), автоматизированное производство (CAM) и управление жизненным циклом продукции , для проектирования и анализа производственных предприятий , промышленного оборудования и машин , систем отопления и охлаждения , транспортные системы, самолеты , гидроциклы , робототехника , медицинские приборы , оружие и другие. [2] [3]
Машиностроение возникло как область во время промышленной революции в Европе в 18 веке; однако его развитие можно проследить на протяжении нескольких тысяч лет по всему миру. В 19 веке развитие физики привело к развитию науки машиностроения. Эта область постоянно развивалась и включала в себя достижения; Сегодня инженеры-механики занимаются разработками в таких областях, как композиты , мехатроника и нанотехнологии . Он также в разной степени пересекается с аэрокосмической инженерией , металлургической инженерией , гражданским строительством , структурным проектированием , электротехникой , технологией производства , химической инженерией , промышленным проектированием и другими инженерными дисциплинами. Инженеры-механики также могут работать в области биомедицинской инженерии , в частности, в области биомеханики , транспортных явлений , биомехатроники , бионанотехнологии и моделирования биологических систем.
Применение машиностроения можно увидеть в архивах различных древних и средневековых обществ. Шесть классических простых машин были известны на древнем Ближнем Востоке . Клин и наклонная плоскость ( рампа ) были известны еще с доисторических времен. [4] Колесо , вместе с колесно-осевым механизмом, было изобретено в Месопотамии (современный Ирак) в 5-м тысячелетии до нашей эры. [5] Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке, где он использовался в простых весах , [6] и для перемещения крупных объектов в древнеегипетской технологии . [7] Рычаг также использовался в водоподъемном устройстве «Шадуф» — первой крановой машине, появившейся в Месопотамии около 3000 г. до н.э. [6] Самые ранние свидетельства существования шкивов относятся к Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. [8]
Сакия возникла в Кушском царстве в IV веке до нашей эры . Он полагался на силу животных, уменьшающую потребность в человеческой энергии. [9] В Куше были построены водохранилища в форме Хафиров для хранения воды и ускорения орошения. [10] Цветочные печи и доменные печи были разработаны в седьмом веке до нашей эры в Мероэ . [11] [12] [13] [14] Кушитские солнечные часы применяли математику в форме продвинутой тригонометрии. [15] [16]
Самые ранние практические машины с водяным приводом , водяное колесо и водяная мельница , впервые появились в Персидской империи , на территории современного Ирака и Ирана, в начале 4 века до нашей эры. [17] В Древней Греции работы Архимеда (287–212 до н. э.) повлияли на механику в западной традиции. В римском Египте Герон Александрийский (ок. 10–70 гг. н.э.) создал первое устройство с паровым приводом ( Эолипил ). [18] В Китае Чжан Хэн (78–139 гг. н.э.) усовершенствовал водяные часы и изобрел сейсмометр , а Ма Цзюнь (200–265 гг. н.э.) изобрел колесницу с дифференциальными шестернями . Средневековый китайский часовщик и инженер Су Сун (1020–1101 гг. н. э.) встроил спусковой механизм в свою башню с астрономическими часами за два столетия до того, как спусковые механизмы были обнаружены в средневековых европейских часах. Он также изобрел первый в мире известный цепной привод с бесконечной передачей мощности . [19]
Во время Золотого века ислама (7-15 века) мусульманские изобретатели внесли выдающийся вклад в область механических технологий. Аль-Джазари , который был одним из них, написал свою знаменитую « Книгу знаний об изобретательных механических устройствах» в 1206 году и представил множество механических конструкций.
В 17 веке важные прорывы в основах машиностроения произошли в Англии и на континенте . Голландский математик и физик Христиан Гюйгенс в 1657 году изобрел маятниковые часы , которые были первым надежным хронометристом за почти 300 лет, и опубликовал работу , посвященную конструкции часов и лежащей в их основе теории. [20] [21] В Англии Исаак Ньютон сформулировал законы движения Ньютона и разработал исчисление , которое впоследствии стало математической основой физики. Ньютон годами не хотел публиковать свои работы, но в конце концов его убедили сделать это его коллеги, такие как Эдмонд Галлей . Готфриду Вильгельму Лейбницу , который ранее разработал механический калькулятор , также приписывают разработку этого исчисления в тот же период времени. [22]
Во время промышленной революции начала 19 века станки были разработаны в Англии, Германии и Шотландии . Это позволило машиностроению развиваться как отдельная отрасль машиностроения. Они привезли с собой производственные машины и двигатели для их привода. [23] Первое британское профессиональное общество инженеров-механиков было образовано в 1847 году « Институт инженеров-механиков» , через тридцать лет после того, как инженеры-строители сформировали первое такое профессиональное общество « Институт инженеров-строителей ». [24] На европейском континенте Иоганн фон Циммерман (1820–1901) основал первый завод по производству шлифовальных станков в Хемнице , Германия, в 1848 году.
В Соединенных Штатах в 1880 году было создано Американское общество инженеров-механиков (ASME), став третьим подобным профессиональным инженерным обществом после Американского общества инженеров-строителей (1852 г.) и Американского института горных инженеров (1871 г.). [25] Первыми школами в Соединенных Штатах, предлагающими инженерное образование, были Военная академия США в 1817 году, учреждение, ныне известное как Нориджский университет в 1819 году, и Политехнический институт Ренсселера в 1825 году. Образование в области машиностроения исторически было основано на прочный фундамент в области математики и естественных наук. [26]
Степени в области машиностроения предлагаются в различных университетах по всему миру. Программы машиностроения обычно занимают от четырех до пяти лет обучения в зависимости от места и университета и приводят к получению степени бакалавра инженерных наук (B.Eng. или BE), бакалавра наук (B.Sc. или BS), бакалавра инженерных наук ( Степень бакалавра технических наук ( B.Sc.Eng.), бакалавра технологий (B.Tech.), бакалавра машиностроения (BME) или бакалавра прикладных наук (BASc.) с упором на машиностроение или с акцентом на него. В Испании, Португалии и большей части Южной Америки, где нет ни бакалавра наук, ни бакалавра технических наук. приняты программы, официальное название степени — «Инженер-механик», курсовая работа рассчитана на пять или шесть лет обучения. В Италии курс обучения основан на пятилетнем обучении и профессиональной подготовке, но для того, чтобы получить квалификацию инженера, необходимо сдать государственный экзамен в конце курса. В Греции курсовая работа основана на пятилетней учебной программе. [27]
В Соединенных Штатах большинство программ бакалавриата в области машиностроения аккредитованы Советом по аккредитации техники и технологий (ABET), чтобы обеспечить схожие требования и стандарты курсов в университетах. На веб-сайте ABET перечислены 302 аккредитованные программы машиностроения по состоянию на 11 марта 2014 года. [28] Программы машиностроения в Канаде аккредитованы Канадским советом по инженерной аккредитации (CEAB), [29] и в большинстве других стран, предлагающих инженерные степени, есть аналогичные общества аккредитации. .
В Австралии степени машиностроения присуждаются как бакалавр технических наук (механика) или аналогичная номенклатура, хотя число специализаций растет. Для получения степени требуется четыре года очного обучения. Чтобы гарантировать качество инженерных степеней, Engineers Australia аккредитует инженерные степени, присуждаемые австралийскими университетами, в соответствии с глобальным Вашингтонским соглашением . Прежде чем получить степень, студент должен проработать не менее 3 месяцев опыта работы в инженерной фирме. [30] Подобные системы также присутствуют в Южной Африке и контролируются Инженерным советом Южной Африки (ECSA).
В Индии , чтобы стать инженером, нужно иметь инженерную степень, например, степень бакалавра технических наук. или BE, иметь диплом инженера или пройти курс инженерной профессии, например, слесаря, в Институте промышленного обучения (ITI), чтобы получить «Торговый сертификат ITI», а также пройти Всеиндийский торговый тест (AITT) с инженером. торговля, проводимая Национальным советом по профессиональному обучению (NCVT), в результате которой выдается «Национальный торговый сертификат». Аналогичная система используется в Непале. [31]
Некоторые инженеры-механики продолжают получать последипломное образование, например, магистр инженерных наук , магистр технологий , магистр наук , магистр инженерного менеджмента (M.Eng.Mgt. или MEM), доктор философии в области техники (Eng.D). или доктор философии) или степень инженера . Степени магистра и инженера могут включать или не включать исследования . Степень доктора философии включает в себя значительный исследовательский компонент и часто рассматривается как точка входа в академические круги . [32] Степень инженера существует в нескольких учреждениях на промежуточном уровне между степенью магистра и доктором.
Стандарты, установленные аккредитационным обществом каждой страны, призваны обеспечить единообразие фундаментального предметного материала, повысить компетентность выпускников инженеров и поддержать доверие к инженерной профессии в целом. Например, ABET требует, чтобы инженерные программы в США показали, что их студенты могут «профессионально работать как в области тепловых, так и в механических системах». [33] Однако конкретные курсы, необходимые для окончания, могут отличаться от программы к программе. Университеты и технологические институты часто объединяют несколько предметов в один класс или разделяют предмет на несколько классов, в зависимости от имеющегося факультета и основной области исследований университета.
Фундаментальные предметы, необходимые для машиностроения, обычно включают:
Ожидается, что инженеры-механики будут понимать и уметь применять основные понятия из химии, физики, трибологии , химического машиностроения , гражданского строительства и электротехники . Все программы машиностроения включают несколько семестров математических занятий, включая исчисление, и продвинутые математические концепции, включая дифференциальные уравнения , уравнения в частных производных , линейную алгебру , дифференциальную геометрию и статистику , среди прочего.
Помимо основной учебной программы по машиностроению, многие программы машиностроения предлагают более специализированные программы и занятия, такие как системы управления , робототехника, транспорт и логистика , криогеника , топливная технология, автомобилестроение , биомеханика , вибрация, оптика и другие, если это отдельная тема. Кафедры по этим предметам не существует. [36]
Большинство программ машиностроения также требуют различного объема исследований или общественных проектов для получения практического опыта решения проблем. В Соединенных Штатах студенты-механики обычно проходят одну или несколько стажировок во время учебы, хотя университет обычно не требует этого. Еще одним вариантом является совместное обучение . Исследования будущих навыков работы [37] предъявляют требования к компонентам обучения, которые способствуют творчеству и инновациям учащихся. [38]
Инженеры-механики исследуют, проектируют, разрабатывают, создают и испытывают механические и тепловые устройства, включая инструменты, двигатели и машины.
Инженеры-механики обычно делают следующее:
Инженеры-механики проектируют и контролируют производство многих продуктов, от медицинских приборов до новых батарей. Они также проектируют машины для производства энергии, такие как электрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, а также машины, использующие энергию, такие как системы охлаждения и кондиционирования воздуха.
Как и другие инженеры, инженеры-механики используют компьютеры, чтобы создавать и анализировать конструкции, запускать моделирование и проверять, как машина будет работать.
Инженеры могут получить лицензию от правительства штата, провинции или национального правительства. Целью этого процесса является обеспечение того, чтобы инженеры обладали необходимыми техническими знаниями, практическим опытом и знанием местной правовой системы для практической инженерной деятельности на профессиональном уровне. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде, Японии, Южной Корее, Бангладеш и Южной Африке), дипломированного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии). и Новая Зеландия) или европейский инженер (большая часть Европейского Союза).
В США, чтобы стать лицензированным профессиональным инженером (PE), инженер должен сдать комплексный экзамен FE (основы инженерии), проработать не менее 4 лет в качестве инженерного стажера (EI) или инженера-стажера (EIT). и сдать экзамены «Принципы и практика» или PE (практикующий инженер или профессиональный инженер). Требования и этапы этого процесса определяются Национальным советом экспертов по инженерно-геодезическим работам (NCEES), состоящим из комиссий по лицензированию инженерно-геодезических работ, представляющих все штаты и территории США.
В Великобритании нынешним выпускникам требуется степень BEng плюс соответствующая степень магистра или интегрированная степень MEng , минимум 4 года последипломного образования по развитию профессиональных компетенций и рецензируемый отчет о проекте, чтобы стать дипломированным инженером-механиком (CEng, MIMechE). через Институт инженеров-механиков . CEng MIMechE также можно получить, пройдя экзамен, проводимый Институтом Сити и Гильдий Лондона . [39]
В большинстве развитых стран некоторые инженерные задачи, такие как проектирование мостов, электростанций и химических заводов, должны быть одобрены профессиональным инженером или дипломированным инженером . «Например, только лицензированный инженер может готовить, подписывать, опечатывать и представлять инженерные планы и чертежи в государственный орган на утверждение или опечатывать инженерные работы для государственных и частных клиентов». [40] Это требование может быть записано в законодательстве штата и провинции, например, в канадских провинциях, например, в Законе об инженерах Онтарио или Квебека. [41]
В других странах, таких как Австралия и Великобритания, такого законодательства не существует; однако практически все сертифицирующие органы придерживаются кодекса этики, независимого от законодательства, и ожидают, что все члены будут его соблюдать, иначе им грозит исключение. [42]
Общее количество инженеров, работающих в США в 2015 году, составило примерно 1,6 миллиона человек. Из них 278 340 были инженерами-механиками (17,28%), что является самой крупной дисциплиной по размеру. [43] В 2012 году средний годовой доход инженеров-механиков среди рабочей силы США составил 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). [44] В 2014 году общее количество рабочих мест в машиностроении, по прогнозам, вырастет на 5% в течение следующего десятилетия. [45] По состоянию на 2009 год средняя стартовая зарплата составляла 58 800 долларов США при наличии степени бакалавра. [46]
Область машиностроения можно рассматривать как совокупность многих дисциплин машиностроения. Некоторые из этих субдисциплин, которые обычно преподаются на уровне бакалавриата, перечислены ниже с кратким объяснением и наиболее распространенным применением каждой из них. Некоторые из этих субдисциплин уникальны для машиностроения, тогда как другие представляют собой комбинацию машиностроения и одной или нескольких других дисциплин. В большинстве работ, которые выполняет инженер-механик, используются навыки и методы нескольких из этих субдисциплин, а также специализированных субдисциплин. Специализированные субдисциплины, используемые в этой статье, с большей вероятностью станут предметом аспирантуры или обучения на рабочем месте, чем студенческие исследования. В этом разделе обсуждаются несколько специализированных субдисциплин.
Механика в самом общем смысле — это изучение сил и их воздействия на материю . Обычно инженерная механика используется для анализа и прогнозирования ускорения и деформации (как упругой , так и пластической ) объектов под действием известных сил (также называемых нагрузками) или напряжений . К субдисциплинам механики относятся
Инженеры-механики обычно используют механику на этапах проектирования или анализа. Если бы инженерный проект представлял собой проектирование транспортного средства, для проектирования рамы транспортного средства можно было бы использовать статику, чтобы оценить, где напряжения будут наиболее интенсивными. Динамику можно использовать при проектировании двигателя автомобиля для оценки сил в поршнях и кулачках в ходе работы двигателя. Механику материалов можно использовать для выбора подходящих материалов для рамы и двигателя. Гидравлическую механику можно использовать для проектирования системы вентиляции автомобиля (см. HVAC ) или для проектирования системы впуска двигателя.
Мехатроника – это сочетание механики и электроники. Это междисциплинарная отрасль машиностроения, электротехники и разработки программного обеспечения , которая занимается интеграцией электротехники и машиностроения для создания гибридных систем автоматизации. Таким образом, машины можно автоматизировать за счет использования электродвигателей , сервомеханизмов и других электрических систем в сочетании со специальным программным обеспечением. Типичным примером мехатронной системы 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 . Встроенное 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. Чтобы создать робота, инженер обычно использует кинематику (чтобы определить диапазон движения робота) и механику (чтобы определить напряжения внутри робота).
Роботы широко используются в промышленной автоматизации. Они позволяют предприятиям экономить деньги на рабочей силе, выполнять задачи, которые либо слишком опасны, либо слишком точны для того, чтобы люди могли их выполнять с экономической точки зрения, а также обеспечивать лучшее качество. Многие компании используют сборочные линии роботов, особенно в автомобильной промышленности, а некоторые заводы настолько роботизированы, что могут работать самостоятельно . За пределами завода роботы используются для обезвреживания бомб, исследования космоса и во многих других областях. Роботы также продаются для различных бытовых применений, от отдыха до домашнего применения. [48]
Структурный анализ — это раздел машиностроения (а также гражданского строительства), посвященный изучению того, почему и как объекты выходят из строя, а также исправлению объектов и их производительности. Структурные разрушения происходят в двух основных режимах: статическом разрушении и усталостном разрушении. Статическое разрушение конструкции происходит, когда при нагрузке (приложении силы) анализируемый объект либо ломается, либо пластически деформируется , в зависимости от критерия разрушения. Усталостное разрушение происходит, когда объект выходит из строя после ряда повторяющихся циклов загрузки и разгрузки. Усталостное разрушение происходит из-за несовершенств объекта: например, микроскопическая трещина на поверхности объекта будет слегка увеличиваться с каждым циклом (распространением), пока трещина не станет достаточно большой, чтобы вызвать окончательный отказ . [49]
Однако отказ определяется не просто как поломка детали; это определяется как ситуация, когда деталь не работает должным образом. Некоторые системы, например перфорированные верхние части некоторых пластиковых пакетов, предназначены для разрушения. Если эти системы не выходят из строя, для определения причины можно использовать 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 [50] , чтобы помочь им определить тип отказа и возможные причины.
После применения теории к механической конструкции часто проводятся физические испытания для проверки расчетных результатов. Структурный анализ может использоваться в офисе при проектировании деталей, в полевых условиях для анализа вышедших из строя деталей или в лабораториях, где детали могут подвергаться контролируемым испытаниям на отказ.
Термодинамика — прикладная наука, используемая в нескольких отраслях техники, включая машиностроение и химическую инженерию. В самом простом виде термодинамика — это изучение энергии, ее использования и преобразования в системе . [51] Обычно инженерная термодинамика занимается изменением энергии из одной формы в другую. Например, автомобильные двигатели преобразуют химическую энергию ( энтальпию ) топлива в тепло, а затем в механическую работу, которая в конечном итоге вращает колеса.
Принципы термодинамики используются инженерами-механиками в области теплопередачи , терможидкостей и преобразования энергии . Инженеры-механики используют термонауку для проектирования двигателей и электростанций , систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), теплообменников , радиаторов , радиаторов , охлаждения , изоляции и других. [52]
Чертеж или технический рисунок — это средство, с помощью которого инженеры-механики проектируют изделия и создают инструкции по изготовлению деталей. 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 соответствующую информацию. [53] Американский инженер-механик или квалифицированный рабочий, создающий технические чертежи, может называться чертёжником или чертежником. Черчение исторически было двухмерным процессом, но теперь программы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют дизайнеру творить в трех измерениях.
Инструкции по изготовлению детали должны передаваться на необходимое оборудование либо вручную, с помощью запрограммированных инструкций, либо с помощью автоматизированного производства (CAM) или комбинированной программы CAD/CAM. При желании инженер также может вручную изготовить деталь, используя технические чертежи. Однако с появлением производства с числовым программным управлением (ЧПУ) детали теперь можно изготавливать без необходимости постоянного участия технического специалиста. Детали, изготовленные вручную, обычно состоят из нанесения покрытий распылением , отделки поверхности и других процессов, которые экономически или практически невозможно выполнить с помощью машины.
Черчение используется почти во всех разделах машиностроения, а также во многих других отраслях техники и архитектуры. Трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения САПР, также широко используются в анализе методом конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамике (CFD).
Многие машиностроительные компании, особенно в промышленно развитых странах, включили программы компьютерного проектирования (CAE) в свои существующие процессы проектирования и анализа, включая 2D и 3D твердотельное моделирование ( САПР). Этот метод имеет множество преимуществ, в том числе более простую и полную визуализацию изделий, возможность создания виртуальных сборок деталей, а также простоту использования при проектировании сопряженных интерфейсов и допусков.
Другие программы CAE, обычно используемые инженерами-механиками, включают инструменты управления жизненным циклом продукта (PLM) и инструменты анализа, используемые для выполнения сложного моделирования. Инструменты анализа могут использоваться для прогнозирования реакции продукта на ожидаемые нагрузки, включая усталостную долговечность и технологичность. Эти инструменты включают анализ методом конечных элементов (FEA), вычислительную гидродинамику (CFD) и автоматизированное производство (CAM).
Используя программы CAE, группа разработчиков машиностроения может быстро и дешево повторить процесс проектирования для разработки продукта, который лучше соответствует ограничениям по стоимости, производительности и другим ограничениям. Никакого физического прототипа не нужно создавать до тех пор, пока проект не будет близок к завершению, что позволяет оценить сотни или тысячи проектов, а не относительно несколько. Кроме того, программы CAE-анализа могут моделировать сложные физические явления, которые невозможно решить вручную, такие как вязкоупругость , сложный контакт между сопрягаемыми деталями или неньютоновские течения .
По мере того как машиностроение начинает сливаться с другими дисциплинами, как это видно в мехатронике , междисциплинарная оптимизация проектирования (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 на рабочий день. Они также используют сложные алгоритмы оптимизации для более разумного изучения возможных проектов, часто находя лучшие, инновационные решения сложных междисциплинарных проблем проектирования.
Инженеры-механики постоянно расширяют границы физического возможного, чтобы производить более безопасные, дешевые и эффективные машины и механические системы. Некоторые передовые технологии машиностроения перечислены ниже (см. также «Исследовательское проектирование» ).
Механические компоненты микронного размера, такие как пружины, шестерни, жидкостные и теплообменные устройства, изготавливаются из различных материалов подложки, таких как кремний, стекло и полимеры, такие как SU8 . Примерами компонентов MEMS 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, новый тип сварки , был открыт в 1991 году Институтом сварки (TWI). Инновационная технология сварки в устойчивом состоянии (без плавления) позволяет соединять материалы, которые ранее не поддавались сварке, в том числе некоторые алюминиевые сплавы . Он играет важную роль в будущем строительстве самолетов, потенциально заменив заклепки. На сегодняшний день эта технология используется, например, для сварки швов алюминиевого внешнего бака основного космического корабля «Шаттл», корабля для экипажа «Орион», одноразовых ракет-носителей Boeing Delta II и Delta IV, а также ракеты SpaceX Falcon 1, брони для десантных кораблей и сварки крылья и панели фюзеляжа нового самолета Eclipse 500 от Eclipse Aviation среди постоянно растущего круга применений. [54] [55] [56]
Композиты или композиционные материалы представляют собой комбинацию материалов, которые обеспечивают различные физические характеристики, чем каждый материал по отдельности. Исследования композитных материалов в машиностроении обычно сосредоточены на разработке (и, как следствие, поиске применения) более прочных или более жестких материалов при попытке уменьшить вес , восприимчивость к коррозии и другим нежелательным факторам. Например, композиты, армированные углеродным волокном, используются в таких разнообразных областях, как космические корабли и удочки.
Мехатроника — это синергетическая комбинация машиностроения, электронной инженерии и разработки программного обеспечения. Дисциплина мехатроника возникла как способ объединить механические принципы с электротехникой. Мехатронные концепции используются в большинстве электромеханических систем. [57] Типичными электромеханическими датчиками, используемыми в мехатронике, являются тензорезисторы, термопары и датчики давления.
В минимальных масштабах машиностроение превращается в нанотехнологию, одной из предполагаемых целей которой является создание молекулярного ассемблера для создания молекул и материалов посредством механосинтеза . На данный момент эта цель остается в рамках исследовательской инженерии . Области текущих машиностроительных исследований в области нанотехнологий включают, среди прочего, нанофильтры, [58] нанопленки, [59] и наноструктуры, [60] .
Анализ методом конечных элементов — это вычислительный инструмент, используемый для оценки напряжения, деформации и отклонения твердых тел. Он использует настройку сетки с заданными пользователем размерами для измерения физических величин в узле. Чем больше узлов, тем выше точность. [61] Эта область не нова, поскольку основа анализа конечных элементов (FEA) или метода конечных элементов (FEM) восходит к 1941 году. Но развитие компьютеров сделало 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 задач, связанных с тепло- и массопереносом, потоками жидкости, взаимодействием поверхности жидкости и т. д.
Биомеханика — это применение механических принципов к биологическим системам, таким как люди , животные , растения , органы и клетки . [62] Биомеханика также помогает в создании протезов конечностей и искусственных органов для человека. Биомеханика тесно связана с инженерией , поскольку часто использует традиционные инженерные науки для анализа биологических систем. Некоторые простые приложения ньютоновской механики и/или материаловедения могут дать правильные аппроксимации механики многих биологических систем.
В последнее десятилетие реверс-инжиниринг материалов, встречающихся в природе, таких как костное вещество, получил финансирование в научных кругах. Структура костного вещества оптимизирована для того, чтобы выдерживать большое сжимающее напряжение на единицу веса. [63] Цель состоит в том, чтобы заменить сырую сталь биоматериалом для проектирования конструкций.
За последнее десятилетие метод конечных элементов (МКЭ) также вошел в биомедицинский сектор, подчеркивая дальнейшие инженерные аспекты биомеханики. С тех пор FEM зарекомендовал себя как альтернатива хирургической оценке in vivo и получил широкое признание в научных кругах. Основное преимущество вычислительной биомеханики заключается в ее способности определять эндоанатомическую реакцию анатомии, не подвергаясь этическим ограничениям. [64] Это привело к тому, что FE-моделирование стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, а некоторые проекты даже приняли философию открытого исходного кода (например, BioSpine).
Вычислительная гидродинамика, обычно сокращенно CFD, представляет собой раздел механики жидкости, который использует численные методы и алгоритмы для решения и анализа задач, связанных с потоками жидкости. Компьютеры используются для выполнения расчетов, необходимых для моделирования взаимодействия жидкостей и газов с поверхностями, определяемыми граничными условиями. [65] С помощью высокоскоростных суперкомпьютеров можно найти лучшие решения. Продолжающиеся исследования создают программное обеспечение, которое повышает точность и скорость сложных сценариев моделирования, таких как турбулентные потоки. Первоначальная проверка такого программного обеспечения проводится с использованием аэродинамической трубы, а окончательная проверка проводится в ходе полномасштабных испытаний, например, летных испытаний.
Акустическая инженерия является одной из многих других дисциплин машиностроения и представляет собой применение акустики. Акустическая инженерия – это изучение звука и вибрации . Эти инженеры эффективно работают над снижением шумового загрязнения в механических устройствах и зданиях путем звукоизоляции или удаления 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. [66]
Промышленное машиностроение , аэрокосмическая техника и автомобилестроение иногда группируются с машиностроением. Степень бакалавра в этих областях обычно имеет разницу в несколько специализированных классов.
