Машиностроение — это изучение физических машин , которые могут включать силу и движение. Это отрасль машиностроения , которая объединяет принципы инженерной физики и математики с материаловедением для проектирования , анализа, производства и обслуживания механических систем . [1] Это одна из старейших и самых широких отраслей машиностроения .
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), автоматизированное проектирование (CAE) и управление жизненным циклом продукта для проектирования и анализа производственных предприятий , промышленного оборудования и машин , систем отопления и охлаждения , транспортных систем, автотранспортных средств , самолетов , водных судов , робототехники , медицинских приборов , оружия и других. [2] [3]
Машиностроение возникло как область во время промышленной революции в Европе в 18 веке; однако его развитие можно проследить на несколько тысяч лет назад по всему миру. В 19 веке развитие физики привело к развитию науки машиностроения. Область постоянно развивалась, чтобы включить достижения; сегодня инженеры-механики занимаются разработками в таких областях, как композиты , мехатроника и нанотехнологии . Она также пересекается с аэрокосмической инженерией , металлургической инженерией , гражданским строительством , структурной инженерией , электротехникой , технологией производства , химической инженерией , промышленной инженерией и другими инженерными дисциплинами в разной степени. Инженеры-механики также могут работать в области биомедицинской инженерии , в частности, с биомеханикой , транспортными явлениями , биомехатроникой , бионанотехнологией и моделированием 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 (пандус) были известны с доисторических времен. [4] Месопотамской цивилизации приписывают изобретение колеса несколько, в основном старых источников. [5] [6] [7] Однако некоторые недавние источники либо предполагают, что оно было изобретено независимо как в Месопотамии, так и в Восточной Европе , либо приписывают изобретение колеса доисторическим восточным европейцам [8] [9] [10] [11] Рычажный механизм впервые появился около 5000 лет назад на Ближнем Востоке, где он использовался в простых весах , [12] и для перемещения крупных объектов в древнеегипетской технологии . [13] Рычаг также использовался в водоподъемном устройстве шадуф , первой крановой машине, которая появилась в Месопотамии около 3000 г. до н. э. [12] Самые ранние свидетельства использования блоков датируются Месопотамией и относятся к началу 2-го тысячелетия до н.э. [14]
Сакия была разработана в королевстве Куш в 4 веке до нашей эры. Она опиралась на силу животных , что уменьшало потребность в тягловой силе за счет человеческой энергии. [15] Водохранилища в форме хафиров были разработаны в Куше для хранения воды и усиления орошения. [16] В седьмом веке до нашей эры в Мероэ были разработаны кричильные печи и доменные печи . [17] [18] [19] [20] Кушитские солнечные часы применяли математику в форме продвинутой тригонометрии. [21] [22]
Самые ранние практические машины с водяным приводом , водяное колесо и водяная мельница , впервые появились в Персидской империи , на территории современных Ирака и Ирана, в начале 4-го века до нашей эры. [23] В Древней Греции работы Архимеда (287–212 до н. э.) оказали влияние на механику в западной традиции. Механизмы Antikythera с зубчатой передачей были аналоговым компьютером, изобретенным около 2-го века до нашей эры. [24]
В Римском Египте Герон Александрийский ( ок. 10–70 гг. н. э.) создал первое паровое устройство ( Эолипил ). [25] 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 передачами. Средневековый китайский часовщик и инженер Су Сун (1020–1101 гг. н. э.) включил спусковой механизм в свою астрономическую часовую башню за два столетия до того, как спусковые устройства были обнаружены в средневековых европейских часах. Он также изобрел первый в мире известный бесконечный цепной привод для передачи энергии . [26]
Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии в VI веке нашей эры, [27] а прялка была изобретена в исламском мире в начале XI века, [28] Двухвалковые джины появились в Индии и Китае между XII и XIV веками. [29] Червячный валковый джин появился на индийском субконтиненте в раннюю эпоху Делийского султаната в XIII-XIV веках. [30]
В исламский Золотой Век (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 остроумных механических устройствах в 1206 году и представил множество механических конструкций.
В XVII веке в Англии и на континенте произошли важные прорывы в основах машиностроения . Голландский математик и физик Христиан Гюйгенс изобрел маятниковые часы в 1657 году, которые были первым надежным хронометром за почти 300 лет, и опубликовал работу, посвященную конструкциям часов и теории, лежащей в их основе. [31] [32] В Англии Исаак Ньютон сформулировал законы движения Ньютона и разработал исчисление , которое 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 . Готфрид Вильгельм Лейбниц , который ранее спроектировал механический калькулятор , также считается изобретателем исчисления в тот же период времени. [33]
В начале 19 века, во время промышленной революции, в Англии, Германии и Шотландии были разработаны станки . Это позволило машиностроению развиться как отдельной области в инженерии. Они принесли с собой производственные машины и двигатели для их питания. [34] Первое британское профессиональное общество инженеров-механиков было образовано в 1847 году Institution of Mechanical Engineers , через тридцать лет после того, как инженеры-строители сформировали первое такое профессиональное общество Institution of Civil Engineers . [35] На европейском континенте Иоганн фон Циммерман (1820–1901) основал первую фабрику по производству шлифовальных станков в Хемнице , Германия, в 1848 году.
В Соединенных Штатах в 1880 году было образовано Американское общество инженеров-механиков (ASME), которое стало третьим профессиональным инженерным обществом такого рода после Американского общества инженеров-строителей (1852) и Американского института горных инженеров (1871). [36] Первыми школами в Соединенных Штатах, предлагавшими инженерное образование, были Военная академия Соединенных Штатов в 1817 году, учреждение, ныне известное как Университет Норвича , в 1819 году и Политехнический институт Ренсселера в 1825 году. Образование в области машиностроения исторически основывалось на прочной основе в области математики и естественных наук. [37]
Степени в области машиностроения предлагаются в различных университетах по всему миру. Программы по машиностроению обычно занимают от четырех до пяти лет обучения в зависимости от места и университета и приводят к получению степени бакалавра инженерии (B.Eng. или BE), бакалавра наук (B.Sc. или BS), бакалавра инженерии наук (B.Sc.Eng.), бакалавра технологий (B.Tech.), бакалавра машиностроения (BME) или бакалавра прикладных наук (BASc.) с упором на машиностроение. В Испании, Португалии и большинстве стран Южной Америки, где не приняты ни программы BS, ни B.Tech., официальное название степени — «инженер-механик», а курс обучения основан на пяти или шести годах обучения. В Италии курс обучения основан на пяти годах образования и обучения, но для того, чтобы получить квалификацию инженера, необходимо сдать государственный экзамен в конце курса. В Греции курс обучения основан на пятилетней учебной программе. [38]
В Соединенных Штатах большинство программ бакалавриата по машиностроению аккредитованы Советом по аккредитации в области инженерии и технологий (ABET) для обеспечения схожих требований и стандартов курсов среди университетов. На веб-сайте ABET перечислены 302 аккредитованные программы по машиностроению по состоянию на 11 марта 2014 года. [39] Программы по машиностроению в Канаде аккредитованы Канадским советом по аккредитации инженеров (CEAB), [40] и большинство других стран, предлагающих инженерные степени, имеют аналогичные аккредитационные общества.
В Австралии степени в области машиностроения присуждаются как степень бакалавра инженерии (механика) или схожая 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 . Перед тем, как степень может быть присуждена, студент должен пройти как минимум 3 месяца практической работы на рабочем месте в инженерной фирме. [41] Аналогичные системы также присутствуют в Южной Африке и контролируются Инженерным советом Южной Африки (ECSA).
В Индии , чтобы стать инженером, нужно иметь инженерную степень, например B.Tech. или BE, иметь диплом инженера или закончить курс по инженерной профессии, например слесарь, в Институте промышленной подготовки (ITIs), чтобы получить «Сертификат ITI Trade», а также сдать Всеиндийский тест по профессии (AITT) по инженерной профессии, проводимый Национальным советом по профессиональной подготовке (NCVT), по результатам которого выдается «Национальный сертификат по профессии». Похожая система используется в Непале. [42]
Некоторые инженеры-механики продолжают обучение в аспирантуре, например, в магистратуре , магистрах технологий , магистрах наук , магистрах инженерного менеджмента (M.Eng.Mgt. или MEM), докторе философии в области инженерии (Eng.D. или Ph.D.) или инженере . Магистерские и инженерные степени могут включать или не включать исследовательскую работу . Доктор философии включает в себя значительный исследовательский компонент и часто рассматривается как точка входа в академическую среду . [43] Степень инженера существует в нескольких учреждениях на промежуточном уровне между степенью магистра и докторской степенью.
Стандарты, установленные аккредитационным обществом каждой страны, призваны обеспечить единообразие в фундаментальном предметном материале, способствовать повышению компетентности среди выпускников инженеров и поддерживать доверие к инженерной профессии в целом. Например, инженерные программы в США, согласно ABET, должны показать, что их студенты могут «профессионально работать как в области тепловых, так и механических систем». [44] Однако конкретные курсы, необходимые для выпуска, 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 преподавательского состава и основных направлений исследований университета.
К основным предметам, необходимым для изучения машиностроения, обычно относятся:
Инженеры-механики также должны понимать и уметь применять основные концепции из химии, физики, трибологии , химической инженерии , гражданского строительства и электротехники . Все программы по машиностроению 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 прочих.
В дополнение к основной программе обучения по машиностроению многие программы по машиностроению предлагают более специализированные программы и классы, такие как системы управления , робототехника, транспорт и логистика , криогеника , топливные технологии, автомобильная техника , биомеханика , вибрация, оптика и другие, если для этих предметов не существует отдельного факультета. [47]
Большинство программ по машиностроению также требуют различного количества исследовательских или общественных проектов для получения практического опыта решения проблем. В Соединенных Штатах для студентов-механиков обычно проходить одну или несколько стажировок во время учебы, хотя это обычно не является обязательным требованием университета. Кооперативное образование является еще одним вариантом. Навыки будущей работы [48] исследования предъявляют спрос на компоненты обучения, которые питают креативность и инновации студентов. [49]
Инженеры-механики исследуют, проектируют, разрабатывают, строят и испытывают механические и тепловые устройства, включая инструменты, двигатели и машины.
Инженеры-механики обычно выполняют следующие функции:
Инженеры-механики проектируют и контролируют производство многих продуктов, начиная от медицинских приборов и заканчивая новыми батареями. Они также проектируют машины, вырабатывающие электроэнергию, такие как электрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, а также машины, использующие электроэнергию, такие как системы охлаждения и кондиционирования воздуха.
Как и другие инженеры, инженеры-механики используют компьютеры для создания и анализа проектов, проведения моделирования и проверки того, как будет работать машина.
Инженеры могут получить лицензию от правительства штата, провинции или страны. Цель этого процесса — обеспечить наличие у инженеров необходимых технических знаний, реального опыта и знания местной правовой системы для осуществления инженерной деятельности на профессиональном уровне. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (США, Канада, Япония, Южная Корея, Бангладеш и Южная Африка), дипломированного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Новой Зеландии) или европейского инженера (большая часть Европейского Союза).
В США, чтобы стать лицензированным профессиональным инженером (PE), инженер должен сдать комплексный экзамен FE (Fundamentals of Engineering), проработать не менее 4 лет в качестве инженера-стажера (EI) или инженера-стажера (EIT) и сдать экзамены "Principles and Practice" или PE (Practicing Engineer или Professional Engineer). Требования и этапы этого процесса изложены Национальным советом экзаменаторов по инженерии и геодезии (NCEES), состоящим из советов по лицензированию инженерии и геодезии, представляющих все штаты и территории США.
В Великобритании нынешним выпускникам требуется степень бакалавра инженерных наук плюс соответствующая степень магистра или интегрированная степень магистра инженерных наук , минимум 4 года послевузовского обучения по развитию профессиональных компетенций и рецензируемый отчет по проекту, чтобы стать дипломированным инженером-механиком (CEng, MIMechE) через Институт инженеров-механиков . Степень CEng MIMechE также можно получить через экзаменационный маршрут, администрируемый Институтом города и гильдий Лондона . [50]
В большинстве развитых стран определенные инженерные задачи, такие как проектирование мостов, электростанций и химических заводов, должны быть одобрены профессиональным инженером или дипломированным инженером . «Только лицензированный инженер, например, может подготовить, подписать, скрепить печатью и представить инженерные планы и чертежи в государственный орган для утверждения или скрепить печатью инженерные работы для государственных и частных клиентов». [51] Это требование может быть прописано в государственном и провинциальном законодательстве, например, в канадских провинциях, например, в Законе об инженерах Онтарио или Квебека. [52]
В других странах, таких как Австралия и Великобритания, такого законодательства не существует; однако практически все сертифицирующие органы поддерживают кодекс этики, независимый от законодательства, и ожидают, что все члены будут его соблюдать, в противном случае им грозит исключение. [53]
Общее число инженеров, работающих в США в 2015 году, составило примерно 1,6 миллиона человек. Из них 278 340 были инженерами-механиками (17,28%), самой крупной дисциплиной по размеру. [54] В 2012 году средний годовой доход инженеров-механиков в рабочей силе США составлял 80 580 долларов США. Средний доход был самым высоким при работе на правительство (92 030 долларов США), а самым низким — в сфере образования (57 090 долларов США). [55] В 2014 году прогнозировалось, что общее число рабочих мест в сфере машиностроения вырастет на 5% в течение следующего десятилетия. [56] По состоянию на 2009 год средняя начальная зарплата составляла 58 800 долларов США при степени бакалавра. [57]
Область машиностроения можно рассматривать как совокупность многих дисциплин машиностроительной науки. Некоторые из этих поддисциплин, которые обычно преподаются на уровне бакалавриата, перечислены ниже с кратким объяснением и наиболее распространенным применением каждой из них. Некоторые из этих поддисциплин 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 поддисциплин, а также специализированных поддисциплин. Специализированные поддисциплины, используемые в этой статье, скорее всего, будут предметом аспирантуры или обучения на рабочем месте, чем исследований в рамках бакалавриата. В этом разделе обсуждаются несколько специализированных поддисциплин.
Механика, в самом общем смысле, является изучением 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 . Подразделы механики включают
Инженеры-механики обычно используют механику на этапах проектирования или анализа в инженерии. Если инженерный проект был проектированием транспортного средства, статика может быть использована для проектирования рамы транспортного средства, чтобы оценить, где напряжения будут наиболее интенсивными. Динамика может быть использована при проектировании двигателя автомобиля, чтобы оценить силы в поршнях и кулачках при работе двигателя. Механика материалов может быть использована для выбора подходящих материалов для рамы и двигателя. Механика жидкостей может быть использована для проектирования системы вентиляции для транспортного средства (см. HVAC ) или для проектирования системы впуска для 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 могут быть автоматизированы с помощью электродвигателей , сервомеханизмов и других электрических систем в сочетании со специальным программным обеспечением. Типичным примером системы мехатроники является привод CD-ROM. Механические системы открывают и закрывают привод, вращают CD и перемещают лазер, в то время как оптическая система считывает данные на CD и преобразует их в биты . Интегрированное программное обеспечение управляет процессом и передает содержимое CD 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 предварительно 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 промышленной автоматизации. Они позволяют предприятиям экономить деньги на рабочей силе, выполнять задачи, которые слишком опасны или слишком точны для того, чтобы люди могли выполнять их экономически выгодно, и 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 использовались в обезвреживании бомб, исследовании космоса и во многих других областях. Роботы также продаются для различных бытовых применений, от отдыха до бытовых применений. [59]
Структурный анализ — это раздел машиностроения (а также гражданского строительства), посвященный изучению причин и способов выхода из строя объектов, а также исправлению объектов и их производительности. Разрушения конструкций происходят в двух основных режимах: статическое разрушение и усталостное разрушение. Статическое разрушение конструкции происходит, когда при нагрузке (приложении силы) анализируемый объект либо ломается, либо деформируется пластически , в зависимости от критерия разрушения. Усталостное разрушение происходит, когда объект выходит из строя после ряда повторных циклов нагрузки и разгрузки. Усталостное разрушение происходит из-за несовершенств объекта: например, микроскопическая трещина на поверхности объекта будет немного расти с каждым циклом (распространением), пока трещина не станет достаточно большой, чтобы вызвать окончательное разрушение . [60]
Однако отказ определяется не просто как поломка детали; он определяется как неисправность детали, которая не работает так, как задумано. Некоторые системы, такие как перфорированные верхние секции некоторых пластиковых пакетов, спроектированы так, чтобы ломаться. Если эти системы не ломаются, 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, такие как опубликованные ASM [61], чтобы помочь им определить тип отказа и возможные причины.
После того, как теория применена к механическому проектированию, часто проводятся физические испытания для проверки расчетных результатов. Структурный анализ может использоваться в офисе при проектировании деталей, в полевых условиях для анализа неисправных деталей или в лабораториях, где детали могут проходить контролируемые испытания на отказ.
Термодинамика — прикладная наука, используемая в нескольких отраслях техники, включая машиностроение и химическую инженерию. В простейшем случае термодинамика — это изучение энергии, ее использования и преобразования через систему . [62] Обычно инженерная термодинамика занимается преобразованием энергии из одной формы в другую. Например, автомобильные двигатели преобразуют химическую энергию ( энтальпию ) из 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 , охлаждения , изоляции и других. [63]
Черчение или технический чертеж — это средство, с помощью которого инженеры-механики проектируют продукты и создают инструкции по изготовлению деталей. Технический чертеж может быть компьютерной моделью или нарисованной от руки схемой, показывающей все размеры, необходимые для изготовления детали, а также примечания по сборке, список требуемых материалов и другую соответствующую информацию. [64] Инженер-механик или квалифицированный рабочий в США, создающий технические чертежи, может называться чертежником или чертежником. Исторически черчение было двумерным процессом, но программы автоматизированного проектирования (САПР) теперь позволяют проектировщику творить в трех измерениях.
Инструкции по изготовлению детали должны быть переданы необходимому оборудованию либо вручную, с помощью запрограммированных инструкций, либо с помощью автоматизированного производства (CAM) или комбинированной программы CAD/CAM. По желанию инженер может также 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 распыляемых покрытий , отделки поверхности и других процессов, которые не могут быть экономически или практически выполнены машиной.
Черчение используется почти в каждой поддисциплине машиностроения и во многих других отраслях инженерии и архитектуры. Трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения CAD, также широко используются в конечно-элементном анализе (FEA) и вычислительной гидродинамике (CFD).
Многие машиностроительные компании, особенно в промышленно развитых странах, включили программы автоматизированного проектирования (CAE) в свои существующие процессы проектирования и анализа, включая 2D и 3D твердотельное моделирование автоматизированного проектирования (CAD). Этот метод имеет много преимуществ, включая более простую и исчерпывающую визуализацию продуктов, возможность создания виртуальных сборок деталей и 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 сложных симуляций. Инструменты анализа могут использоваться для прогнозирования реакции продукта на ожидаемые нагрузки, включая усталостную долговечность и технологичность. Эти инструменты включают конечно-элементный анализ (FEA), вычислительную гидродинамику (CFD) и автоматизированное производство (CAM).
Используя программы CAE, команда разработчиков механических систем может быстро и дешево повторять процесс проектирования, чтобы разработать продукт, который лучше соответствует ограничениям по стоимости, производительности и другим параметрам. Физический прототип не требуется создавать до тех пор, пока проектирование не будет завершено, что позволяет оценивать сотни или тысячи проектов вместо относительно небольшого числа. Кроме того, программы анализа CAE могут моделировать сложные физические явления, которые невозможно решить вручную, такие как вязкоупругость , сложный контакт между сопряженными деталями или неньютоновские потоки .
Поскольку машиностроение начинает сливаться с другими дисциплинами, как это видно в мехатронике , многопрофильная оптимизация проектирования (MDO) используется с другими программами CAE для автоматизации и улучшения итеративного процесса проектирования. Инструменты MDO охватывают существующие процессы CAE, позволяя продолжать оценку продукта даже после того, как аналитик уходит домой на день. Они также используют сложные алгоритмы оптимизации для более разумного исследования возможных конструкций, часто находя лучшие, инновационные решения для сложных многопрофильных проблем проектирования.
Инженеры-механики постоянно расширяют границы физически возможного, чтобы производить более безопасные, дешевые и эффективные машины и механические системы. Некоторые технологии на переднем крае машиностроения перечислены ниже (см. также разведочное проектирование ).
Микронные механические компоненты, такие как пружины, шестерни, жидкостные и теплопередающие 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 подушек безопасности автомобилей, 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 стационарном состоянии (без сплавления) соединяет материалы, которые ранее не поддавались сварке, включая несколько алюминиевых сплавов . Она играет важную роль в будущем строительстве самолетов, потенциально заменяя заклепки. Текущие применения этой технологии на сегодняшний день включают сварку швов алюминиевого основного внешнего бака Space Shuttle, Orion Crew Vehicle, Boeing Delta II и Delta IV Expendable Launch Vehicles и ракеты SpaceX Falcon 1, брони для десантных кораблей и сварки крыльев и панелей фюзеляжа нового самолета Eclipse 500 от Eclipse Aviation среди постоянно растущего круга применений. [65] [66] [67]
Композиты или композитные материалы представляют собой комбинацию материалов, которые обеспечивают иные физические характеристики, чем каждый материал по отдельности. Исследования композитных материалов в машиностроении обычно сосредоточены на проектировании (и, впоследствии, поиске применений) более прочных или более жестких материалов, одновременно пытаясь уменьшить вес , восприимчивость к коррозии и другие нежелательные факторы. Например, композиты, армированные углеродным волокном, использовались в таких разнообразных приложениях, как космические корабли и удочки.
Мехатроника — это синергетическое сочетание машиностроения, электронной инженерии и разработки программного обеспечения. Дисциплина мехатроники зародилась как способ объединения механических принципов с электротехникой. Мехатронные концепции используются в большинстве электромеханических систем. [68] Типичные электромеханические датчики, используемые в мехатронике, — это тензодатчики, термопары и датчики давления.
В самых малых масштабах машиностроение становится нанотехнологией — одной из предполагаемых целей которой является создание молекулярного ассемблера для построения молекул и материалов посредством механосинтеза . На данный момент эта цель остается в рамках исследовательской инженерии . Области текущих исследований машиностроения в области нанотехнологий включают нанофильтры, [69] нанопленки, [70] и наноструктуры, [71] среди прочего.
Конечно-элементный анализ — это вычислительный инструмент, используемый для оценки напряжения, деформации и прогиба твердых тел. Он использует сетку с заданными пользователем размерами для измерения физических величин в узле. Чем больше узлов, тем выше точность. [72] Эта область не нова, так как основа конечно-элементного анализа (FEA) или метода конечных элементов (FEM) восходит к 1941 году. Но развитие компьютеров сделало FEA/FEM жизнеспособным вариантом для анализа структурных проблем. Многие коммерческие программные приложения, такие как NASTRAN , ANSYS и ABAQUS, широко используются в промышленности для исследований и проектирования компонентов. Некоторые пакеты программного обеспечения для 3D-моделирования и CAD добавили модули FEA. В последнее время все более распространенными становятся облачные платформы моделирования, такие как SimScale .
Другие методы, такие как метод конечных разностей (FDM) и метод конечных объемов (FVM), применяются для решения задач, связанных с тепло- и массопереносом, потоками жидкости, взаимодействием жидкости с поверхностью и т. д.
Биомеханика — это применение механических принципов к биологическим системам, таким как люди , животные , растения , органы и клетки . [73] Биомеханика также помогает в создании протезов конечностей и искусственных органов для людей. Биомеханика тесно связана с инженерией , поскольку она часто использует традиционные инженерные науки для анализа биологических систем. Некоторые простые приложения ньютоновской механики и/или материаловедения могут предоставить правильные приближения к механике многих биологических систем.
За последнее десятилетие обратная инженерия природных материалов, таких как костная ткань, получила финансирование в академических кругах. Структура костной ткани оптимизирована для ее цели выдерживать большое количество сжимающего напряжения на единицу веса. [74] Цель состоит в том, чтобы заменить сырую сталь биоматериалом для структурного проектирования.
За последнее десятилетие метод конечных элементов (МКЭ) также вошел в биомедицинский сектор, выдвигая на первый план дальнейшие инженерные аспекты биомеханики. С тех пор МКЭ зарекомендовал себя как альтернатива хирургической оценке in vivo и получил широкое признание в академических кругах. Главное преимущество вычислительной биомеханики заключается в ее способности определять эндоанатомическую реакцию анатомии, не подвергаясь этическим ограничениям. [75] Это привело к тому, что моделирование МКЭ стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, а несколько проектов даже приняли философию с открытым исходным кодом (например, BioSpine).
Вычислительная гидродинамика, обычно сокращенно CFD, является разделом механики жидкости, который использует численные методы и алгоритмы для решения и анализа задач, связанных с потоками жидкости. Компьютеры используются для выполнения вычислений, необходимых для моделирования взаимодействия жидкостей и газов с поверхностями, определяемыми граничными условиями. [76] С помощью высокоскоростных суперкомпьютеров можно достичь лучших решений. Текущие исследования дают 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 осуществляется в ходе полномасштабных испытаний, например, летных испытаний.
Акустическая инженерия является одной из многих других поддисциплин машиностроения и является применением акустики. Акустическая инженерия является изучением звука и вибрации . Эти инженеры эффективно работают над снижением шумового загрязнения в механических устройствах и в зданиях путем звукоизоляции или удаления источников нежелательного шума. Изучение акустики может варьироваться от проектирования более эффективного слухового аппарата, микрофона, наушников или студии звукозаписи до улучшения качества звука в оркестровом зале. Акустическая инженерия также имеет дело с вибрацией различных механических систем. [77]
Инженерное дело , аэрокосмическая техника , автомобилестроение и морское дело иногда объединяются с машиностроением. Степень бакалавра в этих областях обычно будет иметь разницу в несколько специализированных классов.
