Jump to content

Машиностроение

(Перенаправлено из Машиностроения )

Различные компоненты машин, используемые в машиностроении

Машиностроение — это изучение физических машин , которые могут включать в себя силу и движение. Это инженерная отрасль , которая сочетает в себе инженерной физики и математики принципы с материаловедением для проектирования , анализа, производства и обслуживания механических систем . [1] Это одна из старейших и обширнейших 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 продукции для проектирования и анализа производственных предприятий , промышленного оборудования. и машины , системы отопления и охлаждения , транспортные системы, автомобили , самолеты , водные транспортные средства , робототехника , медицинское оборудование , 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 XIX веке развитие физики привело к развитию машиностроительной науки. Эта область постоянно развивалась и включала в себя достижения; Сегодня инженеры-механики занимаются разработками в таких областях, как композиты , мехатроника и нанотехнологии . пересекается с аэрокосмической инженерией , металлургической инженерией , гражданским строительством , структурным проектированием , электротехникой , технологией производства , химической инженерией , промышленным проектированием Он также в разной степени 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.

История [ править ]

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] 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 восточноевропейцам. [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 по древнеегипетской технологии . [13] Рычаг также использовался в «Шадуф» водоподъемном устройстве — первой крановой машине, появившейся в Месопотамии около 3000 г. до н.э. [12] Самые ранние свидетельства существования шкивов относятся к Месопотамии в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. [14]

Сакия возникла в Кушском королевстве в IV веке до нашей эры. Он полагался на силу животных, уменьшающую потребность в человеческой энергии. [15] В Куше были построены резервуары в форме Хафиров для хранения воды и ускорения орошения. [16] Цветочные печи и доменные печи были разработаны в седьмом веке до нашей эры в Мероэ . [17] [18] [19] [20] Кушитские солнечные часы применяли математику в форме продвинутой тригонометрии. [21] [22]

Самые ранние практические с водяным приводом машины , водяное колесо и водяная мельница , впервые появились в Персидской империи , на территории современного Ирака и Ирана, в начале 4 века до нашей эры. [23] В Древней Греции работы Архимеда (287–212 до н. э.) оказали влияние на механику западной традиции. с редуктором Антикитерские механизмы представляли собой аналоговый компьютер, изобретенный примерно во 2 веке до нашей эры. [24]

В римском Египте Цапля Александрийская (ок. 10–70 гг. н.э.) создала 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 шестернями. Средневековый китайский часовщик и инженер Су Сун (1020–1101 гг. н.э.) встроил спусковой механизм в свою с астрономическими башню 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 . [26]

Хлопкоочистительная машина была изобретена в Индии в VI веке нашей эры. [27] а прялка была изобретена в исламском мире в начале 11 века, [28] Джины с двумя роликами появились в Индии и Китае между 12 и 14 веками. [29] Роликовый джин с червячной передачей появился на Индийском субконтиненте в раннюю эпоху Делийского султаната , с 13 по 14 века. [30]

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. [31] [32] 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. [33]

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. [34] Первое британское профессиональное общество инженеров-механиков было образовано в 1847 году Институтом инженеров-механиков , через тридцать лет после того, как инженеры-строители сформировали первое такое профессиональное общество Института инженеров-строителей . [35] На европейском континенте первый завод по производству шлифовальных станков Иоганн фон Циммерман (1820–1901) основал в 1848 году в Хемнице , Германия, .

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.). [36] Первыми школами в Соединенных Штатах, предложившими 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 основывалось на прочном фундаменте. по математике и естественным наукам. [37]

Образование [ править ]

Учебная лаборатория машиностроения в Университете штата Огайо (около 1900 г.)

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. [38]

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. [39] Программы машиностроения в Канаде аккредитованы Канадским советом по инженерной аккредитации (CEAB). [40] 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. [41] 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. [42]

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 . [43] Степень инженера существует в нескольких учреждениях на промежуточном уровне между степенью магистра и доктором.

Курсовая работа [ править ]

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». [44] Однако конкретные курсы, необходимые для получения диплома, 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. [47]

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. совместное обучение Еще одним вариантом является . Будущие навыки работы [48] исследования предъявляют требования к компонентам обучения, которые способствуют творчеству и инновациям студентов. [49]

Должностные обязанности [ править ]

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

Инженеры-механики обычно делают следующее:

  • Анализируйте проблемы, чтобы увидеть, как механические и тепловые устройства могут помочь решить проблему.
  • Проектируйте или модернизируйте механические и тепловые устройства с использованием анализа и компьютерного проектирования.
  • Разрабатывать и тестировать прототипы разрабатываемых ими устройств.
  • Анализируйте результаты испытаний и при необходимости вносите изменения в конструкцию.
  • Контролировать процесс изготовления устройства.
  • Управляйте командой профессионалов в специализированных областях, таких как механическое черчение и проектирование, прототипирование, 3D-печать и/или специалисты по станкам с ЧПУ.

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.

Лицензия и регулирование [ править ]

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 устанавливаются Национальным советом экзаменаторов 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 . [50]

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». [51] Это требование может быть прописано в законодательстве штата и провинции, 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 придерживаются кодекса этики, независимого от законодательства, и ожидают, что все члены будут его соблюдать, иначе им грозит исключение. [53]

Статистика заработной платы и рабочей силы [ править ]

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. [54] 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). [55] В 2014 году прогнозировалось, что общее количество рабочих мест в машиностроении вырастет на 5% в течение следующего десятилетия. [56] По состоянию на 2009 год средняя стартовая зарплата составляла 58 800 долларов при наличии степени бакалавра. [57]

Субдисциплины [ править ]

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 [ править ]

Круг Мора , распространенный инструмент для изучения напряжений в механическом элементе.

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

  • Статика , исследование неподвижных тел при известных нагрузках, как силы действуют на статические тела
  • Динамика , изучение того, как силы влияют на движущиеся тела. Динамика включает в себя кинематику (о движении, скорости и ускорении) и кинетику (о силах и результирующих ускорениях).
  • Механика материалов , изучение того, как различные материалы деформируются под действием различных видов напряжений.
  • Механика жидкости , изучение того, как жидкости реагируют на силы. [58]
  • Кинематика , изучение движения тел (предметов) и систем (групп объектов) с игнорированием сил, вызывающих движение. Кинематика часто используется при проектировании и анализе механизмов .
  • Механика сплошной среды — метод применения механики, предполагающий, что объекты непрерывны (а не дискретны ).

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 усилий 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 и робототехника [ править ]

Обучение FMS с обучающим роботом SCORBOT-ER 4u, фрезерным станком с ЧПУ и токарным станком с ЧПУ

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. [59]

анализ Структурный

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 нескольких повторяющихся циклов загрузки и разгрузки. Усталостное разрушение происходит из-за дефектов объекта: например, микроскопическая трещина на поверхности объекта будет слегка увеличиваться с каждым циклом (распространением), пока трещина не станет достаточно большой, чтобы вызвать окончательный отказ . [60]

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 сбой, или при проектировании для предотвращения отказа. Инженеры часто используют онлайн-документы и книги, например, опубликованные ASM. [61] чтобы помочь им определить тип неисправности 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 и термонаука [ править ]

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 . [62] 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. [63]

Проектирование и составление [ править ]

CAD-модель двойного механического уплотнения.

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. [64] Американский инженер-механик или квалифицированный рабочий, создающий технические чертежи, может называться чертежником 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).

Современные инструменты [ править ]

Косой вид четырехцилиндрового рядного коленчатого вала с поршнями.

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 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 задач проектирования.

Области исследований [ править ]

Инженеры-механики постоянно расширяют границы физически возможного, чтобы производить более безопасные, дешевые и эффективные машины и механические системы. Некоторые передовые технологии машиностроения перечислены ниже (см. также « Исследовательское проектирование »).

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) [ править ]

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, используемые в качестве датчиков подушек безопасности автомобилей, современные сотовые телефоны, гироскопы для точного позиционирования и микрофлюидные устройства, используемые в биомедицинских приложениях.

Сварка трением с перемешиванием (FSW) [ править ]

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 основного внешнего бака 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. [65] [66] [67]

Композиты [ править ]

Композитная ткань, состоящая из плетеного углеродного волокна.

Композиты или композиционные материалы представляют собой комбинацию материалов, которые обеспечивают различные физические характеристики, чем каждый материал по отдельности. Исследования композитных материалов в машиностроении обычно фокусируются 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 [ править ]

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. [68] Типичными электромеханическими датчиками, используемыми в мехатронике, являются тензорезисторы, термопары и датчики давления.

Нанотехнологии [ править ]

В мельчайших 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 нанофильтры, [69] нанофильмы, [70] и наноструктуры, [71] среди других.

Конечно-элементный анализ [ править ]

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. [72] 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 программные приложения, 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 [ править ]

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 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. [74] 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 метод 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. [75] Это привело к тому, что FE-моделирование стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, а в некоторых проектах даже была принята философия открытого исходного кода (например, BioSpine).

гидродинамика Вычислительная

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. [76] 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.

инженерия Акустическая

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. [77]

Связанные поля [ изменить ]

Промышленное машиностроение , аэрокосмическая техника , автомобилестроение и морское машиностроение иногда группируются с машиностроением. Степень бакалавра в этих областях обычно имеет разницу в несколько специализированных классов.

См. также [ править ]

Списки
Ассоциации
Викикниги

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Что такое машиностроение?» . 28 декабря 2018 г.
  2. ^ "машиностроение" . Словарь английского языка американского наследия (Четвертое изд.) . Проверено 19 сентября 2014 г.
  3. ^ "машиностроение" . Мерриам-Вебстера Словарь . Проверено 19 сентября 2014 г.
  4. ^ Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и промышленность: археологические свидетельства . Эйзенбрауны . ISBN  9781575060422 .
  5. ^ Транспорт . БПИ. п. 4. ISBN  9788184972436 . Архивировано из оригинала 22 марта 2023 года . Проверено 9 января 2021 г.
  6. ^ Митчелл Льюис Диткофф (май 2008 г.). Пробудитесь за рулем: воплощайте в жизнь свои великие идеи (в непростом мире) . Издательство Моргана Джеймса. п. 15. ISBN  9781600377709 .
  7. ^ YC Чиу (2010). Введение в историю управления проектами: с древнейших времен до 1900 года нашей эры . Эбурон. п. 24. ISBN  9789059724372 .
  8. ^ Шир, Вольфрам (2015). «Глава 5: Центральная и Восточная Европа» . У Фаулера, Крис; Хардинг, Ян; Хофманн, Даниэла (ред.). Оксфордский справочник по неолитической Европе . ОУП Оксфорд. п. 113. ИСБН  978-0-19-954584-1 .
  9. ^ Вейль, Дэвид (3 июня 2016 г.). Экономический рост - Дэвид Вейль - Google Книги . Рутледж. ISBN  9781315510446 . Архивировано из оригинала 22 марта 2023 года . Проверено 21 марта 2023 г.
  10. ^ Буллиет, Ричард В. (19 января 2016 г.). Изобретения и переосмысления колеса. Ричард В. Буллиет, стр. 98 (бакалавр и доктор философии Гарвардского университета) . Издательство Колумбийского университета. ISBN  9780231540612 . Архивировано из оригинала 22 марта 2023 года . Проверено 21 марта 2023 г.
  11. ^ Человек и рана в древнем мире. История военной медицины от Шумера до падения Константинополя. Ричард А. Габриэль, 65 страниц.
  12. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Пайпетис, SA; Чеккарелли, Марко (2010). Гений Архимеда - 23 века влияния на математику, науку и технику: материалы международной конференции, состоявшейся в Сиракузах, Италия, 8-10 июня 2010 г. Springer Science & Business Media . п. 416. ИСБН  9789048190911 .
  13. ^ Кларк, Сомерс; Энгельбах, Реджинальд (1990). Древнеегипетское строительство и архитектура . Курьерская компания . стр. 86–90. ISBN  9780486264851 .
  14. ^ Мури, Питер Роджер Стюарт (1999). Древние месопотамские материалы и промышленность: археологические свидетельства . Эйзенбрауны . п. 4 . ISBN  9781575060422 .
  15. ^ Г. Мохтар (1 января 1981 г.). Древние цивилизации Африки . ЮНЕСКО. Международный научный комитет по составлению всеобщей истории Африки. п. 309. ИСБН  9780435948054 . Проверено 19 июня 2012 г. - через Books.google.com.
  16. ^ Фриц Хинтце, Куш XI; стр. 222-224.
  17. ^ Хамфрис, Джейн; Чарльтон, Майкл Ф.; Кин, Джейк; Саудер, Ли; Альшишани, Фарид (2018). «Плавка железа в Судане: экспериментальная археология в королевском городе Мероэ» . Журнал полевой археологии . 43 (5): 399. дои : 10.1080/00934690.2018.1479085 . ISSN   0093-4690 .
  18. ^ Коллинз, Роберт О.; Бернс, Джеймс М. (8 февраля 2007 г.). История Африки к югу от Сахары . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521867467 – через Google Книги.
  19. ^ Эдвардс, Дэвид Н. (29 июля 2004 г.). Нубийское прошлое: археология Судана . Тейлор и Фрэнсис. ISBN  9780203482766 – через Google Книги.
  20. ^ Хамфрис Дж., Чарльтон М.Ф., Кин Дж., Саудер Л., Алшишани Ф. (июнь 2018 г.). «Плавка железа в Судане: экспериментальная археология в королевском городе Мероэ» . Журнал полевой археологии . 43 (5): 399–416. дои : 10.1080/00934690.2018.1479085 .
  21. ^ Депюйдт, Лео (1 января 1998 г.). «Гномоны в Мероэ и ранняя тригонометрия». Журнал египетской археологии . 84 : 171–180. дои : 10.2307/3822211 . JSTOR   3822211 .
  22. ^ Слейман, Эндрю (27 мая 1998 г.). «Неолитические наблюдатели за небом» . Архив журнала «Археология» . Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Проверено 17 апреля 2011 г.
  23. ^ Селин, Хелейн (2013). Энциклопедия истории науки, технологий и медицины в незападных культурах . Springer Science & Business Media . п. 282. ИСБН  9789401714167 .
  24. ^ Эфстатиу, Кириакос; Эфстатиу, Марианна (1 сентября 2018 г.). «Небесный редуктор: старейший известный компьютер — механизм, предназначенный для расчета местоположения Солнца, Луны и планет» . Машиностроение . 140 (9): 31–35. doi : 10.1115/1.2018-1 сентября . ISSN   0025-6501 .
  25. ^ «Александрийская цапля» . Британская энциклопедия 2010 . Проверено 9 мая 2010 г.
  26. ^ Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4 . Тайбэй: Caves Books, Ltd.
  27. ^ Лаквете, Анжела (2003). Изобретение хлопкоочистительной машины: машина и миф в довоенной Америке . Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. 1–6. ISBN  9780801873942 .
  28. ^ Пейси, Арнольд (1991) [1990]. Технологии в мировой цивилизации: тысячелетняя история (первое издание MIT Press в мягкой обложке). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. стр. 23–24.
  29. ^ Бабер, Захир (1996). Наука Империи: научные знания, цивилизация и колониальное правление в Индии . Олбани: Издательство Государственного университета Нью-Йорка. п. 57. ISBN   0-7914-2919-9 .
  30. ^ Ирфан Хабиб (2011), Экономическая история средневековой Индии, 1200–1500 , стр. 53 , Образование Пирсона
  31. ^ Марконелл, Миннесота (1996). Христиан Гюйгенс: иностранный изобретатель при дворе Людовика XIV, его роль предшественника машиностроения (докторская диссертация). Открытый университет.
  32. ^ Йодер, Дж. Г. (1996). «По следам геометрии: Математический мир Христиана Гюйгенса» . ДБНЛ . Проверено 30 августа 2021 г.
  33. ^ Саид, Ахмед (24 сентября 2019 г.). Вы могли бы стать победителем (Том II) . Публикация Санкальпа. ISBN  978-93-88660-66-2 .
  34. ^ «Инжиниринг» . Британская энциклопедия . Проверено 6 мая 2008 г.
  35. ^ Бьюкенен, РА (февраль 1985 г.). «Институциональное распространение в британских инженерных профессиях, 1847–1914». Обзор экономической истории . Новая серия. 38 (1): 42–60. дои : 10.1111/j.1468-0289.1985.tb00357.x .
  36. История ASME. Архивировано 23 февраля 2011 г. на Wikiwix. Проверено 6 мая 2008 г.
  37. ^ Энциклопедия Колумбии, шестое издание. 2001, инженер . Проверено 6 мая 2008 г.
  38. ^ Саид, Ахмед (24 сентября 2019 г.). Вы могли бы стать победителем (Том II) . Публикация Санкальпа. ISBN  978-93-88660-66-2 .
  39. ^ База данных аккредитованных инженерных программ ABET с возможностью поиска . Проверено 11 марта 2014 г.
  40. ^ Аккредитованные инженерные программы в Канаде Канадским советом профессиональных инженеров. Архивировано 10 мая 2007 года в Wayback Machine . Проверено 18 апреля 2007 г.
  41. ^ "Машиностроение" . Архивировано из оригинала 28 ноября 2011 года . Проверено 8 декабря 2011 г.
  42. ^ Саид, Ахмед (24 сентября 2019 г.). Вы могли бы стать победителем (Том II) . Публикация Санкальпа. ISBN  978-93-88660-66-2 .
  43. ^ Типы последипломных степеней, предлагаемых в Массачусетском технологическом институте. Архивировано 16 июня 2006 г. на Wayback Machine - по состоянию на 19 июня 2006 г.
  44. ^ Критерии ABET 2008-2009. Архивировано 28 февраля 2008 года в Wayback Machine , стр. 2008-2009. 15.
  45. ^ Обязательные курсы магистратуры Университета Талсы - бакалавриат по специальностям и несовершеннолетним. Архивировано 4 августа 2012 г. на archive.today . Департамент машиностроения Университета Талсы, 2010 г. Дата обращения 17 декабря 2010 г.
  46. Страница Гарвардского машиностроения. Архивировано 21 марта 2007 г. в Wayback Machine . Гарвард.edu. Проверено 19 июня 2006 г.
  47. ^ Курсы машиностроения , Массачусетский технологический институт. Проверено 14 июня 2008 г.
  48. ^ «Навыки работы будущего 2020» . Архивировано из оригинала 4 ноября 2011 года . Проверено 5 ноября 2012 г. . Исследовательский институт Аполлона, Навыки будущей работы 2020. Проверено 5 ноября 2012 г.
  49. ^ «Зачем нам креативность и инновации в высшем образовании? | Фабрика дизайна Аалто» . Архивировано из оригинала 16 ноября 2012 года . Проверено 5 ноября 2012 г. Инженерный факультет Университета Аалто, Проектная фабрика – Блог исследователей. Проверено 5 ноября 2012 г.
  50. ^ Саид, Ахмед (24 сентября 2019 г.). Вы могли бы стать победителем (Том II) . Публикация Санкальпа. ISBN  978-93-88660-66-2 .
  51. ^ «Зачем получать лицензию?» . Национальное общество профессиональных инженеров . Проверено 6 мая 2008 г.
  52. ^ «Закон об инженерах» . Законодательные акты и правила Квебека (CanLII) . Архивировано из оригинала 5 октября 2006 года . Проверено 24 июля 2005 г.
  53. ^ «Кодексы этики и поведения» . Интернет-центр этики . Архивировано из оригинала 19 июня 2005 года . Проверено 24 июля 2005 г.
  54. ^ «Национальные оценки занятости и заработной платы за май 2015 года» . Министерство труда США, Бюро статистики труда . Проверено 3 марта 2017 г.
  55. ^ Профессиональная занятость и заработная плата, 17-2141 Инженеры-механики . Бюро труда США, май 2012 г. Проверено 15 февраля 2014 г.
  56. ^ Инженеры-механики . Бюро статистики труда США, 17 декабря 2015 г. Дата обращения 3 марта 2017 г.
  57. ^ «Издание 2010–11, Инженеры». Архивировано 19 февраля 2006 года в Wayback Machine . Бюро статистики труда, Министерство труда США, Справочник по профессиональным перспективам. Проверено 9 мая 2010 г.
  58. ^ Примечание: механику жидкости можно разделить на статику жидкости и динамику жидкости, и она сама является субдисциплиной механики сплошной среды. Применение механики жидкости в технике называется гидравликой и пневматикой .
  59. ^ Болтон, В. Мехатроника. Пирсон; 6-е изд. издание, 2015 г. ISBN 9781292076683.
  60. ^ «Глава 8. Неудача» . Вирджиния.edu . Проверено 9 сентября 2018 г.
  61. ^ На сайте ASM International множество документов, таких как справочников ASM серия . Архивировано 1 сентября 2007 года в Wayback Machine . АСМ Интернешнл .
  62. ^ «Термодинамика» . grc.nasa.gov . Проверено 9 сентября 2018 г.
  63. ^ «Применение законов термодинамики. Циклы Карно, Стирлинга, Эрикссона, Дизеля» . Брайтхаб Инжиниринг . 10 июня 2009 года . Проверено 9 сентября 2018 г.
  64. ^ «СОЛИДВОРКС 3D CAD» . СОЛИДВОРС . 27 ноября 2017 г. Проверено 9 сентября 2018 г.
  65. ^ «Достижения в области сварки трением с перемешиванием для аэрокосмической отрасли» (PDF) . Проверено 12 августа 2017 г.
  66. ^ Номер предложения: 08-1 A1.02-9322 - НАСА, 2008 СБИР.
  67. ^ «Военное применение» . Архивировано из оригинала 31 января 2019 года . Проверено 15 декабря 2009 г.
  68. ^ «Что такое технология мехатроники?» . ecpi.edu . 19 октября 2017 г. Проверено 9 сентября 2018 г.
  69. ^ Нильсен, Кайл. (2011) «Разработка сосуда для испытаний фильтров низкого давления и анализ электроформованных нановолоконных мембран для очистки воды»
  70. ^ Механическая характеристика алюминиевых нанопленок , Микроэлектронная инженерия, том 88, выпуск 5, май 2011 г., стр. 844–847.
  71. ^ «Колумбийская нано-инициатива» .
  72. ^ Ся, Тин (3 февраля 2003 г.). «Введение в анализ методом конечных элементов (FEA)» (PDF) . УИОВА Инжиниринг . Архивировано из оригинала (PDF) 30 августа 2017 года . Проверено 4 сентября 2018 г.
  73. ^ Александр, Р. Макнил (2005). «Механика движения животных» . Современная биология . 15 (16): Р616–Р619. дои : 10.1016/j.cub.2005.08.016 . ПМИД   16111929 . S2CID   14032136 .
  74. ^ Демпстер, Коулман (15 августа 1960 г.). «Прочность кости на растяжение вдоль и поперек волокон». Журнал прикладной физиологии . 16 (2): 355–360. дои : 10.1152/яп.1961.16.2.355 . ПМИД   13721810 .
  75. ^ Цукнидас А., Саввакис С., Асаниотис Ю., Анагностидис К., Лонтос А., Михайлидис Н. (2013) Влияние параметров кифопластики на передачу динамической нагрузки в поясничном отделе позвоночника с учетом реакции биореалистичного сегмента позвоночника. Клиническая биомеханика 28 (9–10), стр. 949–955.
  76. ^ «Что такое CFD | Вычислительная гидродинамика? — Документация SimScale» . www.simscale.com . Проверено 9 сентября 2018 г.
  77. ^ «Какова должностная инструкция инженера-акустика?» . Learn.org .

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5f4f7bbabf51227e6eabca0c59cb227d__1718007060
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5f/7d/5f4f7bbabf51227e6eabca0c59cb227d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Mechanical engineering - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)