مهندسی مکانیک
مهندسی مکانیک یک شاخه مهندسی است که اصول فیزیک مهندسی و ریاضیات را با علم مواد برای طراحی ، تجزیه و تحلیل ، ساخت و نگهداری سیستم های مکانیکی ترکیب می کند. [۱] این یکی از قدیمی ترین و گسترده ترین شاخه های مهندسی است.
رشته مهندسی مکانیک مستلزم درک زمینه های اصلی شامل مکانیک ، دینامیک ، ترمودینامیک ، علم مواد ، تجزیه و تحلیل سازه و برق است. علاوه بر این اصول اساسی ، مهندسان مکانیک از ابزارهایی مانند طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) ، تولید به کمک کامپیوتر (CAM) و مدیریت چرخه عمر محصول برای طراحی و تجزیه و تحلیل کارخانه های تولیدی ، تجهیزات و ماشین آلات صنعتی ، سیستم های گرمایش و سرمایش استفاده می کنند. سیستم های حمل و نقل ، هواپیما ، کشتی های آبی ، روباتیک ، تجهیزات پزشکی ، سلاح و سایر موارد. این شاخه ای از مهندسی است که شامل طراحی ، تولید و عملکرد ماشین آلات می شود.
مهندسی مکانیک به عنوان یک رشته در طول انقلاب صنعتی در اروپا در قرن ۱۸ ظاهر شد. با این حال ، توسعه آن را می توان چندین هزار سال پیش در سراسر جهان دنبال کرد. در قرن نوزدهم ، پیشرفت های فیزیک منجر به توسعه علم مهندسی مکانیک شد. این زمینه به طور مداوم تکامل یافته است تا پیشرفت هایی را در بر گیرد. امروزه مهندسان مکانیک پیشرفت هایی را در زمینه هایی مانند کامپوزیت ، مکاترونیک و فناوری نانو دنبال می کنند. همچنین با مهندسی هوافضا ، مهندسی متالورژی ، مهندسی عمران ، مهندسی برق ، مهندسی تولید ، مهندسی شیمی ، مهندسی صنایع و سایر رشته های مهندسی همپوشانی زیادی دارد. مهندسان مکانیک همچنین ممکن است در زمینه مهندسی پزشکی ، به ویژه با بیومکانیک ، پدیده های حمل و نقل ، بیومکاترونیک ، بیوانوتکنولوژی و مدل سازی سیستم های بیولوژیکی کار کنند.
تاریخچه
کاربرد مهندسی مکانیک را می توان در آرشیو جوامع مختلف باستانی و قرون وسطایی مشاهده کرد. شش ماشین ساده کلاسیک در شرق نزدیک باستان شناخته شده بودند. گوه و صفحه شیب دار (رمپ) از دوران ماقبل تاریخ شناخته شده بود. چرخ ، همراه با چرخ و مکانیزم محور ، در بین هزاران پنجم قبل از میلاد در بین النهرین (عراق امروزی) اختراع شد. مکانیسم اهرم برای اولین بار در حدود ۵۰۰۰ سال پیش در شرق نزدیک ظاهر شد ، جایی که در مقیاس تعادل ساده و برای جابجایی اجسام بزرگ در فناوری مصر باستان مورد استفاده قرار گرفت.
این اهرم همچنین در دستگاه برداشت آب سایه ، اولین دستگاه جرثقیل ، که در بین النهرین در حدود ۳۰۰۰ قبل از میلاد ظاهر شد ، استفاده شد.قدمت اولیه قرقره ها به بین النهرین در اوایل هزاره دوم قبل از میلاد باز می گردد.
ساکیا در قرن ۴ قبل از میلاد در پادشاهی کوش توسعه یافت. این به قدرت حیوانات متکی بود که نیروی مورد نیاز انسان را کاهش می داد.مخازنی به شکل حفیر در کوش برای ذخیره آب و افزایش آبیاری ایجاد شده است. بلومری و کوره بلند در طول قرن هفتم قبل از میلاد در مرو توسعه یافت.ساعت های آفتابی کوشی از ریاضیات به شکل مثلثات پیشرفته استفاده کردند.
اولین ماشینهای کاربردی با نیروی آبی ، چرخ آب و آسیاب آسیایی ، اولین بار در اوایل قرن چهارم قبل از میلاد در امپراتوری ایران ، در مناطق کنونی عراق و ایران ظاهر شد. در یونان باستان ، آثار ارشمیدس (۲۸۷-۲۱۲ قبل از میلاد) بر مکانیک در سنت غربی تأثیر گذاشت. در مصر رومی ، هرون اسکندریه (حدود ۱۰–۷۰ بعد از میلاد) اولین دستگاه با نیروی بخار (Aeolipile) را ایجاد کرد. در چین ، ژانگ هنگ (۷۸-۱۳۹ بعد از میلاد) ساعت آب را بهبود بخشید و لرزه سنج ابداع کرد و ما جون (۲۰۰-۲۶۵ میلادی) ارابه ای با دنده های دیفرانسیل اختراع کرد.
سو سونگ ، فال شناس و مهندس قرون وسطایی (۱۰۲۰-۱۱۰۱ بعد از میلاد) دو قرن قبل از اینکه وسایل فرار در ساعت های اروپایی قرون وسطی پیدا شود ، مکانیزم فرار را در برج ساعت نجومی خود وارد کرد. او همچنین اولین محرک زنجیره ای انتقال قدرت بی پایان در جهان را اختراع کرد.
در دوران طلایی اسلامی (قرن هفتم تا پانزدهم) ، مخترعان مسلمان سهم قابل توجهی در زمینه فناوری مکانیکی داشتند. الجزاری ، که یکی از آنها بود ، کتاب معروف دستگاه های مبتکرانه خود را در ۱۲۰۶ نوشت و طرح های مکانیکی زیادی ارائه کرد. الجزاری همچنین اولین فرد شناخته شده ای است که دستگاه هایی مانند میل لنگ و میل بادامک را ایجاد کرده است که در حال حاضر اساس بسیاری از مکانیزم ها را تشکیل می دهد.
در قرن ۱۷ ، پیشرفتهای مهمی در مبانی مهندسی مکانیک در انگلستان و قاره رخ داد. کریستیان هویگنس ریاضیدان و فیزیکدان هلندی در سال ۱۶۵۷ ساعت آونگ را اختراع کرد که اولین زمان سنج زمان سنج بود و تقریباً ۳۰۰ سال بود و اثری را به طرح ساعت و نظریه پشت آنها اختصاص داد.در انگلستان ، اسحاق نیوتن قوانین حرکت نیوتن را تدوین کرد و محاسبه ای را توسعه داد که مبنای ریاضی فیزیک می شود. نیوتن سالها تمایلی به انتشار آثار خود نداشت ، اما سرانجام توسط همکارانش ، مانند ادموند هالی ، متقاعد شد که این کار را انجام دهد. گوتفرید ویلهلم لایب نیتز نیز در این دوره زمانی به توسعه حساب می پردازد.
در اوایل انقلاب صنعتی قرن نوزدهم ، ماشین آلات در انگلستان ، آلمان و اسکاتلند توسعه یافت. این امر باعث شد مهندسی مکانیک به عنوان یک رشته جداگانه در مهندسی توسعه یابد. آنها ماشینهای تولیدی و موتورهای مورد نیاز خود را با خود آوردند. اولین انجمن حرفه ای مهندسان مکانیک بریتانیا در سال ۱۸۴۷ در موسسه مهندسان مکانیک ، سی سال پس از تشکیل اولین مهندسین عمران از جمله انجمن مهندسان عمران ، تشکیل شد.در قاره اروپا ، یوهان فون زیمرمن (۱۸۲۰-۱۹۰۱) اولین کارخانه ماشین آلات سنگ زنی را در کمنیتس ، آلمان در سال ۱۸۴۸ تاسیس کرد.
در ایالات متحده ، انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) در سال ۱۸۸۰ تشکیل شد و سومین انجمن مهندسی حرفه ای پس از انجمن مهندسان عمران آمریکا (۱۸۵۲) و موسسه مهندسان معدن آمریکا (۱۸۷۱) شد. اولین مدارس در ایالات متحده که آموزش مهندسی ارائه می دهند ، آکادمی نظامی ایالات متحده در سال ۱۸۱۷ بود ، موسسه ای که در حال حاضر به عنوان دانشگاه نورویچ در ۱۸۱۹ شناخته می شود ، و موسسه پلی تکنیک رنسلر در ۱۸۲۵٫ آموزش مهندسی مکانیک از لحاظ تاریخی بر اساس یک پایه قوی استوار بوده است. در ریاضیات و علوم.
تحصیلات
رشته های مهندسی مکانیک در دانشگاه های مختلف جهان ارائه می شود. برنامه های مهندسی مکانیک به طور معمول چهار تا پنج سال تحصیل بسته به محل و دانشگاه طول می کشد و منجر به لیسانس مهندسی (B.Eng. یا BE) ، لیسانس علوم (کارشناسی یا کارشناسی) ، کارشناسی مهندسی علوم ( کارشناسی مهندسی) ، لیسانس فناوری (B.Tech.) ، لیسانس مهندسی مکانیک (BME) ، یا لیسانس علوم کاربردی (BASc.) ، یا با تأکید در مهندسی مکانیک. در اسپانیا ، پرتغال و بیشتر آمریکای جنوبی ، جایی که نه B.S. و نه B.Tech. برنامه ها به تصویب رسیده است ، نام رسمی مدرک “مهندس مکانیک” است ، و کار دوره بر اساس پنج یا شش سال آموزش است. در ایتالیا کار دوره بر اساس پنج سال تحصیل و آموزش است ، اما برای واجد شرایط بودن به عنوان مهندس ، باید در پایان دوره امتحان دولتی را بگذرانید. در یونان ، دوره های آموزشی بر اساس برنامه درسی پنج ساله و الزامات پایان نامه “دیپلم” است ، که پس از اتمام یک “دیپلم” به جای مدرک کارشناسی اعطا می شود.
در ایالات متحده ، اکثر برنامه های مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی توسط هیئت اعتباربخشی مهندسی و فناوری (ABET) تأیید می شود تا الزامات و استانداردهای دوره مشابه را در بین دانشگاه ها تضمین کند. وب سایت ABET 302 برنامه مهندسی مکانیک معتبر را تا ۱۱ مارس ۲۰۱۴ فهرست کرده است. برنامه های مهندسی مکانیک در کانادا توسط هیئت اعتباربخشی مهندسی کانادا (CEAB) تأیید شده است و اکثر کشورهایی که مدرک مهندسی ارائه می دهند دارای جوامع معتبر مشابه هستند.
در استرالیا ، درجه مهندسی مکانیک به عنوان لیسانس مهندسی (مکانیک) یا نامگذاری مشابه اعطا می شود ، هرچند تعداد تخصص ها افزایش می یابد. برای دستیابی به این مدرک ، چهار سال تحصیل تمام وقت طول می کشد. برای اطمینان از کیفیت در مقاطع مهندسی ، مهندسان استرالیا مدارک مهندسی اعطا شده توسط دانشگاه های استرالیا مطابق با توافق جهانی واشنگتن را تأیید می کنند. قبل از اعطای مدرک ، دانشجو باید حداقل ۳ ماه سابقه کار در یک شرکت مهندسی را گذرانده باشد. سیستم های مشابهی نیز در آفریقای جنوبی وجود دارد و توسط شورای مهندسی آفریقای جنوبی (ECSA) نظارت می شود.
در هند ، برای مهندس شدن ، باید مدرک مهندسی مانند B.Tech یا BE داشته باشید ، دیپلم مهندسی داشته باشید یا با گذراندن دوره ای در تجارت مهندسی مانند سازنده از موسسه آموزش صنعتی (ITIs) برای دریافت یک “گواهینامه تجاری ITI” و همچنین گذراندن آزمون تجارت جهانی (AITT) با تجارت مهندسی که توسط شورای ملی آموزش حرفه ای (NCVT) انجام شده است و توسط آن “گواهینامه تجارت ملی” دریافت می شود. سیستم مشابهی در نپال استفاده می شود.
برخی از مهندسان مکانیک تحصیلات تکمیلی خود را ادامه می دهند مانند کارشناسی ارشد مهندسی ، کارشناسی ارشد فناوری ، کارشناسی ارشد علوم ، کارشناسی ارشد مدیریت مهندسی (M.Eng.Mgt. یا MEM) ، دکترای فلسفه در مهندسی (Eng.D یا مدرک دکتری) یا مدرک مهندسی. مدارک کارشناسی ارشد و مهندس ممکن است شامل تحقیق باشد یا نباشد. دکتر فلسفه شامل یک جزء تحقیقاتی مهم است و اغلب به عنوان نقطه ورود به دانشگاه تلقی می شود. [۳۳] مدرک مهندس در چند موسسه در سطح متوسط بین کارشناسی ارشد و دکترا وجود دارد.
دوره های آموزشی
استانداردهای تعیین شده توسط انجمن اعتباربخشی هر کشور به منظور ایجاد یکنواختی در مطالب موضوعی اساسی ، ارتقای شایستگی در میان مهندسان فارغ التحصیل و حفظ اعتماد به نفس در حرفه مهندسی به طور کلی است. به عنوان مثال ، برنامه های مهندسی در ایالات متحده توسط ABET مورد نیاز است تا نشان دهد که دانشجویان آنها می توانند “به طور حرفه ای در هر دو سیستم سیستم های حرارتی و مکانیکی کار کنند.” بسته به دانشکده موجود و حوزه اصلی (های) تحقیق دانشگاه ، دانشگاه ها و م Institسسات فناوری اغلب چندین موضوع را در یک کلاس واحد ترکیب می کنند یا یک موضوع را به چند کلاس تقسیم می کنند.
موضوعات اساسی مورد نیاز برای مهندسی مکانیک معمولاً شامل موارد زیر است:
- ریاضیات (به ویژه حساب ، معادلات دیفرانسیل و جبر خطی)
- علوم پایه فیزیکی (از جمله فیزیک و شیمی)
- استاتیک و پویایی
- استحکام مواد و مکانیک جامدات
- مهندسی مواد ، کامپوزیت
- ترمودینامیک ، انتقال حرارت ، تبدیل انرژی و HVAC
- سوخت ، احتراق ، موتور احتراق داخلی
- مکانیک سیالات (شامل استاتیک سیالات و دینامیک سیالات)
- مکانیزم و طراحی ماشین (شامل سینماتیک و دینامیک)
- ابزار دقیق و اندازه گیری
- مهندسی ، فناوری یا فرآیندهای تولید
- ارتعاش ، نظریه کنترل و مهندسی کنترل
- هیدرولیک و پنوماتیک
- مکاترونیک و رباتیک
طراحی مهندسی و طراحی محصول
پیش نویس ، طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) و ساخت به کمک کامپیوتر (CAM)
از مهندسان مکانیک نیز انتظار می رود که مفاهیم اولیه شیمی ، فیزیک ، تریبولوژی ، مهندسی شیمی ، مهندسی عمران و مهندسی برق را بفهمند و بتوانند از آنها استفاده کنند. همه برنامه های مهندسی مکانیک شامل ترم های متعدد از کلاس های ریاضی از جمله حسابداری و مفاهیم ریاضی پیشرفته شامل معادلات دیفرانسیل ، معادلات دیفرانسیل جزئی ، جبر خطی ، جبر انتزاعی و هندسه دیفرانسیل و سایر موارد است.
علاوه بر برنامه درسی اصلی مهندسی مکانیک ، بسیاری از برنامه های مهندسی مکانیک برنامه ها و کلاسهای تخصصی تری را ارائه می دهند ، مانند سیستم های کنترل ، رباتیک ، حمل و نقل و تدارکات ، سرمازدایی ، فناوری سوخت ، مهندسی خودرو ، بیومکانیک ، ارتعاش ، اپتیک و سایر موارد ، در صورت جداگانه گروه برای این موضوعات وجود ندارد.
اغلب برنامه های مهندسی مکانیک به مقادیر متفاوتی از تحقیقات یا پروژه های اجتماعی برای کسب تجربه عملی حل مسئله نیاز دارند. در ایالات متحده معمول است که دانشجویان مهندسی مکانیک یک یا چند دوره کارآموزی را در حین تحصیل بگذرانند ، اگرچه این به طور معمول توسط دانشگاه اجباری نیست. آموزش مشارکتی گزینه دیگری است. تحقیقات مهارتهای کاری آینده تقاضا برای اجزای مطالعه دارد که خلاقیت و نوآوری دانش آموزان را تغذیه می کند.
وظایف کاری
مهندسان مکانیک در حال تحقیق ، طراحی ، توسعه ، ساخت و آزمایش دستگاه های مکانیکی و حرارتی ، از جمله ابزار ، موتور و ماشین آلات هستند.
مهندسان مکانیک معمولاً موارد زیر را انجام می دهند:
مشکلات را تجزیه و تحلیل کنید تا ببینید چگونه دستگاه های مکانیکی و حرارتی ممکن است به حل مشکل کمک کند.
طراحی یا طراحی مجدد دستگاه های مکانیکی و حرارتی با استفاده از تجزیه و تحلیل و طراحی به کمک رایانه.
توسعه و آزمایش نمونه های اولیه دستگاه هایی که طراحی می کنند.
نتایج آزمایش را تجزیه و تحلیل کرده و در صورت نیاز طرح را تغییر دهید.
بر روند تولید دستگاه نظارت کنید.
تیمی از متخصصان را در زمینه های تخصصی مانند طراحی و طراحی مکانیکی ، نمونه سازی ، چاپ سه بعدی یا/و ماشین های CNC مدیریت کنید.
مهندسان مکانیک بر تولید بسیاری از محصولات اعم از دستگاه های پزشکی تا باتری های جدید طراحی و نظارت می کنند. آنها همچنین ماشین آلات تولید نیرو مانند ژنراتورهای الکتریکی ، موتورهای احتراق داخلی و توربین های بخار و گاز و همچنین ماشین های مصرف برق مانند سیستم های تبرید و تهویه مطبوع را طراحی می کنند.
مانند سایر مهندسان ، مهندسان مکانیک از رایانه برای کمک به ایجاد و تجزیه و تحلیل طرح ها ، اجرای شبیه سازی ها و آزمایش نحوه عملکرد یک ماشین استفاده می کنند.
مجوز و مقررات
مهندسان ممکن است از دولت ایالتی ، استانی یا ملی مجوز بگیرند. هدف از این فرایند اطمینان از این است که مهندسان از دانش فنی لازم ، تجربه در دنیای واقعی و دانش از سیستم حقوقی محلی برای تمرین مهندسی در سطح حرفه ای برخوردارند. پس از اخذ مجوز ، به مهندس عنوان مهندس حرفه ای (ایالات متحده ، کانادا ، ژاپن ، کره جنوبی ، بنگلادش و آفریقای جنوبی) ، مهندس متخصص (در انگلستان ، ایرلند ، هند و زیمبابوه) ، مهندس حرفه ای (در استرالیا) داده می شود. و نیوزلند) یا مهندس اروپایی (بیشتر اتحادیه اروپا).
در ایالات متحده ، برای تبدیل شدن به یک مهندس حرفه ای مجاز (PE) ، یک مهندس باید امتحان جامع FE (اصول مهندسی) را بگذراند ، حداقل ۴ سال به عنوان کارآموز مهندسی (EI) یا مهندس در حال آموزش (EIT) کار کند. ، و امتحانات “اصول و عمل” یا PE (مهندس تمرین کننده یا مهندس حرفه ای) را بگذرانید. الزامات و مراحل این فرآیند توسط شورای ملی آزمایشگران مهندسی و نقشه برداری (NCEES) ، متشکل از هیئت های مجوز مهندسی و نقشه برداری زمین که نماینده تمام ایالت ها و سرزمین های ایالات متحده است ، تعیین شده است.
در انگلستان ، فارغ التحصیلان فعلی نیاز به یک BEng به همراه یک مدرک کارشناسی ارشد مناسب یا یک مدرک MEng یکپارچه ، حداقل ۴ سال پس از فارغ التحصیلی در زمینه توسعه شایستگی شغلی و گزارش پروژه مورد بررسی برای تبدیل شدن به یک مهندس مکانیک مجاز (CEng ، MIMechE) از طریق موسسه مهندسان مکانیک CEng MIMechE را می توان از طریق یک مسیر معاینه که توسط موسسه City and Guilds of London اداره می شود نیز بدست آورد.
در اکثر کشورهای توسعه یافته ، برخی از وظایف مهندسی ، مانند طراحی پل ها ، نیروگاه های برق و کارخانه های شیمیایی ، باید توسط مهندس حرفه ای یا مهندس مجرب تأیید شود. “به عنوان مثال ، فقط یک مهندس دارای مجوز می تواند برنامه ها و نقشه های مهندسی را برای تأیید ، یا امضاء ، مهر و موم و ارائه خدمات مهندسی برای مشتریان دولتی و خصوصی آماده ، امضا ، مهر و موم کند.” [۴۱] این الزام را می توان به صورت دولتی نوشت. و قوانین استانی ، مانند استانهای کانادا ، به عنوان مثال قانون مهندسی انتاریو یا کبک. [۴۲]
در کشورهای دیگر مانند استرالیا و انگلستان چنین قانونی وجود ندارد. با این حال ، عملاً همه سازمانهای تأیید کننده دارای یک کد اخلاقی مستقل از قوانین هستند ، که انتظار دارند همه اعضا به آن پایبند باشند یا خطر اخراج را داشته باشند.
آزمون FE ، مهندس حرفه ای ، مهندس گنجانیده ، واشنگتن آکورد ، و مقررات و مجوز در مهندسی
حقوق و دستمزد و آمار نیروی کار
تعداد کل مهندسین شاغل در ایالات متحده در سال ۲۰۱۵ تقریبا ۱٫۶ میلیون نفر بود. از این تعداد ، ۲۷۸۳۴۰ مهندس مکانیک (۱۷٫۲۸٪) بودند که بزرگترین رشته از نظر اندازه بودند. [۴۴] در سال ۲۰۱۲ ، متوسط درآمد سالانه مهندسان مکانیک در نیروی کار ایالات متحده ۸۰،۵۸۰ دلار بود. میانگین درآمد هنگام کار در دولت (۹۲،۰۳۰ دلار) بیشترین و در آموزش (۵۷،۰۹۰ دلار) کمترین بود. [۴۵] در سال ۲۰۱۴ ، تعداد کل مشاغل مهندسی مکانیک در دهه آینده ۵ درصد رشد می کرد. [۴۶] از سال ۲۰۰۹ ، متوسط حقوق اولیه ۵۸۸۰۰ دلار با مدرک لیسانس بود. [۴۷]
زیر شاخه ها
رشته مهندسی مکانیک را می توان مجموعه ای از بسیاری از رشته های علوم مهندسی مکانیک دانست. چند مورد از این رشته های فرعی که معمولاً در مقطع کارشناسی تدریس می شوند ، در زیر با توضیح مختصر و رایج ترین کاربرد هر یک ذکر شده است. برخی از این زیر رشته ها مختص مهندسی مکانیک هستند ، در حالی که برخی دیگر ترکیبی از مهندسی مکانیک و یک یا چند رشته دیگر هستند. بیشتر کارهایی که یک مهندس مکانیک انجام می دهد از مهارت ها و تکنیک های چندین رشته فرعی و همچنین زیر رشته های تخصصی استفاده می کند. زیر شاخه های تخصصی ، همانطور که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته است ، بیشتر از تحقیقات کارشناسی ، موضوع تحصیلات تکمیلی یا آموزش حین کار است. چندین رشته فرعی تخصصی در این بخش مورد بحث قرار گرفته است.
مکانیک
مکانیک در کلی ترین معنا ، مطالعه نیروها و تأثیر آنها بر ماده است. به طور معمول ، مکانیک مهندسی برای تجزیه و تحلیل و پیش بینی شتاب و تغییر شکل (اعم از الاستیک و پلاستیک) اجسام تحت نیروهای شناخته شده (که بارها نیز نامیده می شوند) یا تنش ها استفاده می شود. زیر شاخه های مکانیک شامل
استاتیک ، مطالعه اجسام غیر متحرک تحت بارهای شناخته شده ، نحوه تأثیر نیروها بر اجسام ساکن
دینامیک مطالعه نحوه تأثیر نیروها بر اجسام متحرک است. دینامیک شامل سینماتیک (در مورد حرکت ، سرعت و شتاب) و سینتیک (در مورد نیروها و شتابهای حاصله) است.
مکانیک مواد ، مطالعه چگونگی تغییر شکل مواد مختلف در انواع مختلف تنش
مکانیک سیالات ، مطالعه نحوه واکنش سیالات به نیروها
سینماتیک ، مطالعه حرکت اجسام (اجسام) و سیستمها (گروههای اجسام) ، در حالی که نیروهای ایجاد کننده حرکت را نادیده می گیرد. سینماتیک اغلب در طراحی و تحلیل مکانیسم ها استفاده می شود.
مکانیک پیوسته ، روشی برای استفاده از مکانیک که فرض می کند که اجسام پیوسته هستند (و نه گسسته)
مهندسان مکانیک معمولاً از مکانیک در مراحل طراحی یا تحلیل مهندسی استفاده می کنند. اگر پروژه مهندسی طراحی یک وسیله نقلیه بود ، ممکن است از استاتیک برای طراحی قاب خودرو استفاده شود تا ارزیابی شود که تنش ها در کجا شدیدتر خواهد بود. هنگام طراحی موتور خودرو ، از دینامیک برای ارزیابی نیروهای موجود در پیستون ها و بادامک ها در چرخه موتور استفاده می شود. ممکن است از مکانیک مواد برای انتخاب مواد مناسب برای قاب و موتور استفاده شود. مکانیک سیالات ممکن است برای طراحی سیستم تهویه برای خودرو (HVAC) و یا طراحی سیستم ورودی موتور استفاده شود.
مکاترونیک و رباتیک
مکاترونیک ترکیبی از مکانیک و الکترونیک است. این یک شاخه بین رشته ای از مهندسی مکانیک ، مهندسی برق و مهندسی نرم افزار است که با ادغام مهندسی برق و مکانیک برای ایجاد سیستم های اتوماسیون ترکیبی در ارتباط است. به این ترتیب ، ماشین ها را می توان با استفاده از موتورهای الکتریکی ، سرو مکانیسم ها و سایر سیستم های الکتریکی همراه با نرم افزارهای خاص خودکار کرد. یک نمونه رایج از سیستم مکاترونیک درایو CD-ROM است. سیستم های مکانیکی درایو را باز و بسته می کنند ، سی دی را می چرخانند و لیزر را حرکت می دهند ، در حالی که یک سیستم نوری اطلاعات روی سی دی را می خواند و آن را به بیت تبدیل می کند. نرم افزار یکپارچه فرآیند را کنترل می کند و محتویات CD را به کامپیوتر منتقل می کند.
روباتیک کاربرد مکاترونیک برای ایجاد روبات است که اغلب در صنعت برای انجام وظایف خطرناک ، ناخوشایند یا تکراری استفاده می شود. این روبات ها ممکن است از هر شکل و اندازه باشند ، اما همه آنها از قبل برنامه ریزی شده اند و از نظر فیزیکی با جهان تعامل دارند. برای ایجاد ربات ، یک مهندس معمولاً از سینماتیک (برای تعیین دامنه حرکتی ربات) و مکانیک (برای تعیین تنش های درون ربات) استفاده می کند.
روبات ها در مهندسی اتوماسیون صنعتی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. آنها به مشاغل اجازه می دهند در کار خود صرفه جویی کنند ، وظایفی را انجام دهند که برای افراد بسیار خطرناک یا بسیار دقیق است تا بتوانند از نظر اقتصادی آنها را انجام دهند و از کیفیت بهتر اطمینان حاصل کنند. بسیاری از شرکت ها از خطوط مونتاژ روبات ها استفاده می کنند ، به ویژه در صنایع خودروسازی و برخی از کارخانه ها به قدری روباتیک هستند که می توانند به تنهایی اداره شوند. در خارج از کارخانه ، روبات ها در تخلیه بمب ، اکتشافات فضایی و بسیاری از زمینه های دیگر به کار گرفته شده اند. روبات ها همچنین برای برنامه های مختلف مسکونی ، از تفریح تا برنامه های داخلی به فروش می رسند.
تجزیه و تحلیل ساختاری
تجزیه و تحلیل ساختار شاخه ای از مهندسی مکانیک (و همچنین مهندسی عمران) است که به بررسی چرایی و چگونگی خرابی اجسام و رفع اشیاء و عملکرد آنها اختصاص داده شده است. خرابی های ساختاری در دو حالت کلی رخ می دهد: خرابی استاتیک و شکست خستگی. خرابی سازه ای زمانی رخ می دهد که بسته به معیار خرابی ، هنگام بارگیری (با اعمال نیرو) شی مورد تجزیه و تحلیل یا بشکند یا از نظر پلاستیکی تغییر شکل دهد. شکست خستگی زمانی اتفاق می افتد که یک جسم پس از تعدادی چرخه بارگیری و بارگیری مکرر از کار می افتد.
شکست خستگی به دلیل نقص در جسم رخ می دهد: به عنوان مثال ، یک شکاف میکروسکوپی در سطح جسم با هر چرخه (انتشار) کمی رشد می کند تا زمانی که ترک به اندازه کافی بزرگ شود که باعث شکست نهایی شود.
شکست به این معنا نیست که قطعه خراب شود. زمانی تعریف می شود که یک قطعه آنطور که در نظر گرفته شده عمل نکند. برخی از سیستم ها ، مانند قسمت های بالای سوراخ شده برخی کیسه های پلاستیکی ، برای شکستن طراحی شده اند. اگر این سیستم ها خراب نشوند ، ممکن است از تجزیه و تحلیل خرابی برای تعیین علت استفاده شود.
مهندسان مکانیک اغلب پس از وقوع خرابی یا هنگام طراحی برای جلوگیری از خرابی ، از تجزیه و تحلیل سازه ها استفاده می کنند. مهندسان اغلب از اسناد و کتابهای آنلاین مانند کتابهای منتشر شده توسط ASM برای کمک به آنها در تعیین نوع خرابی و علل احتمالی استفاده می کنند.
هنگامی که نظریه روی یک طرح مکانیکی اعمال می شود ، آزمایش فیزیکی اغلب برای تأیید نتایج محاسبه شده انجام می شود. تجزیه و تحلیل سازه ای ممکن است در یک دفتر هنگام طراحی قطعات ، در زمینه برای تجزیه و تحلیل قطعات خراب ، یا در آزمایشگاههایی که قطعات ممکن است تحت آزمایش کنترل خرابی قرار گیرند ، مورد استفاده قرار گیرد.
ترمودینامیک و علم گرما
ترمودینامیک یک علم کاربردی است که در چندین شاخه مهندسی از جمله مهندسی مکانیک و شیمی مورد استفاده قرار می گیرد. در ساده ترین حالت ، ترمودینامیک مطالعه انرژی ، استفاده و تبدیل آن از طریق یک سیستم است. به طور معمول ، ترمودینامیک مهندسی مربوط به تغییر انرژی از شکلی به شکل دیگر است. به عنوان مثال ، موتورهای خودرو انرژی شیمیایی (آنتالپی) را از سوخت به گرما و سپس به کار مکانیکی تبدیل می کنند که در نهایت چرخ ها را می چرخاند.
اصول ترمودینامیکی توسط مهندسان مکانیک در زمینه های انتقال حرارت ، ترموسیالات و تبدیل انرژی استفاده می شود. مهندسان مکانیک از علم گرما برای طراحی موتورها و نیروگاه ها ، سیستم های گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) ، مبدل های حرارتی ، غرق کننده های حرارتی ، رادیاتورها ، تبرید ، عایق ها و سایر موارد استفاده می کنند.
طراحی و پیش نویس
پیش نویس یا ترسیم فنی وسیله ای است که توسط آن مهندسان مکانیک محصولات را طراحی کرده و دستورالعمل هایی را برای تولید قطعات ایجاد می کنند. یک نقاشی فنی می تواند یک مدل کامپیوتری یا شماتیک دستی باشد که تمام ابعاد لازم برای ساخت یک قطعه را نشان می دهد ، همچنین یادداشت های مونتاژ ، لیستی از مواد مورد نیاز و سایر اطلاعات مربوطه را نشان می دهد.
مهندس مکانیک ایالات متحده یا کارگر ماهر که نقشه های فنی ایجاد می کند ممکن است به عنوان طراح یا نقشه کش شناخته شود. تهیه پیش نویس از لحاظ تاریخی یک فرایند دو بعدی بوده است ، اما برنامه های طراحی به کمک رایانه (CAD) اکنون به طراح اجازه می دهد تا در سه بعد ایجاد کند.
دستورالعمل های تولید قطعه باید به صورت دستی ، از طریق دستورالعمل های برنامه ریزی شده ، یا از طریق استفاده از کامپیوتر (CAM) یا برنامه ترکیبی CAD/CAM به ماشین آلات مورد نیاز داده شود. در صورت تمایل ، یک مهندس همچنین می تواند قطعه ای را با استفاده از نقشه های فنی به صورت دستی تولید کند. با این حال ، با ظهور تولید کنترل کامپیوتری (CNC) ، قطعات را می توان بدون نیاز به ورود مداوم تکنسین ساخت. قطعات ساخته شده دستی به طور کلی شامل پوشش های اسپری ، روکش سطحی و سایر فرآیندهایی است که از نظر اقتصادی یا عملی توسط یک ماشین انجام نمی شود.
پیش نویس تقریباً در همه زیر شاخه های مهندسی مکانیک و بسیاری از شاخه های دیگر مهندسی و معماری استفاده می شود. مدلهای سه بعدی ایجاد شده با استفاده از نرم افزار CAD نیز معمولاً در تحلیل عناصر محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده می شوند.
ابزارهای مدرن
بسیاری از شرکتهای مهندسی مکانیک ، به ویژه شرکتهای کشورهای صنعتی ، برنامه های مهندسی به کمک رایانه (CAE) را در فرآیندهای طراحی و تجزیه و تحلیل موجود خود ، از جمله طراحی با استفاده از کامپیوتر با مدل سازی جامد دو بعدی و سه بعدی (CAD) ، آغاز کرده اند. این روش دارای مزایای زیادی است ، از جمله تجسم آسان تر و جامع تر محصولات ، توانایی ایجاد مجموعه مجازی قطعات و سهولت استفاده در طراحی رابط های جفت گیری و تحمل.
سایر برنامه های CAE که معمولاً توسط مهندسان مکانیک استفاده می شود شامل ابزارهای مدیریت چرخه عمر محصول (PLM) و ابزارهای تجزیه و تحلیل است که برای انجام شبیه سازی های پیچیده استفاده می شود. ابزارهای تجزیه و تحلیل ممکن است برای پیش بینی پاسخ محصول به بارهای مورد انتظار ، از جمله عمر خستگی و قابلیت تولید استفاده شود. این ابزارها شامل تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA) ، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و تولید به کمک کامپیوتر (CAM) است.
با استفاده از برنامه های CAE ، یک تیم طراحی مکانیکی می تواند به سرعت و ارزان فرآیند طراحی را برای ایجاد محصولی که هزینه ، عملکرد و سایر محدودیت ها را برآورده می کند ، توسعه دهد. تا زمانی که طراحی به پایان نرسد نیازی به ایجاد نمونه اولیه فیزیکی نیست و به این ترتیب صدها یا هزاران طرح مورد ارزیابی قرار گیرد ، بجای تعداد نسبی. علاوه بر این ، برنامه های تجزیه و تحلیل CAE می توانند پدیده های فیزیکی پیچیده ای را که نمی توان با دست آنها را حل کرد ، مانند ویسکوالاستیک ، تماس پیچیده بین قطعات جفت گیری یا جریانهای غیر نیوتنی ، مدل سازی کنند.
همانطور که مهندسی مکانیک شروع به ادغام با سایر رشته ها می کند ، همانطور که در مکاترونیک مشاهده می شود ، از بهینه سازی طراحی چندرشته ای (MDO) با سایر برنامه های CAE برای خودکارسازی و بهبود فرایند طراحی تکراری استفاده می شود. ابزارهای MDO فرآیندهای CAE موجود را در بر می گیرند و اجازه می دهند ارزیابی محصول حتی پس از بازگشت تحلیلگر به خانه در روز ادامه یابد. آنها همچنین از الگوریتم های بهینه سازی پیچیده برای کاوش هوشمندتر طرح های احتمالی استفاده می کنند ، اغلب راه حل های بهتر و بدیع تری برای مشکلات دشوار طراحی چند رشته ای پیدا می کنند.
زمینه های تحقیق
مهندسان مکانیک دائماً در حال پیش بردن محدوده هایی هستند که از نظر فیزیکی امکان پذیر است تا ماشین ها و سیستم های مکانیکی ایمن تر ، ارزان تر و کارآمدتری تولید کنند. برخی از فناوری های پیشرفته مهندسی مکانیک در زیر فهرست شده اند (همچنین به مهندسی اکتشافی مراجعه کنید).
سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS)
اجزای مکانیکی در مقیاس میکرون مانند فنرها ، چرخ دنده ها ، دستگاه های انتقال سیال و انتقال حرارت از انواع مواد بستر مانند سیلیکون ، شیشه و پلیمرهایی مانند SU8 ساخته می شوند. نمونه هایی از اجزای MEMS شتاب سنج هایی هستند که به عنوان حسگر کیسه هوای خودرو ، تلفن های همراه مدرن ، ژیروسکوپ ها برای موقعیت یابی دقیق و دستگاه های میکروسیالی مورد استفاده در کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
جوشکاری اصطکاکی (FSW)
جوشکاری اصطکاکی ، نوع جدیدی از جوشکاری ، در سال ۱۹۹۱ توسط موسسه جوشکاری (TWI) کشف شد. تکنیک جوشکاری حالت پایدار (بدون همجوشی) به موادی می پیوندد که قبلاً قابل جوش نبودن ، از جمله چندین آلیاژ آلومینیوم. این هواپیما نقش مهمی در ساخت هواپیماهای آینده ایفا می کند و به طور بالقوه جایگزین پرچ ها می شود. کاربردهای فعلی این فناوری تا به امروز شامل جوشکاری درزهای مخزن اصلی آلومینیومی Space Shuttle ، Orion Crew Vehicle ، Boeing Delta II و Delta IV Extendable Launch Vehicles و موشک SpaceX Falcon 1 ، روکش زره برای کشتی های تهاجمی دوزیست و جوشکاری است. بالها و بدنه هواپیما هواپیمای جدید Eclipse 500 از Eclipse Aviation در میان مجموعه ای از کاربردهای فزاینده.
کامپوزیت ها
کامپوزیت یا مواد کامپوزیت ترکیبی از مواد هستند که ویژگی های فیزیکی متفاوتی نسبت به هر یک از مواد به طور جداگانه ارائه می دهند. تحقیقات مواد کامپوزیتی در مهندسی مکانیک به طور معمول بر طراحی (و متعاقباً یافتن برنامه های کاربردی) برای مصالح قوی تر یا سفت تر متمرکز است در حالی که سعی در کاهش وزن ، حساسیت به خوردگی و سایر عوامل نامطلوب دارد. به عنوان مثال ، کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن در کاربردهای متنوعی مانند فضاپیماها و میله های ماهیگیری استفاده شده است.
مکاترونیک
مکاترونیک ترکیبی از مهندسی مکانیک ، مهندسی الکترونیک و مهندسی نرم افزار است. رشته مکاترونیک به عنوان راهی برای ترکیب اصول مکانیک و مهندسی برق آغاز شد. مفاهیم مکاترونیک در اکثر سیستم های الکترومکانیکی استفاده می شود. سنسورهای الکترومکانیکی معمولی مورد استفاده در مکاترونیک کرنش سنج ، ترموکوپل و مبدل فشار هستند.
فناوری نانو
در کوچکترین مقیاس ، مهندسی مکانیک تبدیل به فناوری نانو می شود – یکی از اهداف گمانه زنی آن ایجاد یک مجموعه مولکولی برای ساختن مولکول ها و مواد از طریق مکانیسنتز است. در حال حاضر این هدف در مهندسی اکتشافی باقی مانده است. حوزه های فعلی مهندسی مکانیک در زمینه فناوری نانو شامل نانو فیلترها ، نانو فیلم ، و نانوساختارها ، و سایر موارد است.
تجزیه و تحلیل عناصر محدود
تجزیه و تحلیل اجزای محدود یک ابزار محاسباتی است که برای برآورد تنش ، کرنش و انحراف اجسام جامد استفاده می شود. از یک شبکه مش با اندازه های تعریف شده توسط کاربر برای اندازه گیری کمیت های فیزیکی در یک گره استفاده می کند. هرچه تعداد گره ها بیشتر باشد ، دقت بیشتری نیز وجود دارد. این زمینه جدید نیست ، زیرا اساس تجزیه و تحلیل عناصر محدود (FEA) یا روش اجزای محدود (FEM) به ۱۹۴۱ باز می گردد. اما تکامل رایانه ها FEA/FEM را به گزینه ای مناسب برای تجزیه و تحلیل مشکلات ساختاری تبدیل کرده است. بسیاری از کدهای تجاری مانند NASTRAN ، ANSYS و ABAQUS به طور گسترده در صنعت برای تحقیق و طراحی قطعات مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از نرم افزارهای مدل سازی سه بعدی و CAD ماژول های FEA را اضافه کرده اند. در دوران اخیر ، سیستم عامل های شبیه سازی ابری مانند SimScale رایج شده اند.
روشهای دیگر مانند روش تفاوت محدود (FDM) و روش حجم محدود (FVM) برای حل مشکلات مربوط به انتقال حرارت و جرم ، جریان سیالات ، برهم کنش سطح سیال و غیره استفاده می شود.
بیومکانیک
بیومکانیک کاربرد اصول مکانیکی در سیستم های بیولوژیکی مانند انسان ، حیوانات ، گیاهان ، اندام ها و سلول ها است. بیومکانیک همچنین به ایجاد اندام مصنوعی و اعضای مصنوعی برای انسان کمک می کند. بیومکانیک ارتباط تنگاتنگی با مهندسی دارد ، زیرا اغلب از علوم مهندسی سنتی برای تجزیه و تحلیل سیستم های بیولوژیکی استفاده می کند. برخی از کاربردهای ساده مکانیک و/یا علوم مواد نیوتنی می توانند تقریب درستی را برای مکانیک بسیاری از سیستم های بیولوژیکی ارائه دهند.
در دهه گذشته ، مهندسی معکوس مواد موجود در طبیعت مانند ماده استخوانی در دانشگاه ها تأمین مالی شده است. ساختار ماده استخوانی به منظور تحمل مقدار زیادی تنش فشاری در واحد وزن بهینه شده است. [۶۴] هدف جایگزینی فولاد خام با مواد زیستی برای طراحی سازه است.
در دهه گذشته روش اجزای محدود (FEM) نیز وارد بخش زیست پزشکی شده است که جنبه های مهندسی بیشتر بیومکانیک را برجسته می کند. FEM از آن زمان خود را به عنوان جایگزینی برای ارزیابی جراحی in vivo تثبیت کرده و مورد استقبال گسترده دانشگاه ها قرار گرفته است. مزیت اصلی بیومکانیک محاسباتی در توانایی آن در تعیین پاسخ انداتومیکی انداتومی آناتومی بدون رعایت محدودیت های اخلاقی نهفته است. [۶۵] این امر باعث شده است که مدل سازی FE در زمینه های مختلف بیومکانیک در همه جا رایج شود در حالی که چندین پروژه حتی فلسفه منبع باز (به عنوان مثال BioSpine) را اتخاذ کرده اند.
دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی ، که معمولاً به اختصار CFD نامیده می شود ، شاخه ای از مکانیک سیالات است که از روش ها و الگوریتم های عددی برای حل و تجزیه و تحلیل مسائلی که شامل جریان سیالات است ، استفاده می کند. رایانه ها برای انجام محاسبات مورد نیاز برای شبیه سازی تعامل مایعات و گازها با سطوح تعریف شده توسط شرایط مرزی استفاده می شوند. با استفاده از ابررایانه های پرسرعت می توان به راه حل های بهتری دست یافت. تحقیقات مداوم نرم افزاری را ارائه می دهد که دقت و سرعت سناریوهای شبیه سازی پیچیده مانند جریانهای آشفته را بهبود می بخشد. اعتبارسنجی اولیه چنین نرم افزاری با استفاده از تونل باد انجام می شود و اعتبار نهایی در آزمایش مقیاس کامل انجام می شود ، به عنوان مثال. آزمایشات پرواز
مهندسی آکوستیک
مهندسی آکوستیک یکی از زیر شاخه های دیگر مهندسی مکانیک است و کاربرد آکوستیک است. مهندسی آکوستیک مطالعه صدا و ارتعاش است. این مهندسان به طور موثری با کاهش عایق صوتی یا حذف منابع سر و صدای ناخواسته ، آلودگی صوتی را در دستگاه های مکانیکی و ساختمان ها کاهش می دهند. مطالعه آکوستیک می تواند از طراحی سمعک کارآمدتر ، میکروفون ، هدفون یا استودیوی ضبط تا افزایش کیفیت صدا در سالن ارکستر متغیر باشد. مهندسی آکوستیک همچنین با ارتعاش سیستم های مختلف مکانیکی سروکار دارد.
زمینه های مرتبط
مهندسی ساخت ، مهندسی هوافضا و مهندسی خودرو در برخی مواقع با مهندسی مکانیک گروه بندی می شوند. لیسانس در این زمینه ها معمولاً دارای چند کلاس تخصصی متفاوت است.