strojírenství -Mechanical engineering

Motor W16 z Bugatti Veyron . Strojní inženýři konstruují motory , elektrárny , další stroje...
... struktury a vozidla všech velikostí

Strojírenství je studium fyzických strojů , které mohou zahrnovat sílu a pohyb. Jedná se o inženýrské odvětví , které kombinuje principy inženýrské fyziky a matematiky s vědou o materiálech za účelem navrhování , analýzy, výroby a údržby mechanických systémů . Je to jeden z nejstarších a nejširších strojírenských oborů .

Strojírenství vyžaduje pochopení základních oblastí včetně mechaniky , dynamiky , termodynamiky , vědy o materiálech , designu , strukturální analýzy a elektřiny . Kromě těchto základních principů strojní inženýři používají nástroje, jako je počítačově podporovaný design (CAD), počítačově podporovaná výroba (CAM) a řízení životního cyklu produktu k navrhování a analýze výrobních závodů , průmyslových zařízení a strojů , systémů vytápění a chlazení . dopravní systémy, letadla , plavidla , robotika , zdravotnická zařízení , zbraně a další.

Strojírenství se jako obor objevilo během průmyslové revoluce v Evropě v 18. století; jeho vývoj však lze vysledovat několik tisíc let zpět po celém světě. V 19. století vývoj ve fyzice vedl k rozvoji strojírenské vědy. Obor se neustále vyvíjel, aby zahrnoval pokroky; dnes strojní inženýři sledují vývoj v takových oblastech, jako jsou kompozity , mechatronika a nanotechnologie . V různé míře se také překrývá s leteckým inženýrstvím , metalurgickým inženýrstvím , stavebnictvím , stavebním inženýrstvím , elektrotechnikou , výrobním inženýrstvím , chemickým inženýrstvím , průmyslovým inženýrstvím a dalšími inženýrskými obory. Strojní inženýři mohou také pracovat v oblasti biomedicínského inženýrství , konkrétně s biomechanikou , dopravními jevy , biomechatronikou , bionanotechnologií a modelováním biologických systémů.

Dějiny

Uplatnění strojírenství lze vidět v archivech různých starověkých a středověkých společností. Šest klasických jednoduchých strojů bylo známo na starověkém Blízkém východě . Klín a nakloněná rovina ( rampa ) byly známy již od pravěku . Kolo spolu s mechanismem kola a nápravy bylo vynalezeno v Mezopotámii (dnešní Irák) během 5. tisíciletí před naším letopočtem . Pákový mechanismus se poprvé objevil asi před 5000 lety na Blízkém východě, kde se používal v jednoduchém balančním měřítku a k pohybu velkých předmětů ve staroegyptské technologii . Páka byla také použita v zařízení shadoof na zvedání vody, prvním jeřábovém stroji, který se objevil v Mezopotámii kolem roku 3000 př.nl. Nejstarší důkazy o kladkách pocházejí z Mezopotámie na počátku 2. tisíciletí před naším letopočtem.

Sakia byla vyvinuta v království Kush během 4. století před naším letopočtem . Spoléhalo na zvířecí sílu, která redukovala koudel na potřebu lidské energie. Nádrže ve formě Hafirů byly vyvinuty v Kush pro skladování vody a podporu zavlažování. Bloomeries a vysoké pece byly vyvinuty během sedmého století BC v Meroe . Kushite sluneční hodiny aplikovaly matematiku ve formě pokročilé trigonometrie.

Nejčasnější praktické stroje poháněné vodou , vodní kolo a vodní mlýn , se poprvé objevily v Perské říši , na území dnešního Iráku a Íránu, počátkem 4. století před naším letopočtem. Ve starověkém Řecku ovlivnila mechanika v západní tradici práce Archiméda (287–212 př.nl). V římském Egyptě vytvořil Heron Alexandrijský (asi 10–70 nl) první zařízení poháněné párou ( Aeolipile ). V Číně Zhang Heng (78–139 nl) vylepšil vodní hodiny a vynalezl seismometr a Ma Jun (200–265 n. l.) vynalezl vůz s diferenciálem . Středověký čínský horolog a inženýr Su Song (1020–1101 n. l.) začlenil únikový mechanismus do své věže s orlojem dvě století před tím, než byla úniková zařízení nalezena ve středověkých evropských hodinách. Vynalezl také první známý nekonečný řetězový pohon přenášející energii na světě .

Během zlatého islámského věku (7. až 15. století) muslimští vynálezci významně přispěli na poli mechanické technologie. Al-Jazari , který byl jedním z nich, napsal v roce 1206 svou slavnou Knihu znalostí o důmyslných mechanických zařízeních a představil mnoho mechanických návrhů.

V 17. století došlo v Anglii a na kontinentu k důležitým průlomům v základech strojírenství . Nizozemský matematik a fyzik Christiaan Huygens vynalezl v roce 1657 kyvadlové hodiny , které byly prvním spolehlivým časoměřičem po téměř 300 let, a publikoval práci věnovanou návrhům hodin a teorii, která za nimi stojí. V Anglii Isaac Newton formuloval Newtonovy zákony pohybu a vyvinul počet , který se stal matematickým základem fyziky. Newton se celá léta zdráhal publikovat svá díla, ale nakonec ho k tomu přesvědčili jeho kolegové, jako Edmond Halley . Gottfried Wilhelm Leibniz , který dříve navrhl mechanickou kalkulačku , je také připočítán s vývojem počtu během stejného časového období.

Během počátku 19. století průmyslové revoluce byly obráběcí stroje vyvinuty v Anglii, Německu a Skotsku . To umožnilo strojírenství rozvíjet se jako samostatný obor v rámci strojírenství. Přivezli s sebou výrobní stroje a motory, které je poháněly. První britská profesní společnost strojních inženýrů vznikla v roce 1847 Institution of Mechanical Engineers , třicet let poté, co stavební inženýři vytvořili první takovou profesní společnost Institution of Civil Engineers . Na evropském kontinentu založil Johann von Zimmermann (1820–1901) v německém Chemnitzu v roce 1848 první továrnu na brusky .

Ve Spojených státech vznikla v roce 1880 Americká společnost strojních inženýrů (ASME), která se stala třetí takovou profesionální inženýrskou společností po Americké společnosti stavebních inženýrů (1852) a Americkém institutu důlních inženýrů (1871). Prvními školami ve Spojených státech, které nabízely inženýrské vzdělání, byly Vojenská akademie Spojených států v roce 1817, instituce nyní známá jako Norwich University v roce 1819, a Rensselaer Polytechnic Institute v roce 1825. Vzdělávání ve strojírenství bylo historicky založeno na pevných základech v matematice a přírodních vědách.

Vzdělání

Archimédův šroub byl ovládán ručně a mohl účinně zvyšovat vodu, jak ukazuje animovaná červená koule.

Tituly ve strojírenství jsou nabízeny na různých univerzitách po celém světě. Programy strojního inženýrství obvykle trvají čtyři až pět let studia v závislosti na místě a univerzitě a vedou k získání titulu Bachelor of Engineering (B. Eng. nebo BE), Bachelor of Science (B.Sc. nebo BS), Bachelor of Science Engineering ( B.Sc.Eng.), bakalář technologie (B.Tech.), bakalář strojního inženýrství (BME) nebo bakalář aplikovaných věd (BASc.), ve strojírenství nebo s důrazem na strojírenství. Ve Španělsku, Portugalsku a většině Jižní Ameriky, kde ani BS, ani B.Tech. Byly přijaty programy, formální název titulu je „strojní inženýr“ a práce na kurzu je založena na pěti nebo šesti letech školení. V Itálii je práce v kurzu založena na pětiletém vzdělávání a školení, ale aby se člověk mohl kvalifikovat jako inženýr, musí na konci kurzu složit státní zkoušku. V Řecku je výuka založena na pětiletém učebním plánu.

Ve Spojených státech je většina vysokoškolských programů strojního inženýrství akreditována Akreditační radou pro inženýrství a technologii (ABET), aby byly zajištěny podobné požadavky a standardy na kurzy mezi univerzitami. Webová stránka ABET uvádí k 11. březnu 2014 302 akreditovaných programů strojního inženýrství. Programy strojního inženýrství v Kanadě jsou akreditovány Kanadskou radou pro akreditaci inženýrství (CEAB) a většina ostatních zemí nabízejících inženýrské tituly má podobné akreditační společnosti.

V Austrálii jsou tituly strojního inženýrství udělovány jako bakalář inženýrství (strojní) nebo podobná nomenklatura, ačkoliv existuje rostoucí počet specializací. Dosažení titulu trvá čtyři roky denního studia. Aby byla zajištěna kvalita inženýrských titulů, Engineers Australia akredituje inženýrské tituly udělované australskými univerzitami v souladu s globální Washingtonskou dohodou . Před udělením titulu musí student absolvovat alespoň 3 měsíce pracovní praxe ve strojírenské firmě. Podobné systémy jsou také přítomny v Jižní Africe a dohlíží na ně Engineering Council of South Africa (ECSA).

V Indii , aby se člověk stal inženýrem, musí mít inženýrský titul jako B.Tech nebo BE, mít diplom v oboru inženýrství nebo absolvovat kurz v oboru strojírenství jako montér od Industrial Training Institute (ITIs), aby získal „ITI Trade Certificate“ a také projít All India Trade Test (AITT) se strojírenským oborem vedeným Národní radou odborného vzdělávání (NCVT), na jehož základě je člověku udělen „National Trade Certificate“. Podobný systém se používá v Nepálu.

Někteří strojní inženýři pokračují v postgraduálním studiu, jako je Master of Engineering , Master of Technology , Master of Science , Master of Engineering Management (M.Eng.Mgt. nebo MEM), doktor filozofie v inženýrství (Eng.D nebo Ph.D.) nebo inženýrský titul . Magisterské a inženýrské tituly mohou nebo nemusí zahrnovat výzkum . Doktor filozofie zahrnuje významnou výzkumnou složku a je často považován za vstupní bod do akademické obce . Inženýrský titul existuje na několika institucích na střední úrovni mezi magisterským a doktorátem.

Práce v kurzu

Normy stanovené akreditační společností každé země mají zajistit jednotnost materiálu základního předmětu, podporovat kompetence mezi promujícími inženýry a udržovat důvěru v inženýrskou profesi jako celek. Inženýrské programy v USA například požaduje ABET, aby ukázali, že jejich studenti mohou „profesionálně pracovat v oblasti tepelných i mechanických systémů“. Konkrétní kurzy potřebné k absolvování se však mohou lišit program od programu. Univerzity a technologické instituty často spojují více předmětů do jedné třídy nebo rozdělují předmět do více tříd, v závislosti na dostupné fakultě a hlavní oblasti (oblastech) výzkumu univerzity.

Mezi základní předměty požadované pro strojírenství obvykle patří:

Od strojních inženýrů se také očekává, že budou rozumět a budou schopni aplikovat základní pojmy z chemie, fyziky, tribologie , chemického inženýrství , stavebního inženýrství a elektrotechniky . Všechny programy strojního inženýrství zahrnují několik semestrů matematických tříd včetně kalkulu a pokročilé matematické koncepty včetně diferenciálních rovnic , parciálních diferenciálních rovnic , lineární algebry , abstraktní algebry a diferenciální geometrie , mezi ostatními.

Kromě základního kurikula strojního inženýrství nabízí mnoho programů strojního inženýrství specializovanější programy a třídy, jako jsou řídicí systémy , robotika, doprava a logistika , kryogenika , technologie paliv , automobilové inženýrství , biomechanika , vibrace, optika a další, pokud jsou samostatné. katedra pro tyto předměty neexistuje.

Většina programů strojního inženýrství také vyžaduje různé množství výzkumu nebo komunitních projektů k získání praktických zkušeností s řešením problémů. Ve Spojených státech je běžné, že studenti strojního inženýrství absolvují jednu nebo více stáží během studia, ačkoli to není obvykle nařízeno univerzitou. Další možností je kooperativní vzdělávání . Budoucí výzkum pracovních dovedností klade požadavky na součásti studia, které živí kreativitu a inovace studentů.

Pracovní povinnosti

Strojní inženýři zkoumají, navrhují, vyvíjejí, staví a testují mechanická a tepelná zařízení, včetně nástrojů, motorů a strojů.

Strojní inženýři obvykle dělají následující:

  • Analyzujte problémy a zjistěte, jak mohou mechanická a tepelná zařízení pomoci problém vyřešit.
  • Navrhněte nebo přepracujte mechanická a tepelná zařízení pomocí analýzy a počítačově podporovaného návrhu.
  • Vyvíjet a testovat prototypy zařízení, která navrhují.
  • Analyzujte výsledky testu a podle potřeby změňte design.
  • Dohlížet na výrobní proces zařízení.
  • Řídit tým profesionálů ve specializovaných oborech, jako je mechanické navrhování a navrhování, prototypování, 3D tisk nebo specialisté na CNC stroje.

Strojní inženýři navrhují a dohlížejí na výrobu mnoha produktů od lékařských přístrojů po nové baterie. Navrhují také stroje na výrobu energie, jako jsou elektrické generátory, spalovací motory a parní a plynové turbíny, stejně jako stroje využívající energii, jako jsou chladicí a klimatizační systémy.

Stejně jako jiní inženýři, strojní inženýři používají počítače, aby pomohli vytvářet a analyzovat návrhy, spouštět simulace a testovat, jak bude stroj pravděpodobně fungovat.

Licence a regulace

Inženýři mohou požádat o licenci státní, provinční nebo národní vládu. Účelem tohoto procesu je zajistit, aby inženýři měli potřebné technické znalosti, reálné zkušenosti a znalosti místního právního systému, aby mohli praktikovat inženýrství na profesionální úrovni. Po certifikaci získá inženýr titul Professional Engineer (Spojené státy americké, Kanada, Japonsko, Jižní Korea, Bangladéš a Jižní Afrika), Chartered Engineer (ve Spojeném království, Irsku, Indii a Zimbabwe), Chartered Professional Engineer (v Austrálii). a Nový Zéland) nebo European Engineer (velká část Evropské unie).

V USA, aby se inženýr stal licencovaným profesionálním inženýrem (PE), musí složit komplexní zkoušku FE (Fundamentals of Engineering), pracovat minimálně 4 roky jako Engineering Intern (EI) nebo Engineer-in-Training ( EIT ) . a složit zkoušky „Principles and Practice“ nebo PE (cvičný inženýr nebo profesionální inženýr). Požadavky a kroky tohoto procesu jsou stanoveny Národní radou zkoušejících pro inženýrství a geodézii (NCEES), složenou z licenčních rad pro inženýrství a zeměměřičství zastupující všechny státy a území USA.

Ve Spojeném království potřebují současní absolventi titul BEng plus příslušný magisterský titul nebo integrovaný titul MEng , minimálně 4 roky po ukončení studia v oblasti rozvoje pracovních kompetencí a recenzovanou projektovou zprávu, aby se stali autorizovaným strojním inženýrem (CEng, MIMechE) prostřednictvím Ústav strojních inženýrů . CEng MIMechE lze také získat prostřednictvím zkušební cesty spravované City and Guilds of London Institute .

Ve většině rozvinutých zemí musí být určité inženýrské úkoly, jako je projektování mostů, elektráren a chemických závodů, schváleny profesionálním inženýrem nebo autorizovaným inženýrem . "Pouze licencovaný inženýr může například připravit, podepsat, zapečetit a předložit inženýrské plány a výkresy veřejnému úřadu ke schválení nebo zapečetit inženýrské práce pro veřejné a soukromé klienty." Tento požadavek může být zapsán do státní a provinční legislativy, např. v kanadských provinciích, např. Ontario nebo Quebec's Engineer Act.

V jiných zemích, jako je Austrálie a Spojené království, žádná taková legislativa neexistuje; prakticky všechny certifikační orgány však dodržují etický kodex nezávislý na legislativě, od kterého očekávají, že všichni členové budou dodržovat nebo riskovat vyloučení.

Statistiky platů a pracovní síly

Celkový počet inženýrů zaměstnaných v USA v roce 2015 byl zhruba 1,6 milionu. Z toho bylo 278 340 strojních inženýrů (17,28 %), což je největší obor podle velikosti. V roce 2012 byl průměrný roční příjem strojních inženýrů v americké pracovní síle 80 580 $. Střední příjem byl nejvyšší při práci pro vládu (92 030 USD) a nejnižší ve vzdělání (57 090 USD). V roce 2014 se předpokládalo, že celkový počet pracovních míst ve strojírenství v příštím desetiletí vzroste o 5 %. Od roku 2009 byl průměrný nástupní plat 58 800 $ s bakalářským titulem.

Subdisciplíny

Obor strojírenství lze chápat jako soubor mnoha vědních oborů strojního inženýrství. Několik z těchto podoborů, které se obvykle vyučují na vysokoškolské úrovni, je uvedeno níže, se stručným vysvětlením a nejběžnější aplikací každého z nich. Některé z těchto podoborů jsou jedinečné pro strojírenství, zatímco jiné jsou kombinací strojního inženýrství a jedné nebo více dalších disciplín. Většina práce, kterou strojní inženýr dělá, využívá dovednosti a techniky z několika těchto podoborů a také ze specializovaných podoborů. Specializované podobory, jak jsou použity v tomto článku, jsou spíše předmětem postgraduálního studia nebo školení na pracovišti než vysokoškolský výzkum. V této části je diskutováno několik specializovaných podoborů.

Mechanika

Mohrův kruh , běžný nástroj pro studium napětí v mechanickém prvku

Mechanika je v nejobecnějším smyslu studiem sil a jejich vlivu na hmotu . Typicky se inženýrská mechanika používá k analýze a předpovídání zrychlení a deformace ( pružné i plastické ) objektů pod známými silami (také nazývanými zatížení) nebo napětími . Mezi podobory mechaniky patří

  • Statika , studium nepohybujících se těles pod známým zatížením, jak síly ovlivňují statická tělesa
  • Dynamika studium toho, jak síly ovlivňují pohybující se tělesa. Dynamika zahrnuje kinematiku (o pohybu, rychlosti a zrychlení) a kinetiku (o silech a výsledných zrychleních).
  • Mechanika materiálů , studium toho, jak se různé materiály deformují při různých typech namáhání
  • Mechanika tekutin , studium toho, jak tekutiny reagují na síly
  • Kinematika , studium pohybu těles (objektů) a systémů (skupin objektů), přičemž ignoruje síly, které pohyb způsobují. Kinematika se často používá při návrhu a analýze mechanismů .
  • Mechanika kontinua , metoda aplikace mechaniky, která předpokládá, že objekty jsou spojité (spíše než diskrétní )

Strojní inženýři obvykle používají mechaniku ve fázích návrhu nebo analýzy inženýrství. Pokud by inženýrský projekt byl návrhem vozidla, mohla by být k návrhu rámu vozidla použita statika, aby bylo možné vyhodnotit, kde bude namáhání nejintenzivnější. Dynamiku lze použít při navrhování motoru automobilu k vyhodnocení sil v pístech a vačkách při cyklech motoru. K výběru vhodných materiálů pro rám a motor lze použít mechaniku materiálů. Mechanika tekutin může být použita k návrhu ventilačního systému pro vozidlo (viz HVAC ), nebo k návrhu sacího systému pro motor.

Mechatronika a robotika

Školení FMS s výukovým robotem SCORBOT-ER 4u , pracovním stolem CNC frézou a CNC soustruhem

Mechatronika je spojením mechaniky a elektroniky. Jedná se o interdisciplinární obor strojírenství, elektrotechniky a softwarového inženýrství , který se zabývá integrací elektrotechniky a strojírenství za účelem vytvoření hybridních automatizačních systémů. Tímto způsobem mohou být stroje automatizovány pomocí elektrických motorů , servomechanismů a dalších elektrických systémů ve spojení se speciálním softwarem. Běžným příkladem mechatronického systému je jednotka CD-ROM. Mechanické systémy otevírají a zavírají mechaniku, roztáčí CD a pohybují laserem, zatímco optický systém čte data na CD a převádí je na bity . Integrovaný software řídí proces a sděluje obsah CD do počítače.

Robotika je aplikace mechatroniky k vytvoření robotů, které se v průmyslu často používají k provádění úkolů, které jsou nebezpečné, nepříjemné nebo se opakují. Tito roboti mohou mít jakýkoli tvar a velikost, ale všichni jsou předem naprogramovaní a fyzicky interagují se světem. K vytvoření robota inženýr obvykle používá kinematiku (k určení rozsahu pohybu robota) a mechaniku (k určení napětí v robotu).

Roboty jsou široce používány v průmyslové automatizaci. Umožňují podnikům ušetřit peníze za práci, provádět úkoly, které jsou buď příliš nebezpečné, nebo příliš přesné na to, aby je lidé mohli provádět ekonomicky, a zajistit lepší kvalitu. Mnoho společností využívá montážní linky robotů, zejména v automobilovém průmyslu a některé továrny jsou natolik robotizované, že mohou běžet samy . Mimo továrnu byli roboti zaměstnáni při likvidaci bomb, průzkumu vesmíru a mnoha dalších oblastech. Roboti se také prodávají pro různé obytné aplikace, od rekreace po domácí aplikace.

Strukturální analýza

Strukturální analýza je odvětví strojírenství (a také stavebnictví), které se věnuje zkoumání toho, proč a jak objekty selhávají, a opravám objektů a jejich výkonu. Strukturální poruchy se vyskytují ve dvou obecných režimech: statické porušení a únavové selhání. Statické strukturální selhání nastává, když se analyzovaný objekt při zatížení (aplikovanou silou) buď zlomí, nebo se plasticky deformuje , v závislosti na kritériu selhání. Únavové selhání nastane, když objekt selže po řadě opakovaných cyklů nakládání a vykládání. K únavovému selhání dochází kvůli nedokonalostem předmětu: například mikroskopická trhlina na povrchu předmětu se s každým cyklem (šířením) mírně zvětší, dokud není trhlina dostatečně velká, aby způsobila konečné selhání .

Porucha však není jednoduše definována jako rozbití součásti; je definováno jako když součást nefunguje tak, jak bylo zamýšleno. Některé systémy, jako jsou perforované horní části některých plastových sáčků, jsou navrženy tak, aby se rozbily. Pokud se tyto systémy nerozbijí, může být k určení příčiny použita analýza selhání.

Strukturální analýzu často používají strojní inženýři poté, co došlo k poruše, nebo při navrhování, aby se zabránilo poruše. Inženýři často používají online dokumenty a knihy, jako jsou ty, které vydává ASM, aby jim pomohli určit typ selhání a možné příčiny.

Jakmile je teorie aplikována na mechanický návrh, často se provádí fyzické testování, aby se ověřily vypočítané výsledky. Strukturální analýzu lze použít v kanceláři při navrhování dílů, v terénu k analýze vadných dílů nebo v laboratořích, kde mohou díly projít řízenými zkouškami poruch.

Termodynamika a termověda

Termodynamika je aplikovaná věda používaná v několika odvětvích inženýrství, včetně strojního a chemického inženýrství. Ve své nejjednodušší podobě je termodynamika studiem energie, jejího využití a přeměny prostřednictvím systému . Technická termodynamika se obvykle zabývá změnou energie z jedné formy do druhé. Například automobilové motory přeměňují chemickou energii ( entalpii ) z paliva na teplo a poté na mechanickou práci, která nakonec roztáčí kola.

Principy termodynamiky využívají strojní inženýři v oblasti přenosu tepla , termokapalin a přeměny energie . Strojní inženýři používají termovědu k navrhování motorů a elektráren , systémů vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC), výměníků tepla , chladičů , radiátorů , chlazení , izolace a dalších.

Design a navrhování

Kreslení nebo technické kreslení je prostředek, kterým strojní inženýři navrhují výrobky a vytvářejí pokyny pro výrobu dílů. Technickým výkresem může být počítačový model nebo ručně kreslené schéma zobrazující všechny rozměry potřebné k výrobě součásti, stejně jako montážní poznámky, seznam požadovaných materiálů a další související informace. Americký strojní inženýr nebo kvalifikovaný pracovník, který vytváří technické výkresy, může být označován jako kreslíř nebo kreslíř. Kreslení bylo historicky dvourozměrným procesem, ale programy pro počítačově podporované navrhování (CAD) nyní umožňují návrhářům tvořit ve třech rozměrech.

Pokyny pro výrobu součásti musí být dodávány do potřebného strojního zařízení, buď ručně, prostřednictvím naprogramovaných instrukcí, nebo pomocí počítačově podporované výroby (CAM) nebo kombinovaného programu CAD/CAM. Volitelně může inženýr také ručně vyrobit součást pomocí technických výkresů. S příchodem počítačově numericky řízené (CNC) výroby však nyní lze díly vyrábět bez nutnosti neustálého zásahu technika. Ručně vyráběné díly se obvykle skládají z nástřiků , povrchových úprav a dalších procesů, které není možné ekonomicky ani prakticky provádět na stroji.

Kreslení se používá téměř v každém podoboru strojírenství a mnoha dalších odvětvích strojírenství a architektury. Trojrozměrné modely vytvořené pomocí softwaru CAD se také běžně používají v analýze konečných prvků (FEA) a výpočetní dynamice tekutin (CFD).

Moderní nástroje

Šikmý pohled na čtyřválcový řadový klikový hřídel s písty

Mnoho strojírenských společností, zejména těch v průmyslových zemích, začalo začleňovat programy počítačově podporovaného inženýrství (CAE) do svých stávajících návrhových a analytických procesů, včetně 2D a 3D modelování těles pomocí počítačem podporovaného návrhu (CAD). Tato metoda má mnoho výhod, včetně snadnější a vyčerpávající vizualizace produktů, možnosti vytvářet virtuální sestavy dílů a snadného použití při navrhování spojovacích rozhraní a tolerancí.

Mezi další programy CAE běžně používané strojními inženýry patří nástroje pro správu životního cyklu výrobku (PLM) a analytické nástroje používané k provádění složitých simulací. Analytické nástroje lze použít k předpovědi odezvy produktu na očekávaná zatížení, včetně únavové životnosti a vyrobitelnosti. Tyto nástroje zahrnují analýzu konečných prvků (FEA), výpočetní dynamiku tekutin (CFD) a počítačově podporovanou výrobu (CAM).

Pomocí programů CAE může tým mechanického návrhu rychle a levně opakovat proces návrhu a vyvinout produkt, který lépe vyhovuje nákladům, výkonu a dalším omezením. Dokud se návrh neblíží dokončení, není třeba vytvářet žádný fyzický prototyp, což umožňuje vyhodnotit stovky nebo tisíce návrhů namísto relativně malého počtu. Kromě toho mohou programy pro analýzu CAE modelovat komplikované fyzikální jevy, které nelze vyřešit ručně, jako je viskoelasticita , komplexní kontakt mezi spárovanými částmi nebo nenewtonské toky .

Jak se strojní inženýrství začíná slučovat s jinými obory, jak je vidět v mechatronice , používá se multidisciplinární optimalizace návrhu (MDO) s dalšími programy CAE k automatizaci a zlepšení procesu iterativního navrhování. Nástroje MDO obklopují stávající procesy CAE, což umožňuje pokračovat ve vyhodnocování produktů i poté, co analytik odejde na den domů. Používají také sofistikované optimalizační algoritmy k inteligentnějšímu prozkoumávání možných návrhů a často nalézají lepší, inovativní řešení obtížných multidisciplinárních návrhových problémů.

Oblasti výzkumu

Strojní inženýři neustále posouvají hranice toho, co je fyzicky možné, aby mohli vyrábět bezpečnější, levnější a účinnější stroje a mechanické systémy. Některé technologie na špici strojírenství jsou uvedeny níže (viz také průzkumné inženýrství ).

Mikro elektromechanické systémy (MEMS)

Mechanické součásti v mikronovém měřítku, jako jsou pružiny, ozubená kola, fluidní zařízení a zařízení pro přenos tepla, jsou vyrobeny z různých substrátových materiálů, jako je křemík, sklo a polymery, jako je SU8 . Příklady součástí MEMS jsou akcelerometry, které se používají jako senzory airbagů automobilů, moderní mobilní telefony, gyroskopy pro přesné polohování a mikrofluidní zařízení používaná v biomedicínských aplikacích.

Svařování třením (FSW)

Třecí svařování s mícháním, nový typ svařování , byl objeven v roce 1991 The Welding Institute (TWI). Inovativní technika ustáleného (netavného) svařování spojuje materiály dříve nesvařitelné, včetně několika hliníkových slitin . Hraje důležitou roli v budoucí konstrukci letadel, potenciálně nahrazuje nýty. Současné využití této technologie k dnešnímu dni zahrnuje svařování švů hliníkové hlavní vnější nádrže raketoplánu, Orion Crew Vehicle, Boeing Delta II a Delta IV Expendable Launch Vehicles a rakety SpaceX Falcon 1, pancéřování pro obojživelné útočné lodě a svařování křídla a trupové panely nového letadla Eclipse 500 od Eclipse Aviation patří mezi stále rostoucí okruh použití.

Kompozity

Kompozitní tkanina sestávající z tkaných uhlíkových vláken

Kompozity nebo kompozitní materiály jsou kombinací materiálů, které poskytují odlišné fyzikální vlastnosti než oba materiály samostatně. Výzkum kompozitních materiálů ve strojírenství se obvykle zaměřuje na navrhování (a následně na hledání aplikací pro) pevnější nebo tužší materiály a zároveň se snaží snížit hmotnost , náchylnost ke korozi a další nežádoucí faktory. Například kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny byly použity v tak rozmanitých aplikacích, jako jsou kosmické lodě a rybářské pruty.

Mechatronika

Mechatronika je synergická kombinace strojního inženýrství, elektronického inženýrství a softwarového inženýrství. Disciplína mechatroniky začala jako způsob, jak spojit mechanické principy s elektrotechnikou. Mechatronické koncepty se používají ve většině elektromechanických systémů. Typické elektromechanické senzory používané v mechatronice jsou tenzometry, termočlánky a tlakové převodníky.

Nanotechnologie

V nejmenším měřítku se strojírenství stává nanotechnologií – jedním ze spekulativních cílů je vytvořit molekulární assembler pro vytváření molekul a materiálů prostřednictvím mechanosyntézy . Tento cíl zatím zůstává v rámci průzkumného inženýrství . Oblasti současného strojírenského výzkumu v nanotechnologii zahrnují mimo jiné nanofiltry, nanofilmy a nanostruktury.

Analýza konečných prvků

Analýza konečných prvků je výpočetní nástroj používaný k odhadu napětí, deformace a průhybu pevných těles. K měření fyzických veličin v uzlu používá nastavení sítě s uživatelem definovanými velikostmi. Čím více uzlů je, tím vyšší je přesnost. Tento obor není nový, protože základy analýzy konečných prvků (FEA) nebo metody konečných prvků (FEM) se datují do roku 1941. Vývoj počítačů však učinil z FEA/FEM životaschopnou volbu pro analýzu strukturálních problémů. Mnoho komerčních kódů, jako je NASTRAN , ANSYS a ABAQUS , je široce používáno v průmyslu pro výzkum a návrh komponent. Některé softwarové balíčky pro 3D modelování a CAD mají přidané moduly FEA. V poslední době jsou cloudové simulační platformy jako SimScale stále běžnější.

Jiné techniky, jako je metoda konečných rozdílů (FDM) a metoda konečných objemů (FVM), se používají k řešení problémů souvisejících s přenosem tepla a hmoty, prouděním tekutin, interakcí povrchu tekutiny atd.

Biomechanika

Biomechanika je aplikace mechanických principů na biologické systémy, jako jsou lidé , zvířata , rostliny , orgány a buňky . Biomechanika také pomáhá při vytváření protetických končetin a umělých orgánů pro lidi. Biomechanika úzce souvisí s inženýrstvím , protože často používá tradiční inženýrské vědy k analýze biologických systémů. Některé jednoduché aplikace newtonovské mechaniky a/nebo materiálových věd mohou poskytnout správné přiblížení k mechanice mnoha biologických systémů.

V uplynulém desetiletí získalo reverzní inženýrství materiálů nacházejících se v přírodě, jako je kostní hmota, finanční prostředky na akademické půdě. Struktura kostní hmoty je optimalizována pro její účel nést velké množství tlakového napětí na jednotku hmotnosti. Cílem je nahradit surovou ocel biomateriálem pro navrhování konstrukcí.

Během posledního desetiletí metoda konečných prvků (FEM) také vstoupila do biomedicínského sektoru a zdůraznila další technické aspekty biomechaniky. FEM se od té doby etablovala jako alternativa k chirurgickému hodnocení in vivo a získala široké přijetí na akademické půdě. Hlavní výhoda výpočetní biomechaniky spočívá v její schopnosti určit endoanatomickou odezvu anatomie, aniž by podléhala etickým omezením. To vedlo FE modelování k tomu, že se stalo všudypřítomným v několika oblastech biomechaniky, zatímco několik projektů dokonce přijalo filozofii open source (např. BioSpine).

Výpočetní dynamika tekutin

Výpočetní dynamika tekutin, obvykle zkráceně CFD, je odvětví mechaniky tekutin, které využívá numerické metody a algoritmy k řešení a analýze problémů, které zahrnují toky tekutin. Počítače se používají k provádění výpočtů potřebných k simulaci interakce kapalin a plynů s povrchy definovanými okrajovými podmínkami. S vysokorychlostními superpočítači lze dosáhnout lepších řešení. Pokračující výzkum přináší software, který zlepšuje přesnost a rychlost složitých simulačních scénářů, jako jsou turbulentní proudění. Počáteční validace takového softwaru se provádí pomocí aerodynamického tunelu s konečnou validací v rámci testování v plném rozsahu, např. letových testů.

Akustické inženýrství

Akustické inženýrství je jednou z mnoha dalších dílčích disciplín strojního inženýrství a je aplikací akustiky. Akustické inženýrství je studium zvuku a vibrací . Tito inženýři efektivně pracují na snížení hlukového znečištění mechanických zařízení a budov pomocí odhlučnění nebo odstranění zdrojů nežádoucího hluku. Studium akustiky se může pohybovat od návrhu účinnějšího sluchadla, mikrofonu, sluchátek nebo nahrávacího studia až po zvýšení kvality zvuku orchestrálního sálu. Akustická technika se také zabývá vibracemi různých mechanických systémů.

Související obory

Výrobní inženýrství , letecký průmysl a automobilový průmysl jsou občas seskupeny se strojírenstvím. Bakalářský titul v těchto oblastech bude mít obvykle rozdíl v několika specializovaných třídách.

Viz také

Seznamy
Asociace
Wikiknihy

Reference

Další čtení

externí odkazy