ترمودینامیک و علم ترمو

ترمودینامیک یک علم کاربردی است که در چندین شاخه مهندسی از جمله مهندسی مکانیک و شیمی استفاده می شود. در ساده ترین حالت، ترمودینامیک مطالعه انرژی، استفاده و تبدیل آن از طریق یک سیستم است.[51] به طور معمول، ترمودینامیک مهندسی با تغییر انرژی از یک شکل به شکل دیگر مرتبط 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 ترمودینامیک توسط مهندسان مکانیک در زمینه های انتقال حرارت، ترموسیالات و تبدیل انرژی استفاده می شود. مهندسان مکانیک از علم ترمو برای طراحی موتورها و نیروگاه ها، سیستم های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC)، مبدل های حرارتی، سینک های حرارتی، رادیاتورها، تبرید، عایق ها و غیره استفاده می کنند.

مقالات اصلی: نقشه کشی فنی و CNC

پیش نویس یا نقشه کشی فنی وسیله ای است که مهندسان مکانیک به طراحی محصولات و ایجاد دستورالعمل برای ساخت قطعات می پردازند. یک نقشه 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، فهرستی از مواد مورد نیاز و سایر اطلاعات مربوطه را نشان می دهد.[53] یک مهندس مکانیک یا کارگر ماهر در ایالات متحده که نقشه های فنی را ایجاد می کند، ممکن است به عنوان پیش نویس یا نقشه کش نامیده شود. پیش نویس در طول تاریخ یک فرآیند دو بعدی بوده است، اما برنامه های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) اکنون به طراح اجازه می دهد تا در سه بعدی ایجاد کند.

 

دستورالعمل‌های ساخت یک قطعه باید به ماشین‌های لازم، یا به صورت دستی، از طریق دستورالعمل‌های برنامه‌ریزی‌شده، یا از طریق استفاده از یک برنامه تولید به کمک کامپیوتر (CAM) یا برنامه ترکیبی CAD/CAM ارائه شود. در صورت تمایل، یک مهندس همچنین ممکن است به صورت دستی قطعه ای را با استفاده از نقشه های فنی بسازد. با این حال، با ظهور تولید با کنترل عددی کامپیوتری (CNC)، اکنون می توان قطعات را بدون نیاز به ورودی ثابت تکنسین ساخت. قطعات تولید شده به صورت دستی عموماً شامل پوشش های اسپری، پوشش های سطحی و سایر فرآیندهایی هستند که به لحاظ اقتصادی یا عملی توسط ماشین قابل انجام نیستند.

 

پیش نویس تقریباً در همه زیرشاخه های مهندسی مکانیک و بسیاری از شاخه های دیگر مهندسی و معماری استفاده می شود. مدل‌های سه‌بعدی ایجاد شده با استفاده از نرم‌افزار CAD نیز معمولاً در تحلیل اجزا محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده می‌شوند.

بسیاری از شرکت‌های مهندسی مکانیک، به‌ویژه آن‌هایی که در کشورهای صنعتی هستند، شروع به ترکیب برنامه‌های مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) در فرآیندهای طراحی و تحلیل موجود خود کرده‌اند، از جمله طراحی به کمک کامپیوتر مدل‌سازی جامد دو بعدی و سه بعدی (CAD). این روش مزایای زیادی دارد، از جمله تجسم آسان تر و جامع تر محصولات، امکان ایجاد مجموعه های مجازی قطعات و سهولت استفاده در طراحی رابط های جفت و تلرانس.

 

سایر برنامه‌های CAE که معمولاً توسط مهندسان مکانیک استفاده می‌شود شامل ابزارهای مدیریت چرخه عمر محصول (PLM) و ابزارهای تحلیلی است که برای انجام شبیه‌سازی‌های پیچیده استفاده می‌شوند. ابزارهای تجزیه و تحلیل ممکن است برای پیش بینی پاسخ محصول به بارهای مورد انتظار، از جمله عمر خستگی و قابلیت ساخت استفاده شوند. این ابزارها عبارتند از تجزیه و تحلیل اجزای محدود (FEA)، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و ساخت به کمک کامپیوتر (CAM).

 

با استفاده از برنامه‌های CAE، یک تیم طراحی مکانیکی می‌تواند به سرعت و ارزان فرآیند طراحی را تکرار کند تا محصولی را توسعه دهد که هزینه، عملکرد و سایر محدودیت‌ها را بهتر برآورده کند. تا زمانی که طراحی به اتمام نرسد، نیازی به ایجاد نمونه اولیه فیزیکی نیست، که اجازه می دهد صدها یا هزاران طرح به جای تعداد کمی از آنها ارزیابی شوند. علاوه بر این، برنامه‌های تحلیل CAE می‌توانند پدیده‌های فیزیکی پیچیده‌ای را که با دست قابل حل نیستند، مانند ویسکوالاستیسیته، تماس پیچیده بین قطعات جفت‌گیری یا جریان‌های غیرنیوتنی مدل‌سازی کنند.

 

همانطور که در مکاترونیک دیده می شود، همانطور که مهندسی مکانیک شروع به ادغام با سایر رشته ها می کند، بهینه سازی طراحی چند رشته ای (MDO) با سایر برنامه های CAE برای خودکارسازی و بهبود فرآیند طراحی تکراری استفاده می شود. ابزارهای MDO پیرامون فرآیندهای CAE موجود می‌پیچند و به ارزیابی محصول اجازه می‌دهند حتی پس از اینکه تحلیلگر به خانه می‌رود، ادامه یابد. آن‌ها همچنین از الگوریتم‌های بهینه‌سازی پیچیده‌ای برای کاوش هوشمندانه‌تر طرح‌های ممکن استفاده می‌کنند و اغلب راه‌حل‌های بهتر و خلاقانه‌تری برای مشکلات طراحی چند رشته‌ای پیدا می‌کنند.