You are currently viewing التخصصات الفرعية للهندسة الميكانيكية
التخصصات الفرعية للهندسة الميكانيكية

التخصصات الفرعية للهندسة الميكانيكية

علاقة هندسة الميكانيك بالعلوم الأخرى

حديثا تم دمج هندسة الميكانيكا مع الطب لتشكل الهندسة الطبية الحيوية تعتمد على قوانين هندسية لصناعة آلات طبية. ولهندسة الميكانيكا علاقة مباشرة مع الهندسة النانونية. وعندما يتعامل المهندسون مع جزيئات صغيرة جدا تتحول إسم الهندسة من ميكانيكا إلى نانو. وتهدف هندسة النانو لبناء مواد ونسيج لها خواص معينة. وإحدى مجالات البحث العلمى فى هذا النطاق هو الأجسام النانونية التي تستخدم في بناء الأجهزة الطبية.

تخصصات فرعية

يمكن اعتبار مجال الهندسة الميكانيكية على أنه مجموعة من العديد من تخصصات علوم الهندسة الميكانيكية. يتم سرد العديد من هذه التخصصات الفرعية التى يتم تدريسها فى المستوى الجامعى أدناه مع شرح موجز والتطبيق الأكثر شيوعا لكل منها. وتعتبر بعض هذه التخصصات الفرعية فريدة للهندسة الميكانيكية فى حين أن البعض الآخر عبارة عن مزيج من الهندسة الميكانيكية وواحد أو أكثر من التخصصات الأخرى. تستخدم معظم الأعمال التى يقوم بها المهندس الميكانيكى المهارات والتقنيات من العديد من هذه التخصصات الفرعية بالإضافة إلى التخصصات الفرعية المتخصصة. من المرجح أن تكون التخصصات الفرعية المتخصصة كما هى مستخدمة فى هذه المقالة  موضوع للدراسات العليا أو التدريب أثناء العمل أكثر من البحث الجامعى. وتمت مناقشة العديد من التخصصات الفرعية المختصة فى هذا القسم.

الميكانيكا

الميكانيكا  بالمعنى الأكثر عمومية  هى دراسة القوى وتأثيرها على المادة. وعادة ما تُستخدم الميكانيكا الهندسية لتحليل وتوقع التسارع والتشوه (المرونة والبلاستيكية) للأجسام تحت تأثير قوى معروفة (تسمى الأحمال) أو الاجهادات. تشمل التخصصات الفرعية للميكانيكا:

  • الإستاتيكا  دراسة الأجسام غير المتحركة تحت أحمال معروفة وكيف تؤثر القوى على الأجسام الساكنة.
  • الديناميكا  دراسة كيفية تأثير القوى على الأجسام المتحركة. تشمل الكيناماتيك (الحركة والسرعة والتسارع) والكيناتيك (القوى والتسارع الناتج).
  • ميكانيكا المواد  ودراسة كيفية تشوه المواد المختلفة تحت أنواع مختلفة من الإجهادات
  • ميكانيكا الموائع  دراسة كيفية تفاعل السوائل مع القوى
  • علم الكيناماتيك  دراسة حركة الأجسام (الأجسام) والأنظمة (مجموعات الكائنات)  مع تجاهل القوى التى تسبب الحركة. وغالبا تُستخدم الحركة فى تصميم الآليات وتحليلها.
  • ميكانيكا الإتصال  وهى طريقة لتطبيق الميكانيكا تفترض أن الأشياء متصلة وعادة ما يستخدم المهندسون الميكانيكيون الميكانيكا فى مراحل تصميم أو تحليل الهندسة. وإذا كان المشروع الهندسى عبارة عن تصميم لمركبة  فيمكن استخدام الإستاتيكا لتصميم إطار السيارة  من أجل تقييم المكان الذى ستكون فيه الضغوط أشد. ويمكن استخدام الديناميكيات عند تصميم محرك السيارة  لتقييم القوى فى المكابس والحدبات أثناء دورات المحرك. يمكن استخدام ميكانيكا المواد من أجل اختيار المواد المناسبة للإطار والمحرك. ويمكن استخدام ميكانيكا الموائع لتصميم نظام تهوية للمركبة أو لتصميم نظام التغذية بالوقود والهواء للمحرك.

الميكاترونيك والروبوتية

الميكاترونيك هو مزيج من الميكانيكا والإلكترونيات. وهو فرع متعدد التخصصات من الهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية وهندسة البرمجيات يهتم بدمج الهندسة الكهربائية والميكانيكية لإنشاء أنظمة هجينة. بهذه الطريقة يمكن أتمتة الآلات من خلال استخدام المحركات الكهربائية وآليات المؤازرة والأنظمة الكهربائية الأخرى جنبا إلى جنب مع البرمجيات الخاصة. ومن الأمثلة الشائعة على نظام الميكاترونك هو محرك الأقراص المضغوطة. تفتح الأنظمة الميكانيكية محرك الأقراص وتغلقه  وتدير القرص المضغوط وتحرك الليزر  بينما يقرأ النظام البصري البيانات الموجودة على القرص المضغوط ويحولها إلى وحدات بت. بينما يتحكم البرنامج المدمج فى العملية وينقل محتويات القرص المضغوط للكمبيوتر.

والروبوتية هى تطبيق للميكاترونك لإنشاء الروبوتات والتى تستخدم فى الصناعة لأداء مهام خطيرة أو غير محببة أو متكررة. وقد تكون هذه الروبوتات بأى شكل وحجم ولكن جميعها مبرمجة مسبقا وتتفاعل ماديا مع العالم. ولإنشاء روبوت يستخدم المهندس الكينماتيك (لتحديد نطاق حركة الروبوت) والكيناتيك (لتحديد الإجهادات داخل الروبوت).

وتستخدم الروبوتات بصورة كبيرة فى الهندسة الصناعية. فهى تسمح للشركات بتوفير أجور العمالة  وأداء المهام التى تكون إما شديدة الخطورة أو دقيقة للغاية ويصعب على البشر أدائها على نحو اقتصادى  ولضمان جودة أفضل. وتستخدم العديد من الشركات خطوط تجميع من الروبوتات خاصة فى صناعات السيارات ويتم تشغيل بعض المصانع آليا بحيث يمكن تشغيلها ذاتيا. وبعيدا عن المصنع  تم استخدام الروبوتات فى التخلص من القنابل واستكشاف الفضاء والعديد من المجالات الأخرى. وتُباع الروبوتات لمختلف التطبيقات الإجتماعية من الترفيه إلى الإستخدامات المنزلية.

تحليل المنشآت

التحليل الإنشائى فرع من فروع الهندسة الميكانيكية (وكذلك الهندسة المدنية) يهتم بدراسة لماذا وكيف تنهار الأجسام والعناصر الإنشائية ولإصلاح الأشياء وأدائها. تحدث الإنهيارات فى الهياكل الإنشائية تبعا لنموذجين رئيسيين: الإنهيار الإستاتيكى وانهيار حد الكلال. ويحدث انهيار المنشآت الإستاتيكى عند التحميل (مع تطبيق القوة)  فينكسر الجسم الذى يتم تحليله أو يتشكل تشكل لدن.  أما الانهيار بالكلال فيحدث عندما ينهار جسم ما بعد عدد من دورات التحميل والتفريغ المتكررة. يحدث الكلال بسبب عيوب فى الجسم فعلى سبيل المثال يبدأ بشق مجهرى على سطح الجسم ثم يأخذ فى التوسع مع كل دورة (انتشار) حتى يصبح الشق كبير بما يكفى لإحداث الإنهيار النهائى.

ولا يتم تعريف الإنهيار ببساطة على أنه عندما ينكسر أحد الأجزاء  ولكن تعريفه عندما لا يعمل جزء على النحو المصمم له. وبعض الأنظمة  مثل الأجزاء العلوية المثقبة لبعض الأكياس البلاستيكية مصممة للقطع. فإذا استعصت على القطع فقد يتم استخدام تحليل الإنهيار لتحديد السبب.

ويستخدم المهندسون الميكانيكيون التحليل الإنشائى بعد حدوث عطل ما أو عند التصميم لمنع الانهيار. ويستخدم المستندات والكتب عبر الإنترنت لمساعدتهم فى تحديد نوع الفشل والأسباب المحتملة.

بمجرد تطبيق النظرية على التصميم الميكانيكي يتم إجراء الإختبار المادى للتحقق من النتائج المحسوبة. يمكن استخدام التحليل الإنشائى فى المكتب عند تصميم الأجزاء أو فى الميدان لتحليل الأجزاء التالفة أو فى المختبرات حيث قد تخضع الأجزاء لاختبارات انهيار مقننة.

الديناميكا الحرارية والعلوم الحرارية

الديناميكا الحرارية هى علم تطبيقى يستخدم فى العديد من فروع الهندسة بما فى ذلك الهندسة الميكانيكية والكيميائية. وهى فى أبسط صورها دراسة الطاقة واستخدامها وتحويلها من خلال نظام ما. وتهتم الديناميكا الحرارية الهندسية بتغيير الطاقة من شكل لآخر. على سبيل المثال تقوم محركات السيارات بتحويل الطاقة الكيميائية من الوقود إلى حرارة. ثم إلى عمل ميكانيكى يؤدى فى النهاية إلى تدوير العجلات.

يتم استخدام مبادئ الديناميكا الحرارية من قبل المهندسين الميكانيكيين فى مجالات نقل الحرارة والموائع الحرارية وتحويل الطاقة. يستخدم المهندسون الميكانيكيون العلوم الحرارية لتصميم المحركات ومحطات الطاقة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)  والمبادلات الحرارية والمشتتات الحرارية والمشعات والتبريد والعزل وغيرها.

التصميم والصياغة

الصياغة أو الرسم الفنى هو الوسيلة التى يصمم بها المهندسون الميكانيكيون المنتجات ويضعون تعليمات التصنيع للأجزاء. يمكن أن يكون الرسم الفنى نموذج حاسوبى أو مخطط مرسوم يدوى يوضح جميع الأبعاد اللازمة لتصنيع جزء بالإضافة إلى ملاحظات التجميع  وقائمة بالمواد المطلوبة  وغيرها من المعلومات ذات الصلة. يمكن الإشارة إلى المهندس الميكانيكى أو العامل الماهر الذى يقوم بإنشاء الرسومات الفنية كمحرر أو رسام. كانت الصياغة تاريخيا عملية ثنائية الأبعاد لكن برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر إوتوكاد تسمح الآن للمصمم بالإنشاء فى ثلاثة أبعاد.

وينم تغذية التعليمات الخاصة بتصنيع الجزء المطلوب الى الماكينة المحددة إما يدوى من خلال تعليمات مبرمجة أو من خلال استخدام التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM) أو برنامج CAD / CAM المدمج. ويقوم المهندس بتصنيع جزء يدوى باستخدام الرسومات الفنية. ومع ذلك مع ظهور التصنيع باستخدام الحاسب الآلى (CNC)  يمكن تصنيع الأجزاء دون الحاجة إلى تدخل الفننيين . وتتضمن عمليات التصنيع اليدوى بشكل عام  الطلاء بالرش والتشطيبات السطحية والعمليات الأخرى التى لا يمكن أن تقوم بها الآلة إقتصاديا أو عمليا. وتستخدم الصياغة فى كل فرع من فروع الهندسة الميكانيكية تقريبا وفى العديد من فروع الهندسة والعمارة الأخرى. تُستخدم النماذج ثلاثية الأبعاد التى تم إنشاؤها باستخدام برنامج أوتوكاد بشكل شائع فى تحليل العناصر المحدودة (FEA) وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD).

التخصصات الفرعية للهندسة الميكانيكية

أدوات حديثة

بدأت العديد من شركات الهندسة الميكانيكية وخاصة تلك الموجودة فى الدول الصناعية. فى دمج برامج الهندسة بمساعدة الكمبيوتر (CAE) فى عمليات التصميم والتحليل الحالية. بما فى ذلك التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) للنمذجة ثنائية وثلاثية الأبعاد. تتمتع هذه الطريقة بالعديد من الفوائد بما فى ذلك التصور الأسهل والأكثر شمول للمنتجات والقدرة على إنشاء تجميعات افتراضية للأجزاء  وسهولة الإستخدام فى تصميم العلاقات التجميعية والتجاوزات.

تتضمن برامج CAE الأخرى التى يشاع استخدامها من قبل المهندسين الميكانيكيين. إدارة دورة حياة المنتج (PLM) وأدوات التحليل المستخدمة لأداء عمليات المحاكاة المعقدة. يمكن استخدام أدوات التحليل للتنبؤ باستجابة المنتج للأحمال المتوقعة بما فى ذلك حد الكلال وقابلية التصنيع. وتتضمن هذه الأدوات تحليل العناصر المحدودة (FEA) وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM).

باستخدام برامج CAE يمكن لفريق التصميم الميكانيكى تكرار عملية التصميم بسرعة وبتكلفة زهيدة. لتطوير منتج يلبى بشكل أفضل متطلبات التكلفة والأداء والمحددات الأخرى. لا يلزم إنشاء نموذج أولى مادى حتى يقترب التصميم من الاكتمال مما يسمح بتقييم مئات أو آلاف التصميمات بدل من عدد قليل نسبيا … ويمكن لبرامج تحليل CAE نمذجة الظواهر الفيزيائية المعقدة التى لا يمكن حلها يدوى  مثل اللزوجة المرنة أو الإتصال المعقد بين عناصرالإزدواجات أو التدفقات اللانيوتونية.

عندما تبدأ الهندسة الميكانيكية فى الإندماج مع التخصصات الأخرى كما يتجل فى الميكاترونك يتم استخدام تحسين التصميم متعدد التخصصات (MDO) مع برامج CAE الأخرى لأتمتة عملية التصميم التكرارى وتحسينها. استخدام أدوات MDO مع عمليات CAE الحالية يسمح بمواصلة تقييم المنتج علي مدار اليوم حتى بعد عودة الباحث إلى المنزل … كما أنهم يستخدمون خوارزميات تحسين متطورة لاستكشاف التصاميم الممكنة بشكل أكثر ذكاء. وغالبا ما يجدون حلول أفضل ومبتكرة لمشاكل التصميم متعددة التخصصات الصعبة.

التخصصات الفرعية للهندسة الميكانيكية

اترك رد