Bước tới nội dung

Kỹ thuật cơ khí

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
(Đổi hướng từ Cơ khí)
Một động cơ ô tô được tô màu

Kỹ thuật cơ khí là một ngành Khoa học kỹ thuật, ứng dụng các nguyên lý vật lý, kỹ thuật và khoa học vật liệu để thiết kế, phân tích, chế tạo và bảo dưỡng các loại máy móc và hệ thống cơ khí. Nó là một lĩnh vực kỹ thuật liên quan đến thiết kế, chế tạo và vận hành máy móc. Kỹ thuật cơ khí là ngành lâu đời nhất, rộng lớn nhất của kỹ thuật.

Lĩnh vực kĩ thuật cơ khí cần sự am hiểu về các lĩnh vực cốt lõi bao gồm cơ học, động lực học, nhiệt động lực học, khoa học vật liệu, phân tích cấu trúc và năng lượng. Ngoài những lĩnh vực cốt lõi trên, kĩ thuật cơ khí còn sử dụng các công cụ như thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD), và quản lí vòng đời sản phẩm để thiết kế và phân tích nhà máy sản xuất, thiết bị công nghiệp và máy móc, hệ thống nhiệt và làm lạnh, hệ thống giao thông, máy bay, tàu thủy, robot, thiết bị y học, vũ khí và những cái khác.

Kĩ thuật cơ khí nổi lên sau cuộc cách mạng công nghiệp ở châu Âu ở thế kỉ 18; tuy nhiên, sự phát triển của nó đã bắt đầu từ vài ngàn năm trước khắp thế giới. Những tiến bộ trong lĩnh vực vật lí trong thế kỉ 19 kéo theo sự sự phát triển của khoa học kĩ thuật cơ khí. Lĩnh vực này vẫn đang nỗ lực để kết hợp các tiến bộ; ngày nay, kĩ thuật cơ khí theo đuổi các tiến bộ trong các lĩnh vực như composite, cơ điện tử và công nghệ nano. Nó cũng bao gồm kĩ thuật hàng không vũ trụ, kĩ thuật luyện kim, kĩ thuật xây dựng, kĩ thuật điện, kĩ thuật chế tạo, kĩ thuật hóa học, kĩ thuật công nghiệp và các lĩnh vực kĩ thuật khác với những mức độ khác nhau. Nó cũng làm việc trong các lĩnh vực kĩ thuật y sinh, đặc biệt là cơ y sinh, hiện tượng giao thông, cơ điện tử sinh học, công nghệ nano sinh học và mô hình hệ thống sinh học.

Công nghệ cơ khí thường tạo ra các giả lập mô phỏng hoạt động của các đối tượng, như quy trình chế tạo thực tế theo trình tự tối ưu hóa sự thực hiện, hiệu quả kinh tế và chi phí năng lượng trước khi quyết định lựa chọn một thiết kế cụ thể.

Các bản vẽ kỹ thuật để chế tạo là sản phẩm cuối cùng của khâu thiết kế. Chúng phải thỏa mãn hai mục đích: bao gồm đầy đủ tất cả các thông tin cần thiết để chế tạo và cũng còn là một tiêu chí kiểm soát kỹ thuật đối với các mức độ sửa chữa. Trước cuối thế kỷ 20, rất nhiều bản vẽ kỹ thuật được thực hiện bằng tay với sự trợ giúp của bảng vẽ cơ khí. Sự ra đời của máy tính với giao diện người dùng đồ họa đã có thể giúp thực hiện được việc tạo ra các mô hình và các bản vẽ bằng các chương trình máy tính trợ giúp thiết kế (CAD).

Nhiều chương trình CAD hiện nay cho phép tạo ra các mô hình ba chiều để có thể nhìn từ mọi góc độ. Các chương trình CAD mô hình hóa vật thể đặc tiên tiến là một hệ thống thiết kế hiện thực ảo. Những mô hình đặc như vậy có thể được dùng làm cơ sở cho các phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và/hoặc tính toán động lực dòng chảy (CFD) của thiết kế. Cho đến ứng dụng gia công với trợ giúp máy tính (CAM), những mô hình này cũng có thể được dùng trực tiếp bằng phần mềm để tạo 'lệnh" cho việc chế tạo ra các đối tượng được mô tả bởi các mô hình đó, thông qua các máy điều khiển số hóa bằng máy tính (CNC) hoặc các tiến trình tự động hóa mà không cần đến các bản vẽ trung gian.

Các chuyên ngành cơ bản của cơ khí bao gồm: động học, tĩnh học, sức bền vật liệu, truyền nhiệt, động lực dòng chảy, cơ học vật rắn, điều khiển học, khí động học, thủy lực, chuyển động học và các ứng dụng nhiệt động lực học. Các kỹ sư cơ khí cũng đòi hỏi phải có kiến thức và năng lực áp dụng những khái niệm trong môi trường kỹ thuật điện và hóa học. Với một mức độ nhỏ, cơ khí còn trở thành kỹ thuật phân tử - một mục tiêu viễn cảnh của nó là tạo ra một tập hợp phân tử để xây dựng được những phân tử và vật liệu bằng con đường tổng hợp cơ học.

Lịch sử

Ứng dụng kỹ thuật cơ khí có thể thấy được qua nhiều thành tựu thời cổ đại và trung đại. Vào thời Hy Lạp cổ đại, các công trình của Archimedes (287-212 BC) có ảnh hưởng rất lớn đối với cơ học truyền thống ở phương Tây và Heron (c. 10 - 70 AD) ở Alexandria đã chế tạo ra động cơ hơi nước đầu tiên (Aeolipile). Ở Trung Quốc, Trương Hành (78 - 139 AD) đã phát minh ra đồng hồ nước và địa chấn kế. Ma Jun (200 - 265 AD) cũng đã phát minh ra xe ngựa với bộ truyền bánh răng vi sai. Nhà xác định thời khắc và kĩ sư Trung Quốc thời trung đại Tô Tụng (1020 - 1101 AD) đã kết hợp cơ cấu con ngựa và tháp đồng hồ thiên văn của ông ta hai thế kỉ trước khi các thiết bị dùng cơ cấu con ngựa được sử dụng trong các đồng hồ của châu Âu thời Trung Cổ. Ông cũng được biết đến là người sử dụng bộ truyền xích đầu tiên trên thế giới.

Vào thời đại hoàng kim của Hồi giáo (thế kỉ VII - thế kỉ XV), các nhà phát minh hồi giáo đã có nhiều đóng góp đáng ghi nhận. Al-Jazari là một trong số họ. Ông là tác giả của quyển sách cổ nổi tiếng "Kiến thức về các thiết bị cơ khí tinh xảo" vào năm 1206, trong đó trình bày rất nhiều thiết kế cơ khí. Ông cũng được coi là nhà phát minh của nhiều loại thiết bị cơ khí là căn bản của cơ học hiện nay như trục khuỷu và trục cam.

Trong thế kỷ 17, những đột phá quan trọng trong nền tảng cơ khí đã xảy ra ở Anh. Sir Isaac Newton đã xây dựng định luật Newton về chuyển động và phát triển Calculus, cơ sở toán học của vật lý học. Newton đã miễn cưỡng xuất bản tác phẩm của mình trong nhiều năm, nhưng cuối cùng ông cũng bị thuyết phục bởi các đồng nghiệp, như Sir Edmond Halley, làm lợi cho toàn nhân loại. Gottfried Wilhelm Leibniz cũng được ghi nhận là tạo ra Calculus trong khoảng thời gian này.

Trong cuộc cách mạng công nghiệp vào đầu thế kỉ XIX, máy công cụ được phát triển ở Anh, Đức và Scotlend đã đưa kỹ thuật cơ khí tách ra thành một lĩnh vực riêng biệt trong kĩ thuật. Các máy công cụ được dùng để chế tạo máy và các động cơ để cung cấp năng lượng cho chúng. Cộng đồng nghề nghiệp đầu tiên của Kĩ sư Cơ khí là Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí được thành lập và năm 1847. Ba mươi năm sau, các kĩ sư xây dưng cũng sáng lập nên Hiệp hội Kĩ sư Xây dựng. Ở châu Âu, Johann von Zimmermann (1820 - 1901) đã xây dựng nhà máy đầu tiên về máy mài ở Chemnitz, Đức và năm 1948.

Ở Mỹ, Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME) được thành lập vào năm 1880, là hiệp hội kĩ thuật chuyên nghiệp thứ ba sau Hiệp hội kĩ sư Xây dựng Hoa Kỳ (1852) và Viện Kĩ sư mỏ Hoa Kỳ (1871). Những trường học đầu tiên ở Mỹ dạy kĩ thuật là Học viện Quân sự Hoa Kỳ (năm 1817), tổ chức hiện tại là Đại học Norwich (1819) và viện Bách Khoa Rensselaer (1825). Việc giảng dạy cơ khí xưa nay luôn dựa trên nền tảng toán học và khoa học.

Các môn học

Những môn học cơ bản của kỹ thuật cơ khí thường bao gồm:

  1. Toán học (toán chuyên đề, toán học tính toán, phương trình vi phân, và đại số tuyến tính)
  2. Khoa học vật lí cơ bản (bao gồm vật lí và hóa học)
  3. Cơ học lý thuyết (tĩnh học, động học và động lực học)
  4. Sức bền vật liệu và cơ học kết cấu
  5. Kỹ thuật vật liệu và composite
  6. Nhiệt động học, truyền nhiệt, biến đổi năng lượng, và HVAC
  7. Nhiên liệu, sự đốt và động cơ đốt trong
  8. Cơ học chất lỏng (bao gồm: thủy tĩnh và thủy động)
  9. Thiết kế máy và cơ cấu (gồm: động học và động lực học)
  10. Dụng cụ và đo lường
  11. Kỹ thuật chế tạo: công nghệ và quá trình
  12. Rung động, lý thuyết và kỹ thuật điều khiển
  13. Thủy lực và khí nén học
  14. Cơ điện tử và Rô-bốt học
  15. Thiết kế kỹ thuật và thiết kế sản phẩm
  16. Vẽ kỹ thuật, CAD và CAM

Ngoài ra, các kỹ sư cơ khí cũng được trang bị kiến thức đại cương về các ngành: hóa học, vật lý, kỹ thuật hóa học, kỹ thuật xây dựng, và kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử để có thể thiết kế, chế tạo, sửa chữa các máy móc, trang thiết bị trong các ngành này.

Nhiệm vụ công việc

Kỹ sư cơ khí nghiên cứu, thiết kế, phát triển, chế tạo và thử nghiệm các thiết bị cơ khí và nhiệt, bao gồm dụng cụ, động cơ và máy móc.

Kỹ sư cơ khí thường thực hiện các công việc sau:

  • Phân tích vấn đề để xác định cách các thiết bị cơ khí và nhiệt có thể giúp giải quyết vấn đề.
  • Thiết kế hoặc thiết kế lại các thiết bị cơ khí và nhiệt bằng cách sử dụng phân tích và thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD).
  • Phát triển và thử nghiệm các nguyên mẫu của thiết bị đã thiết kế.
  • Phân tích kết quả thử nghiệm và điều chỉnh thiết kế khi cần thiết.
  • Giám sát quá trình chế tạo thiết bị.
  • Quản lý nhóm chuyên gia trong các lĩnh vực chuyên môn như bản vẽ cơ khí, thiết kế, chế tạo mẫu, in 3D hoặc chuyên gia máy CNC.

Kỹ sư cơ khí thiết kế và giám sát việc sản xuất nhiều sản phẩm, từ thiết bị y tế đến pin thế hệ mới. Họ cũng thiết kế các máy tạo năng lượng như máy phát điện, động cơ đốt trong và tua-bin hơi nước, tua-bin khí, cũng như các máy tiêu thụ năng lượng như hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí.

Giống như các kỹ sư khác, kỹ sư cơ khí sử dụng máy tính để tạo và phân tích thiết kế, chạy mô phỏng và kiểm tra cách một máy có khả năng hoạt động.

Giấy phép và quy định

Các kỹ sư có thể xin giấy phép hành nghề (license) từ chính quyền cấp bang, tỉnh hoặc quốc gia. Mục đích của quy trình này là đảm bảo kỹ sư có đủ kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm thực tế và hiểu biết pháp luật địa phương để hành nghề ở mức chuyên nghiệp. Sau khi được chứng nhận, kỹ sư được cấp danh hiệu Professional Engineer (tại Hoa Kỳ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc, Bangladesh và Nam Phi). Danh hiệu Chartered Engineer được sử dụng tại Vương quốc Anh, Ireland, Ấn Độ và Zimbabwe, cùng với Chartered Professional Engineer (tại Úc và New Zealand) hoặc European Engineer (tại phần lớn Liên minh châu Âu).

Tại Hoa Kỳ, để trở thành Professional Engineer (PE), kỹ sư phải vượt qua kỳ thi FE (Fundamentals of Engineering), làm việc tối thiểu 4 năm với vai trò Engineering Intern (EI) hoặc Engineer-in-Training (EIT), và vượt qua kỳ thi "Principles and Practice" (PE). Các yêu cầu và quy trình này được quy định bởi National Council of Examiners for Engineering and Surveying (NCEES), tổ chức gồm các hội đồng cấp phép kỹ sư và đo đạc đại diện cho tất cả các bang và vùng lãnh thổ của Hoa Kỳ.

Tại Úc (Queensland và Victoria), kỹ sư phải được đăng ký là Professional Engineer tại bang nơi họ hành nghề, ví dụ Registered Professional Engineer of Queensland (RPEQ) hoặc Victoria (RPEV).

Tại Vương quốc Anh, sinh viên tốt nghiệp hiện nay cần có bằng BEng cùng với bằng thạc sĩ phù hợp hoặc bằng MEng tích hợp, có tối thiểu 4 năm kinh nghiệm làm việc sau khi tốt nghiệp và một báo cáo dự án được đánh giá ngang hàng để trở thành Chartered Mechanical Engineer (CEng, MIMechE) thông qua Institution of Mechanical Engineers. Danh hiệu này cũng có thể đạt được thông qua kỳ thi do City and Guilds of London Institute tổ chức.[1]

Ở hầu hết các quốc gia phát triển, một số công việc kỹ thuật nhất định, như thiết kế cầu, nhà máy điện và nhà máy hóa chất, phải được phê duyệt bởi một kỹ sư chuyên nghiệp hoặc một kỹ sư công chứng. “Chỉ kỹ sư có giấy phép mới được phép chuẩn bị, ký, đóng dấu và nộp bản vẽ kỹ thuật cho cơ quan công quyền để phê duyệt, hoặc chứng nhận công việc kỹ thuật cho khách hàng công và tư.”[2] Yêu cầu này có thể được quy định trong luật cấp bang hoặc tỉnh, ví dụ như tại Ontario hoặc Quebec (Canada).[3]

Ở các quốc gia khác, như Vương quốc Anh, không có luật cụ thể như vậy; tuy nhiên, gần như tất cả các tổ chức chứng nhận đều duy trì một quy tắc đạo đức độc lập với pháp luật, yêu cầu tất cả thành viên tuân thủ nếu không sẽ bị loại bỏ.[4]

Mức lương và thống kê lực lượng lao động

Tổng số kỹ sư làm việc tại Hoa Kỳ năm 2015 vào khoảng 1,6 triệu người. Trong đó, 278.340 là kỹ sư cơ khí (17,28%), là ngành có quy mô lớn nhất.[5] Năm 2012, thu nhập trung bình hàng năm của kỹ sư cơ khí tại Hoa Kỳ là 80.580 USD. Thu nhập trung bình cao nhất khi làm việc cho chính phủ (92.030 USD) và thấp nhất trong lĩnh vực giáo dục (57.090 USD).[6] Năm 2014, số lượng việc làm trong ngành kỹ thuật cơ khí được dự báo tăng 5% trong thập kỷ tiếp theo.[7] Tính đến năm 2009, mức lương khởi điểm trung bình là 58.800 USD với bằng cử nhân.[8]

Các phân ngành

Lĩnh vực kỹ thuật cơ khí có thể được xem như một tập hợp của nhiều ngành khoa học cơ khí. Một số phân ngành này thường được giảng dạy ở bậc đại học được liệt kê dưới đây, kèm theo mô tả ngắn gọn và ứng dụng phổ biến nhất của mỗi ngành. Một số phân ngành là đặc thù của kỹ thuật cơ khí, trong khi những ngành khác là sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí và một hoặc nhiều lĩnh vực khác. Phần lớn công việc của một kỹ sư cơ khí sử dụng kỹ năng và kỹ thuật từ nhiều phân ngành này, cũng như các phân ngành chuyên sâu. Các phân ngành chuyên sâu, như được sử dụng trong bài viết này, thường là đối tượng của chương trình sau đại học hoặc đào tạo trong công việc hơn là nghiên cứu bậc đại học. Một số phân ngành chuyên sâu được trình bày trong mục này.

Cơ học

Vòng tròn Mohr (Mohr's circle), một công cụ phổ biến để nghiên cứu ứng suất trong một phần tử cơ khí

Cơ học, theo nghĩa tổng quát nhất, là nghiên cứu về các lực và tác động của chúng lên vật chất. Thông thường, cơ học kỹ thuật được sử dụng để phân tích và dự đoán gia tốc và biến dạng (cả đàn hồi và dẻo) của các vật thể dưới tác dụng của các lực đã biết (còn gọi là tải trọng) hoặc ứng suất. Các phân ngành của cơ học bao gồm:

  • Tĩnh học (Statics), nghiên cứu các vật thể đứng yên dưới tác dụng của tải trọng đã biết, cách lực ảnh hưởng đến các vật thể tĩnh
  • Động lực học (Dynamics), nghiên cứu cách lực ảnh hưởng đến các vật thể chuyển động. Động lực học bao gồm động học (về chuyển động, vận tốc và gia tốc) và động lực học lực (về lực và gia tốc sinh ra).
  • Cơ học vật liệu (Mechanics of materials), nghiên cứu cách các vật liệu khác nhau biến dạng dưới các loại ứng suất khác nhau
  • Cơ học chất lỏng (Fluid mechanics), nghiên cứu cách chất lỏng phản ứng với lực[9]
  • Động học (Kinematics), nghiên cứu chuyển động của các vật thể và hệ thống, bỏ qua các lực gây ra chuyển động. Động học thường được sử dụng trong thiết kế và phân tích cơ cấu.
  • Cơ học liên tục (Continuum mechanics), phương pháp áp dụng cơ học giả định rằng vật thể là liên tục (thay vì rời rạc)

Kỹ sư cơ khí thường sử dụng cơ học trong các giai đoạn thiết kế hoặc phân tích kỹ thuật. Nếu dự án kỹ thuật là thiết kế một phương tiện, tĩnh học có thể được dùng để thiết kế khung xe nhằm đánh giá nơi ứng suất lớn nhất. Động lực học có thể được sử dụng khi thiết kế động cơ để đánh giá lực trong piston và cam khi động cơ hoạt động. Cơ học vật liệu có thể được dùng để chọn vật liệu phù hợp cho khung và động cơ. Cơ học chất lỏng có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống thông gió cho xe (xem HVAC) hoặc hệ thống cửa hút (intake) của động cơ.

Cơ điện tử và robot

Cơ điện tử (Mechatronics) là sự kết hợp giữa cơ học và điện tử. Đây là một nhánh liên ngành của kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật điện và Kỹ thuật phần mềm nhằm tích hợp hệ thống điện và cơ khí để tạo ra các hệ thống tự động hóa lai. Theo cách này, máy móc có thể được tự động hóa thông qua việc sử dụng động cơ điện, cơ cấu servo (servo-mechanisms) và các hệ thống điện khác kết hợp với phần mềm chuyên dụng. Một ví dụ phổ biến của hệ thống cơ điện tử là ổ đĩa CD-ROM. Các hệ thống cơ khí mở và đóng ổ, quay đĩa và di chuyển tia laser, trong khi hệ thống quang học đọc dữ liệu và chuyển đổi thành bit. Phần mềm tích hợp điều khiển toàn bộ quá trình và truyền nội dung đĩa CD đến máy tính.

Robot học (Robotics) là ứng dụng của cơ điện tử để tạo ra robot, thường được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện các công việc nguy hiểm, khó chịu hoặc lặp lại. Các robot này có thể có bất kỳ hình dạng và kích thước nào, nhưng đều được lập trình trước và tương tác vật lý với thế giới. Để tạo ra một robot, kỹ sư thường sử dụng động học (để xác định phạm vi chuyển động của robot) và cơ học (để xác định ứng suất trong robot).

Robot được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tự động hóa công nghiệp. Chúng cho phép doanh nghiệp tiết kiệm chi phí lao động, thực hiện các công việc quá nguy hiểm hoặc quá chính xác mà con người khó làm hiệu quả kinh tế, và đảm bảo chất lượng tốt hơn. Nhiều công ty sử dụng dây chuyền lắp ráp bằng robot, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, và một số nhà máy được tự động hóa đến mức có thể hoạt động không cần con người. Ngoài nhà máy, robot được sử dụng trong xử lý bom, thám hiểm không gian và nhiều lĩnh vực khác. Robot cũng được bán cho các ứng dụng dân dụng, từ giải trí đến gia đình.[10]

Phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu là nhánh của kỹ thuật cơ khí (và cả kỹ thuật xây dựng) chuyên nghiên cứu nguyên nhân và cách thức vật thể bị hỏng, đồng thời tìm cách khắc phục và cải thiện hiệu suất của chúng. Hỏng hóc kết cấu xảy ra theo hai dạng chính: hỏng tĩnh và hỏng mỏi. Hỏng kết cấu tĩnh xảy ra khi vật thể bị phá hủy hoặc biến dạng dẻo khi chịu tải. Hỏng mỏi xảy ra khi vật thể hỏng sau nhiều chu kỳ tải và dỡ tải lặp lại. Hỏng mỏi xảy ra do các khuyết tật trong vật thể: ví dụ, một vết nứt vi mô trên bề mặt sẽ phát triển dần qua mỗi chu kỳ cho đến khi đủ lớn để gây ra phá hủy cuối cùng.[11]

Tuy nhiên, hỏng hóc không chỉ được định nghĩa là khi một bộ phận bị gãy; nó còn được hiểu là khi bộ phận không hoạt động như mong muốn. Một số hệ thống, như phần đầu có đục lỗ của túi nhựa, được thiết kế để dễ rách. Nếu chúng không rách, phân tích hỏng hóc có thể được sử dụng để xác định nguyên nhân.

Phân tích kết cấu thường được kỹ sư cơ khí sử dụng sau khi xảy ra hỏng hóc hoặc khi thiết kế để phòng tránh hỏng hóc. Kỹ sư thường sử dụng tài liệu và sách như của ASM[12] để xác định loại hỏng và nguyên nhân có thể.

Sau khi áp dụng lý thuyết vào thiết kế cơ khí, các thử nghiệm thực tế thường được thực hiện để kiểm chứng kết quả tính toán. Phân tích kết cấu có thể được sử dụng trong văn phòng khi thiết kế chi tiết, tại hiện trường để phân tích chi tiết bị hỏng, hoặc trong phòng thí nghiệm với các thử nghiệm phá hủy có kiểm soát.

Nhiệt động lực học và kỹ thuật nhiệt

Nhiệt động lực học (Thermodynamics) là ngành khoa học vật lý nghiên cứu nhiệt, công, năng lượng và các tính chất vật lý của vật chất.[13] Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, bao gồm kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật hóa học. Nhiệt động lực học kỹ thuật tập trung vào các hệ thống chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.

Ở phạm vi rộng hơn, kỹ thuật nhiệt kết hợp nhiệt động lực học và khoa học hiện tượng vận chuyển để nghiên cứu truyền nhiệt, quá trình cháy và dòng chảy chất lỏng nén được trong các hệ thống kỹ thuật. Kỹ sư cơ khí sử dụng kỹ thuật nhiệt để thiết kế các thiết bị như động cơ, nhà máy điện, bộ trao đổi nhiệt, tản nhiệt, két nước, tủ lạnh, cách nhiệt và hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC).[14]

Ví dụ, động cơ ô tô chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu (enthalpy) thành nhiệt rồi thành công cơ học quay bánh xe. Kỹ sư cơ khí sẽ cố gắng thiết kế động cơ sao cho tối đa hóa tỷ lệ năng lượng hóa học chuyển thành công cơ học, thay vì bị mất dưới dạng nhiệt hoặc ma sát. Một thiết kế lý tưởng sẽ tiến gần đến hiệu suất Carnot. (Thực tế, Sadi Carnot là một kỹ sư quân sự người Pháp.)

Thiết kế và bản vẽ

Mô hình CAD của một phớt cơ khí kép

Bản vẽ kỹ thuật (Technical drawing) là phương tiện để kỹ sư cơ khí thiết kế sản phẩm và tạo hướng dẫn cho việc chế tạo các chi tiết. Bản vẽ kỹ thuật có thể là mô hình máy tính hoặc sơ đồ vẽ tay thể hiện đầy đủ kích thước cần thiết để chế tạo chi tiết, cũng như ghi chú lắp ráp, danh sách vật liệu và các thông tin liên quan khác.[15] Một kỹ sư cơ khí hoặc công nhân lành nghề tại Hoa Kỳ tạo bản vẽ kỹ thuật có thể được gọi là drafter hoặc draftsman. Trước đây, bản vẽ chủ yếu là hai chiều, nhưng các chương trình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD) cho phép tạo mô hình ba chiều.

Hướng dẫn chế tạo chi tiết phải được đưa vào máy móc cần thiết, bằng cách thủ công, thông qua chương trình, hoặc bằng chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (CAM) hoặc chương trình CAD/CAM kết hợp. Ngoài ra, kỹ sư cũng có thể chế tạo thủ công chi tiết dựa trên bản vẽ kỹ thuật. Tuy nhiên, với sự ra đời của công nghệ điều khiển số bằng máy tính (CNC), các chi tiết có thể được sản xuất mà không cần sự can thiệp liên tục của kỹ thuật viên. Các chi tiết chế tạo thủ công thường bao gồm phun phủ nhiệt (thermal spray), hoàn thiện bề mặt và các quy trình mà máy móc không thể thực hiện hiệu quả về kinh tế hoặc kỹ thuật.

Bản vẽ kỹ thuật được sử dụng trong hầu hết các phân ngành của kỹ thuật cơ khí, cũng như nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kiến trúc khác. Các mô hình ba chiều tạo bằng phần mềm CAD cũng thường được sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và động lực học chất lỏng tính toán (CFD).

Công cụ hiện đại

Hình chiếu xiên của trục khuỷu bốn xi-lanh thẳng hàng với piston

Bộ phần mềm hỗ trợ bằng máy tính

Nhiều công ty kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là tại các quốc gia công nghiệp hóa, đã tích hợp các chương trình kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính (computer-aided engineering – CAE) vào quy trình thiết kế và phân tích hiện có, bao gồm mô hình hóa khối rắn (solid modeling) 2D và 3D trong thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD). Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng trực quan hóa sản phẩm dễ dàng và toàn diện hơn, khả năng tạo lắp ráp ảo của các chi tiết, cũng như sự thuận tiện trong thiết kế các bề mặt lắp ghép và dung sai.

Các chương trình CAE khác thường được kỹ sư cơ khí sử dụng bao gồm các công cụ quản lý vòng đời sản phẩm (product lifecycle management – PLM) và các công cụ phân tích dùng để thực hiện các mô phỏng phức tạp. Các công cụ phân tích có thể được sử dụng để dự đoán phản ứng của sản phẩm dưới các tải trọng dự kiến, bao gồm tuổi thọ mỏi và khả năng chế tạo. Các công cụ này bao gồm phân tích phần tử hữu hạn (finite element analysis – FEA), động lực học chất lỏng tính toán (computational fluid dynamics – CFD), và chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (computer-aided manufacturing – CAM).

Liên kết Watts được thiết kế bằng CAD cho xe buggy Baja SAE của CSULA

Việc sử dụng các chương trình CAE cho phép nhóm thiết kế cơ khí nhanh chóng và tiết kiệm chi phí lặp lại quá trình thiết kế để phát triển sản phẩm đáp ứng tốt hơn các ràng buộc về chi phí, hiệu suất và các yếu tố khác. Không cần tạo nguyên mẫu vật lý cho đến khi thiết kế gần hoàn thiện, cho phép đánh giá hàng trăm hoặc hàng nghìn phương án thiết kế thay vì chỉ một số ít. Ngoài ra, các chương trình phân tích CAE có thể mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp không thể giải bằng phương pháp thủ công, chẳng hạn như tính nhớt đàn hồi (viscoelasticity), tiếp xúc phức tạp giữa các chi tiết lắp ghép, hoặc dòng chảy phi Newton.

Khi kỹ thuật cơ khí bắt đầu kết hợp với các lĩnh vực khác, như trong cơ điện tử, tối ưu hóa thiết kế đa ngành (multidisciplinary design optimization – MDO) được sử dụng cùng với các chương trình CAE khác để tự động hóa và cải thiện quá trình thiết kế lặp. Các công cụ MDO hoạt động bao quanh các quy trình CAE hiện có, cho phép việc đánh giá sản phẩm tiếp tục ngay cả khi nhà phân tích không làm việc. Chúng cũng sử dụng các thuật toán tối ưu hóa tiên tiến để khám phá không gian thiết kế một cách thông minh hơn, thường tìm ra các giải pháp tốt hơn và sáng tạo hơn cho các bài toán thiết kế đa ngành phức tạp.

Nền tảng theo yêu cầu cho chuyên môn FEA bên ngoài

Các nhóm kỹ thuật có thể tiếp cận chuyên môn phân tích phần tử hữu hạn (finite element analysis – FEA) từ bên ngoài thông qua các nền tảng theo yêu cầu. Bằng cách gửi các dữ liệu đầu vào dự án có cấu trúc—chẳng hạn như tệp CAD hoặc tệp đầu vào FEA, các trường hợp tải, điều kiện biên và các đầu ra mong muốn—người dùng có thể nhận báo giá tức thì và kết nối với các kỹ sư mô phỏng đã được đánh giá trước. Các nhà cung cấp quản lý toàn bộ quy trình từ xa, thường chạy mô phỏng trên hạ tầng đám mây và GPU để tăng tốc độ xử lý, có thể nhanh hơn đáng kể so với các hệ thống CPU nội bộ.[16][17] Mô hình này mang lại khả năng mở rộng, khả năng tiếp cận các lĩnh vực mô phỏng chuyên sâu như CFD hoặc đa vật lý, đồng thời tránh được sự chậm trễ, chi phí bản quyền và gánh nặng vận hành của quy trình mua sắm truyền thống. Đây là giải pháp đặc biệt hữu ích cho các nhóm nhỏ làm việc dưới áp lực thời gian hoặc có nguồn lực nội bộ hạn chế.

Các lĩnh vực nghiên cứu

Các kỹ sư cơ khí liên tục mở rộng giới hạn của những gì có thể đạt được về mặt vật lý nhằm tạo ra các máy móc và hệ thống cơ khí an toàn hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn. Một số công nghệ ở rìa tiên tiến của kỹ thuật cơ khí được liệt kê dưới đây (xem thêm kỹ thuật thăm dò (exploratory engineering)).

Hệ vi cơ điện tử (MEMS)

Các thành phần cơ khí kích thước micromet như lò xo, bánh răng, thiết bị dòng chảy và truyền nhiệt được chế tạo từ nhiều loại vật liệu nền như silicon, thủy tinh và polymer như SU8. Ví dụ về các thành phần MEMS bao gồm cảm biến gia tốc dùng trong túi khí ô tô, điện thoại di động hiện đại, con quay hồi chuyển để định vị chính xác và các thiết bị vi lưu được sử dụng trong ứng dụng y sinh.

Hàn ma sát khuấy (FSW)

Hàn ma sát khuấy (Friction stir welding – FSW), một dạng hàn mới, được phát hiện vào năm 1991 bởi The Welding Institute (TWI). Kỹ thuật hàn trạng thái rắn (không nóng chảy) sáng tạo này có thể nối các vật liệu trước đây không thể hàn được, bao gồm nhiều hợp kim nhôm. Nó đóng vai trò quan trọng trong chế tạo máy bay tương lai, có khả năng thay thế đinh tán. Các ứng dụng hiện tại bao gồm hàn các mối nối của thùng nhiên liệu ngoài chính của tàu con thoi, phương tiện Orion, tên lửa Delta II và Delta IV, và tên lửa Falcon 1 của SpaceX, giáp bảo vệ cho tàu tấn công đổ bộ, cũng như hàn cánh và thân của máy bay Eclipse 500.[18][19][20]

Vật liệu composite

Vải composite gồm sợi carbon dệt

Composite (vật liệu composite) là sự kết hợp của các vật liệu nhằm tạo ra các đặc tính vật lý khác biệt so với từng vật liệu riêng lẻ. Nghiên cứu composite trong kỹ thuật cơ khí thường tập trung vào việc thiết kế (và sau đó là ứng dụng) các vật liệu có độ bền hoặc độ cứng cao hơn trong khi giảm khối lượng, khả năng ăn mòn và các yếu tố bất lợi khác. Ví dụ, composite gia cường sợi carbon được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như tàu vũ trụ và cần câu cá.

Cơ điện tử

Cơ điện tử (Mechatronics) là sự kết hợp hiệp đồng giữa kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật phần mềm. Ngành cơ điện tử bắt đầu như một cách kết hợp các nguyên lý cơ khí với kỹ thuật điện. Các khái niệm cơ điện tử được sử dụng trong phần lớn các hệ thống điện-cơ.[21] Các cảm biến điện-cơ điển hình trong cơ điện tử bao gồm cảm biến biến dạng, cặp nhiệt điện và cảm biến áp suất.

Công nghệ nano

Ở quy mô nhỏ nhất, kỹ thuật cơ khí tiến đến công nghệ nano—một mục tiêu mang tính giả định là tạo ra máy lắp ráp phân tử (molecular assembler) để xây dựng phân tử và vật liệu thông qua cơ tổng hợp (mechanosynthesis). Hiện tại, mục tiêu này vẫn nằm trong kỹ thuật thăm dò. Các lĩnh vực nghiên cứu hiện nay trong công nghệ nano bao gồm bộ lọc nano,[22] màng nano,[23] và cấu trúc nano,[24] cùng nhiều lĩnh vực khác.

Phân tích phần tử hữu hạn

Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) là công cụ tính toán được sử dụng để ước tính ứng suất, biến dạng và độ võng của vật thể rắn. Phương pháp này sử dụng lưới chia phần tử với kích thước do người dùng xác định để đo các đại lượng vật lý tại các nút. Số lượng nút càng nhiều thì độ chính xác càng cao.[25] Lĩnh vực này không mới, vì nền tảng của FEA hoặc phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có từ năm 1941. Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính đã giúp FEA/FEM trở thành công cụ khả thi cho việc phân tích các bài toán kết cấu. Nhiều phần mềm thương mại như NASTRAN, ANSYS và ABAQUS được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để nghiên cứu và thiết kế chi tiết. Một số phần mềm CAD và mô hình 3D đã tích hợp module FEA. Gần đây, các nền tảng mô phỏng đám mây như SimScale ngày càng phổ biến.

Các phương pháp khác như phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) được sử dụng để giải các bài toán liên quan đến truyền nhiệt, truyền khối, dòng chảy chất lỏng và tương tác bề mặt chất lỏng.

Cơ sinh học

Cơ sinh học (Biomechanics) là việc áp dụng các nguyên lý cơ học vào hệ thống sinh học như con người, động vật, thực vật, cơ quan và tế bào.[26] Cơ sinh học cũng hỗ trợ trong việc tạo ra các chi giả và cơ quan nhân tạo cho con người.[27] Cơ sinh học có liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật, vì thường sử dụng các khoa học kỹ thuật truyền thống để phân tích hệ sinh học. Một số ứng dụng đơn giản của cơ học cổ điển và/hoặc khoa học vật liệu có thể cung cấp xấp xỉ chính xác cho cơ học của nhiều hệ sinh học.

Trong thập kỷ qua, kỹ thuật đảo ngược các vật liệu trong tự nhiên như xương đã nhận được tài trợ nghiên cứu đáng kể. Cấu trúc của xương được tối ưu hóa để chịu được ứng suất nén lớn trên mỗi đơn vị khối lượng.[28] Mục tiêu là thay thế thép truyền thống bằng vật liệu sinh học trong thiết kế kết cấu.

Trong thập kỷ qua, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cũng đã được áp dụng trong lĩnh vực y sinh, làm nổi bật các khía cạnh kỹ thuật của cơ sinh học. FEM hiện đã trở thành một phương pháp thay thế cho đánh giá phẫu thuật in vivo và được chấp nhận rộng rãi trong học thuật. Ưu điểm chính của cơ sinh học tính toán là khả năng xác định phản ứng nội giải phẫu mà không bị ràng buộc bởi các hạn chế đạo đức.[29]

Động lực học chất lỏng tính toán

Động lực học chất lỏng tính toán (Computational fluid dynamics – CFD) là một nhánh của cơ học chất lỏng sử dụng các phương pháp số và thuật toán để giải và phân tích các bài toán liên quan đến dòng chảy. Máy tính được sử dụng để thực hiện các phép tính cần thiết nhằm mô phỏng sự tương tác của chất lỏng và khí với các bề mặt được xác định bởi điều kiện biên.[30] Với siêu máy tính tốc độ cao, có thể đạt được các nghiệm tốt hơn. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào phát triển phần mềm cải thiện độ chính xác và tốc độ của các mô phỏng phức tạp như dòng chảy rối. Việc kiểm chứng ban đầu thường được thực hiện bằng hầm gió, sau đó là thử nghiệm quy mô thực như thử nghiệm bay.

Kỹ thuật âm học

Kỹ thuật âm học (Acoustical engineering) là một trong nhiều phân ngành khác của kỹ thuật cơ khí và là ứng dụng của âm học. Đây là lĩnh vực nghiên cứu âm thanh và dao động. Các kỹ sư âm học làm việc để giảm ô nhiễm tiếng ồn trong thiết bị cơ khí và trong công trình bằng cách cách âm hoặc loại bỏ nguồn tiếng ồn không mong muốn. Nghiên cứu âm học có thể bao gồm thiết kế máy trợ thính, micro, tai nghe hoặc phòng thu hiệu quả hơn, cũng như cải thiện chất lượng âm thanh của phòng hòa nhạc. Kỹ thuật âm học cũng liên quan đến dao động của các hệ cơ khí khác nhau.[31]

Các lĩnh vực liên quan

Kỹ thuật chế tạo (manufacturing engineering), kỹ thuật hàng không vũ trụ (aerospace engineering), kỹ thuật ô tô (automotive engineering) và kỹ thuật hàng hải (marine engineering) đôi khi được xếp cùng với kỹ thuật cơ khí. Bằng cử nhân trong các lĩnh vực này thường chỉ khác nhau ở một số môn học chuyên ngành.

Xem thêm

Danh sách

  • Thuật ngữ kĩ thuật cơ khí
  • Các địa danh kĩ thuật cơ khí lịch sử
  • Các nhà phát minh
  • Các đề tài kĩ thuật cơ khí
  • Các kĩ sư cơ khí
  • Các tạp chí liên quan
  • Các công ty chế tạo thiết bị cơ khí, điện và điện tử theo doanh thu

Các tổ chức

  • Hiệp hội Kĩ sư về nhiệt, đông lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ (ASHRAE)
  • Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME)
  • Pi Tau Sigma (hiệp hội danh dự kĩ thuật cơ khí)
  • Hiệp hội Kĩ sư Ô tô (SAE)
  • Hiệp hội Nữ Kĩ sư (SWE)
  • Tổ chức Kĩ thuật Cơ khí (IMechE) (British)
  • Tổ chức Kĩ sư Dịch vụ xây dựng có chứng nhận (CIBSE) (British)
  • Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Germany)

Wikibooks

  • Cơ học kĩ thuật
  • Động lực học kĩ thuật
  • Âm học kĩ thuật
  • Cơ học lưu chất
  • Truyền nhiệt
  • Kĩ thuật vi mô
  • Kĩ thuật nano
  • Pro/Engineer (ProE CAD)
  • Sức bền vật liệu/ Cơ học vật rắn

Khác


Tham khảo

  1. ↑ Sayeed, Ahmed (ngày 24 tháng 9 năm 2019). You Could Be the Winner (Volume - II) (bằng tiếng Anh). Sankalp Publication. ISBN 978-93-88660-66-2.
  2. ↑ "Why Get Licensed?". National Society of Professional Engineers. Bản gốc lưu trữ ngày 13 tháng 5 năm 2008. Truy cập ngày 6 tháng 5 năm 2008.
  3. ↑ "Engineers Act". Quebec Statutes and Regulations (CanLII). Bản gốc lưu trữ ngày 5 tháng 10 năm 2006. Truy cập ngày 24 tháng 7 năm 2005.
  4. ↑ "Codes of Ethics and Conduct". Online Ethics Center. Bản gốc lưu trữ ngày 19 tháng 6 năm 2005. Truy cập ngày 24 tháng 7 năm 2005.
  5. ↑ "May 2015 National Occupational Employment and Wage Estimates". U.S. Department of Labor, Bureau of Labor Statistics. Truy cập ngày 3 tháng 3 năm 2017.
  6. ↑ Occupational Employment and Wages, 17-2141 Mechanical Engineers. U.S. Bureau of Labor, May 2012. Retrieved 15 February 2014.
  7. ↑ Mechanical Engineers. U.S. Bureau of Labor Statistics, 17 December 2015. Retrieved 3 March 2017.
  8. ↑ "2010–11 Edition, Engineers" Lưu trữ ngày 19 tháng 2 năm 2006 tại Wayback Machine. Bureau of Labor Statistics, U.S. Department of Labor, Occupational Outlook Handbook. Retrieved 9 May 2010.
  9. ↑ Lưu ý: cơ học chất lỏng có thể được chia nhỏ thành tĩnh học chất lỏng và động lực học chất lỏng, và bản thân nó là một phân ngành của cơ học liên tục. Ứng dụng của cơ học chất lỏng trong kỹ thuật được gọi là Thủy lực (hydraulics) và Khí nén (pneumatics).
  10. ↑ Bolton, W. Mechatronics. Pearson; 6th ed. edition, 2015. ISBN 9781292076683
  11. ↑ "Chapter 8. Failure". virginia.edu. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 9 năm 2016. Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  12. ↑ Trang của ASM International với nhiều tài liệu, như bộ ASM Handbook Lưu trữ ngày 1 tháng 9 năm 2007 tại Wayback Machine. ASM International.
  13. ↑ "Thermodynamics". grc.nasa.gov. Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  14. ↑ "Applications of Thermodynamics Laws. Carnot, Stirling, Ericsson, Diesel cycles". Brighthub Engineering. ngày 10 tháng 6 năm 2009. Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  15. ↑ "SOLIDWORKS 3D CAD". SOLIDWORKS (bằng tiếng Anh). ngày 27 tháng 11 năm 2017. Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  16. ↑ "Accelerated Finite Element Analysis". FiniteNow. ngày 29 tháng 7 năm 2025. Truy cập ngày 6 tháng 8 năm 2025.
  17. ↑ "Accelerating Finite-Element Structural Elastic Dynamic Analysis Using GPU Computing" (PDF). SimCenter-DesignSafe. Truy cập ngày 6 tháng 8 năm 2025.
  18. ↑ "Advances in Friction Stir Welding for Aerospace Applications" (PDF). Truy cập ngày 12 tháng 8 năm 2017.
  19. ↑ Proposal Number: 08-1 A1.02-9322 Lưu trữ ngày 14 tháng 4 năm 2016 tại Wayback Machine – NASA 2008 SBIR
  20. ↑ "Military Applications". Bản gốc lưu trữ ngày 31 tháng 1 năm 2019. Truy cập ngày 15 tháng 12 năm 2009.
  21. ↑ "What is Mechatronics Technology?". ecpi.edu (bằng tiếng Anh). ngày 19 tháng 10 năm 2017. Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  22. ↑ Nilsen, Kyle. (2011) "Development of Low Pressure Filter Testing Vessel and Analysis of Electrospun Nanofiber Membranes for Water Treatment"
  23. ↑ Mechanical Characterization of Aluminium Nanofilms, Microelectronic Engineering, Volume 88, Issue 5, May 2011, pp. 844–847.
  24. ↑ "Columbia Nano Initiative".
  25. ↑ Xia, Ting (ngày 3 tháng 2 năm 2003). "Introduction to Finite Element Analysis (FEA)" (PDF). UIOWA Engineering. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 30 tháng 8 năm 2017. Truy cập ngày 4 tháng 9 năm 2018.
  26. ↑ Alexander, R. Mcneill (2005). "Mechanics of animal movement". Current Biology. 15 (16): R616 – R619. doi:10.1016/j.cub.2005.08.016. PMID 16111929. S2CID 14032136.
  27. ↑ Phoengsongkhro, S., Tangpornprasert, P., Yotnuengnit, P. et al. Development of four-bar polycentric knee joint with stance-phase knee flexion. Sci Rep 13, 22809 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-49879-4
  28. ↑ Dempster, Coleman (ngày 15 tháng 8 năm 1960). "Tensile strength of bone along and across the grain". Journal of Applied Physiology. 16 (2): 355–360. doi:10.1152/jappl.1961.16.2.355. PMID 13721810.
  29. ↑ Tsouknidas, A., Savvakis, S., Asaniotis, Y., Anagnostidis, K., Lontos, A., Michailidis, N. (2013) The effect of kyphoplasty parameters on the dynamic load transfer within the lumbar spine considering the response of a bio-realistic spine segment. Clinical Biomechanics 28 (9–10), pp. 949–955.
  30. ↑ "What is CFD | Computational Fluid Dynamics? — SimScale Documentation". simscale.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 9 tháng 9 năm 2018.
  31. ↑ "What is the Job Description of an Acoustic Engineer?". learn.org.
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Kỹ_thuật_cơ_khí&oldid=74900659”