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기계공학

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기계공학
학문명기계공학
기계공학에서 사용되는 다양한 기계 구성 요소들

기계공학(機械工學, Mechanical Engineering)은 힘과 운동이 수반되는 물리적 기계 및 기구를 연구하는 학문이다. 재료과학과 공학적 물리학 및 수학적 원리를 결합하여 기계를 설계, 분석, 제조 및 유지 관리하는 공학의 한 분야이다.[1] 이는 가장 오래되고 범위가 넓은 공학 분과 중 하나이다.

기계공학은 역학, 동역학, 열역학, 재료과학, 설계, 구조 분석, 전기를 포함한 핵심 분야에 대한 이해를 필요로 한다. 이러한 핵심 원리 외에도 기계공학자는 컴퓨터 지원 설계(CAD), 컴퓨터 지원 제조(CAM), 컴퓨터 이용 공학(CAE) 및 제품 수명 주기 관리와 같은 도구를 사용하여 제조 공장, 산업 설비 및 산업용 기계, 냉난방 시스템, 운송 시스템, 자동차, 항공기, 선박, 로봇공학, 의료 기기, 무기 등을 설계하고 분석한다.[2][3]

기계공학은 18세기 유럽의 산업 혁명 동안 하나의 전문 분야로 등장했지만, 그 발전의 기원은 전 세계적으로 수천 년 전으로 거슬러 올라간다. 19세기에는 물리학의 발달로 기계공학 과학이 발전하게 되었다. 이 분야는 기술 발전을 수용하며 끊임없이 진화해 왔으며, 오늘날 기계공학자들은 복합 재료, 기전공학, 나노 기술과 같은 분야의 발전을 추구하고 있다. 또한 항공우주공학, 금속공학, 토목공학, 구조공학, 전기공학, 제조공학, 화학공학, 산업공학 및 기타 공학 학문과 다양한 수준에서 중첩된다. 기계공학자는 의공학 분야, 특히 생물역학, 이동현상, 바이오메카트로닉스, 바이오나노기술 및 생물학적 시스템 모델링 분야에서도 활동할 수 있다.

역사

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기계공학의 응용은 다양한 고대 및 중세 사회의 기록에서 찾아볼 수 있다. 여섯 가지 고전적 단순 기계는 고대 근동에 알려져 있었다. 빗면(경사로)과 쐐기는 선사 시대부터 알려져 있었다.[4] 메소포타미아 문명은 여러 오래된 출처들에 의해 바퀴의 발명지로 여겨진다.[5][6][7] 그러나 일부 최근 출처에서는 메소포타미아와 동유럽에서 독립적으로 발명되었음을 시사하거나 바퀴의 발명을 선사 시대 동유럽인의 공으로 돌리기도 한다.[8][9][10][11] 지레 메커니즘은 약 5,000년 전 근동에서 처음 나타나 간단한 천칭에 사용되었으며,[12] 고대 이집트 기술에서 큰 물체를 옮기는 데 사용되었다.[13] 지레는 또한 최초의 기중기 형태인 사두프(shadoof) 물 끌어올리기 장치에도 사용되었는데, 이는 기원전 3000년경 메소포타미아에 등장했다.[12] 도르래의 가장 이른 증거는 기원전 2천 년 초 메소포타미아로 거슬러 올라간다.[14]

사키아(Saqiyah)는 기원전 4세기경 쿠시 왕국에서 개발되었다. 이는 동물의 힘에 의존하여 인간의 에너지 요구량을 줄였다.[15] 하피르(Hafirs) 형태의 저수지가 쿠시에서 개발되어 물을 저장하고 관개를 촉진했다.[16] 기원전 7세기 메로에에서는 제철로와 용광로가 개발되었다.[17][18][19][20] 쿠시의 해시계에는 고등 삼각법 형태의 수학이 적용되었다.[21][22]

최초의 실용적인 수력 기계인 수차와 물레방아는 기원전 4세기 초 페르시아 제국(현재의 이라크 및 이란)에서 처음 나타났다.[23] 고대 그리스에서는 아르키메데스(기원전 287~212년)의 저작들이 서구 전통의 역학에 영향을 미쳤다. 톱니바퀴로 움직이는 안티키티라 기계는 기원전 2세기경 발명된 아날로그 컴퓨터였다.[24]

로마령 이집트에서 헤론(서기 약 10~70년)은 최초의 증기 구동 장치인 아이올리파일을 만들었다.[25] 중국의 장형(서기 78~139년)은 물시계를 개선하고 지진계를 발명했으며, 마균(서기 200~265년)은 차동 기어가 달린 수레를 발명했다. 중세 중국의 시계 제작자이자 공학자인 소송(서기 1020~1101년)은 중세 유럽 시계에서 탈진기가 발견되기 2세기 전에 이미 자신의 천문 시계탑에 탈진기 메커니즘을 포함시켰다. 그는 또한 세계 최초로 알려진 끝이 없는 동력 전달 체인 드라이브를 발명했다.[26]

조면기는 서기 6세기경 인도에서 발명되었으며,[27] 물레는 11세기 초 이슬람 세계에서 발명되었다.[28] 이중 롤러 조면기는 12세기에서 14세기 사이에 인도와 중국에 등장했다.[29] 웜 기어 롤러 조면기는 13~14세기 델리 술탄국 시대의 인도 아대륙에 등장했다.[30]

이슬람의 황금기(7세기~15세기) 동안 무슬림 발명가들은 기계 기술 분야에서 놀라운 공헌을 했다. 그들 중 한 명인 알 자자리는 1206년에 유명한 '기발한 기계 장치 지식의 책'을 썼고 많은 기계 설계를 선보였다.

17세기에 잉글랜드와 유럽 대륙에서 기계공학의 토대에 중요한 돌파구가 마련되었다. 네덜란드의 수학자이자 물리학자인 크리스티안 하위헌스는 1657년 진자시계를 발명했는데, 이는 거의 300년 동안 최초의 신뢰할 수 있는 타임키퍼였으며, 시계 설계와 그 이면의 이론에 관한 저작을 출판했다.[31][32] 잉글랜드에서는 아이작 뉴턴이 자신의 운동 법칙을 수립하고 물리학의 수학적 기초가 될 미적분학을 개발했다. 뉴턴은 수년 동안 자신의 저작을 발표하기를 주저했지만, 결국 에드먼드 핼리와 같은 동료들의 설득으로 발표하게 되었다. 이보다 일찍 기계식 계산기를 설계한 고트프리트 빌헬름 라이프니츠도 같은 시기에 미적분학을 개발한 공로를 인정받는다.[33]

19세기 초 산업 혁명 동안 잉글랜드, 독일, 스코틀랜드에서 공작기계가 개발되었다. 이를 통해 기계공학은 공학 내에서 별도의 분야로 발전할 수 있었다. 그들은 제조 기계와 이를 구동하는 엔진을 도입했다.[34] 최초의 영국 기계공학 전문 단체인 기계공학회(Institution of Mechanical Engineers)는 1847년에 결성되었으며, 이는 토목공학자들이 최초의 전문 단체인 토목공학회(Institution of Civil Engineers)를 결성한 지 30년 후의 일이었다.[35] 유럽 대륙에서는 요한 폰 치머만(Johann von Zimmermann, 1820~1901)이 1848년 독일 켐니츠에 최초의 연삭기 공장을 세웠다.

미국에서는 1880년에 미국 기계공학회(ASME)가 결성되어 미국 토목공학회(1852)와 미국 광업공학회(1871)에 이어 세 번째 공학 전문 단체가 되었다.[36] 미국에서 공학 교육을 제공한 최초의 학교는 1817년 미국 육군사관학교, 1819년 현재의 노위치 대학교(Norwich University), 1825년 렌슬리어 공과대학교였다. 기계공학 교육은 역사적으로 수학과 과학의 강력한 기초 위에 세워졌다.[37]

교육

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오하이오 주립 대학교의 기계공학 실습실,  1900c.

기계공학 학위는 전 세계 여러 대학교에서 제공된다. 기계공학 프로그램은 일반적으로 지역과 대학교에 따라 4년에서 5년의 연구 과정이 필요하며, 기계공학을 전공하거나 강조하는 공학 학사(B.Eng. 또는 B.E.), 이학사(B.Sc. 또는 B.S.), 공학 이학사(B.Sc.Eng.), 공학 기술 학사(B.Tech.), 기계공학사(B.M.E.) 또는 응용과학 학사(B.A.Sc.) 학위를 수여한다. 스페인, 포르투갈 및 남미 대부분의 국가에서는 B.S.나 B.Tech. 프로그램을 채택하지 않았으며, 학위의 공식 명칭은 "기계공학자"이며 교육 과정은 5~6년의 훈련을 기반으로 한다. 이탈리아에서는 교육 과정이 5년이지만, 공학자 자격을 얻으려면 과정이 끝날 때 국가 시험을 통과해야 한다. 그리스의 교육 과정은 5년제 커리큘럼을 기반으로 한다.[38]

미국의 경우, 대부분의 학부 기계공학 프로그램은 대학교 간의 유사한 과정 요구 사항과 표준을 보장하기 위해 미국 공학기술인증원(ABET)의 인증을 받는다. ABET 웹사이트에는 2014년 3월 11일 기준으로 302개의 인증된 기계공학 프로그램이 나열되어 있다.[39] 캐나다의 기계공학 프로그램은 캐나다 공학인증위원회(CEAB)의 인증을 받으며,[40] 공학 학위를 제공하는 대부분의 다른 국가에도 유사한 인증 기관이 있다.

오스트레일리아에서는 기계공학 학위가 기계공학 학사(Bachelor of Engineering (Mechanical)) 또는 유사한 명칭으로 수여되지만, 점차 전문화된 분야가 늘어나고 있다. 이 학위를 취득하려면 4년 동안의 전일제 학습이 필요하다. 공학 학위의 질을 보장하기 위해, 오스트레일리아 공학회(Engineers Australia)는 글로벌 워싱턴 협약에 따라 오스트레일리아 대학교에서 수여하는 공학 학위를 인증한다. 학위를 수여받기 전, 학생은 공학 회사에서 최소 3개월 이상의 현장 실습을 완료해야 한다.[41] 유사한 시스템이 남아프리카 공화국에도 존재하며 남아프리카 공화국 공학협의회(ECSA)에 의해 감독된다.

인도에서 공학자가 되려면 B.Tech. 또는 B.E.와 같은 공학 학위가 있거나, 공학 디플로마가 있거나, 산업훈련소(ITI)에서 적합공(fitter)과 같은 공학 직종 과정을 완료하여 "ITI 직종 자격증"을 취득하고 국가 직업 훈련 협의회(NCVT)에서 실시하는 전인도 직종 시험(AITT)을 통과하여 "국가 직종 자격증"을 수여받아야 한다. 유사한 시스템이 네팔에서도 사용된다.[42]

일부 기계공학자들은 공학 석사, 기술 석사, 과학 석사, 공학 경영 석사(M.Eng.Mgt. 또는 M.E.M.), 공학 박사(Eng.D. 또는 Ph.D.) 또는 기술사 학위와 같은 대학원 학위를 취득하기도 한다. 석사 및 공학사 학위에는 연구가 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다. 철학박사(Ph.D.)는 상당한 연구 요소를 포함하며 종종 학계로 진입하는 관문으로 간주된다.[43] 공학자 학위(Engineer's degree)는 몇몇 기관에서 석사 학위와 박사 학위 사이의 중간 단계로 존재한다.

교과 과정

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각 국가의 인증 기관에서 정한 표준은 기초 교과 내용의 통일성을 제공하고, 졸업하는 공학자들의 역량을 증진하며, 공학 전문직 전체에 대한 신뢰를 유지하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어 미국의 공학 프로그램은 ABET에 의해 학생들이 "열 및 기계 시스템 영역 모두에서 전문적으로 일할 수 있음"을 보여주도록 요구받는다.[44] 그러나 졸업에 필요한 구체적인 과목은 프로그램마다 다를 수 있다. 대학교 및 공과대학교는 가용한 교수진과 대학교의 주요 연구 분야에 따라 여러 주제를 하나의 수업으로 합치거나 하나의 주제를 여러 수업으로 나누기도 한다.

기계공학에 필요한 기초 과목은 일반적으로 다음과 같다.

기계공학자는 또한 화학, 물리학, 마찰학, 화학공학, 토목공학 및 전기공학의 기본 개념을 이해하고 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 모든 기계공학 프로그램에는 미적분학을 포함한 여러 학기의 수학 수업과 미분방정식, 편미분방정식, 선형대수학, 미분기하학, 통계학 등을 포함한 고급 수학 개념이 포함된다.

핵심 기계공학 커리큘럼 외에도, 많은 기계공학 프로그램은 해당 주제에 대한 별도의 학과가 존재하지 않는 경우 제어 시스템, 로봇공학, 교통 및 물류, 저온학, 연료 기술, 자동차공학, 생물역학, 진동, 광학 등과 같은 더 전문화된 프로그램과 수업을 제공한다.[47]

대부분의 기계공학 프로그램은 실질적인 문제 해결 경험을 얻기 위해 다양한 양의 연구 또는 커뮤니티 프로젝트를 요구한다. 미국에서는 기계공학 학생들이 공부하는 동안 하나 이상의 인턴십을 완료하는 것이 일반적이지만, 이는 일반적으로 대학교에서 의무화하는 사항은 아니다. 협동 교육은 또 다른 선택지이다. 연구는 학생의 창의성과 혁신을 자극하는 학습 요소에 대한 수요를 창출한다.[48]

직무

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기계공학자는 도구, 엔진 및 기계를 포함한 기계 및 열 장치를 연구, 설계, 개발, 제작 및 테스트한다.

기계공학자는 일반적으로 다음과 같은 일을 한다.

  • 문제를 분석하여 기계 및 열 장치가 문제 해결에 어떻게 도움이 될 수 있는지 확인한다.
  • 분석 및 컴퓨터 지원 설계를 사용하여 기계 및 열 장치를 설계하거나 재설계한다.
  • 설계한 장치의 프로토타입을 개발하고 테스트한다.
  • 테스트 결과를 분석하고 필요에 따라 설계를 변경한다.
  • 장치의 제조 과정을 감독한다.
  • 기계 제도 및 설계, 프로토타이핑, 3D 프린팅 또는/및 CNC 기계 전문가와 같은 전문 분야의 전문가 팀을 관리한다.

기계공학자는 의료 기기에서 새로운 배터리에 이르기까지 많은 제품의 제조를 설계하고 감독한다. 또한 발전기, 내연기관, 증기 및 가스 터빈과 같은 동력 생산 기계뿐만 아니라 냉동 및 공기 조절 시스템과 같은 동력 사용 기계도 설계한다.

다른 공학자들과 마찬가지로 기계공학자도 컴퓨터를 사용하여 설계를 만들고 분석하며, 시뮬레이션을 실행하고 기계가 어떻게 작동할지 테스트한다.

자격증 및 규제

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공학자는 주, 지방 또는 국가 정부로부터 면허를 취득할 수 있다. 이 과정의 목적은 공학자가 전문적인 수준에서 공학을 실천하는 데 필요한 기술적 지식, 실무 경험 및 현지 법률 시스템에 대한 지식을 갖추고 있음을 보장하는 것이다. 일단 인증을 받으면 공학자에게는 기술사(미국, 캐나다, 일본, 대한민국, 방글라데시, 남아프리카 공화국), 공인 공학자(Chartered Engineer, 영국, 아일랜드, 인도, 짐바브웨), 공인 전문 공학자(오스트레일리아, 뉴질랜드) 또는 유럽 공학자(유럽 연합 대부분)라는 칭호가 부여된다.

미국에서 면허를 가진 기술사(PE)가 되려면 공학자는 종합적인 FE(Fundamentals of Engineering) 시험을 통과해야 하며, 공학 인턴(EI) 또는 수습 공학자(EIT)로서 최소 4년 동안 근무하고 "원리 및 실무" 또는 PE 시험을 통과해야 한다. 이 과정의 요구 사항과 단계는 미국 모든 주와 영토를 대표하는 공학 및 지적 측량 면허 위원회로 구성된 국립 공학 및 측량 시험 위원회(NCEES)에 의해 규정된다.

오스트레일리아(퀸즐랜드 및 빅토리아)에서 공학자는 실무를 수행하는 주 내에 전문 공학자로 등록되어야 한다. 예를 들어 퀸즐랜드 또는 빅토리아의 등록 전문 공학자(RPEQ 또는 RPEV)가 그것이다.

영국에서는 현재 졸업생이 공학 학사(BEng)와 적절한 석사 학위 또는 통합 공학 석사(MEng) 학위를 소지하고, 최소 4년간의 졸업 후 현장 역량 개발 및 동료 검토 프로젝트 보고서를 거쳐 기계공학회(IMechE)를 통해 공인 기계공학자(CEng, MIMechE)가 되어야 한다. CEng MIMechE는 런던 시티 앤 길드 협회(City and Guilds of London Institute)에서 관리하는 시험 경로를 통해서도 취득할 수 있다.[49]

대부분의 선진국에서 교량, 발전소 및 화학 공장 설계와 같은 특정 공학 과업은 기술사 또는 공인 공학자의 승인을 받아야 한다. "예를 들어, 면허를 가진 공학자만이 공공 기관의 승인을 받기 위해 공학 계획서 및 도면을 작성, 서명, 날인 및 제출하거나 공공 및 민간 고객을 위해 공학 저작물에 날인할 수 있다."[50] 이러한 요구 사항은 캐나다의 주(예: 온타리오 또는 퀘벡의 공학자법)와 같이 주 및 지방 법령에 명시될 수 있다.[51]

영국과 같은 다른 국가에서는 그러한 법령이 존재하지 않지만, 사실상 모든 인증 기관은 법령과는 독립적인 윤리 강령을 유지하며, 모든 회원이 이를 준수할 것을 기대하고 그렇지 않을 경우 제명될 위험이 있다.[52]

급여 및 인력 통계

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2015년 미국에 고용된 총 공학자 수는 약 160만 명이었다. 이 중 278,340명이 기계공학자(17.28%)로, 규모 면에서 가장 큰 분과였다.[53] 2012년 미국 기계공학자의 연봉 중간값은 $80,580였다. 소득 중간값은 정부 기관에서 근무할 때($92,030)가 가장 높았고, 교육 분야($57,090)가 가장 낮았다.[54] 2014년에 기계공학 일자리의 총수는 향후 10년 동안 5% 성장할 것으로 예상되었다.[55] 2009년 기준으로 학사 학위 소지자의 평균 초봉은 $58,800였다.[56]

하위 학문

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기계공학 분야는 많은 기계공학 과학 학문의 집합체로 생각할 수 있다. 일반적으로 학부 수준에서 교육되는 몇 가지 하위 학문이 아래에 간략한 설명 및 가장 일반적인 응용 분야와 함께 나열되어 있다. 이러한 하위 학문 중 일부는 기계공학 고유의 분야이며, 다른 분야는 기계공학이 하나 이상의 다른 학문과 결합된 것이다. 기계공학자가 수행하는 대부분의 작업은 이러한 여러 하위 학문뿐만 아니라 전문화된 하위 학문의 기술과 기법을 사용한다. 본 문서에서 사용되는 전문화된 하위 학문은 학부 연구보다는 대학원 과정이나 현장 훈련의 주제가 될 가능성이 더 높다. 이 섹션에서는 몇 가지 전문화된 하위 학문을 다룬다.

역학

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모어 원, 기계 요소의 응력을 연구하는 데 흔히 쓰이는 도구

역학은 가장 일반적인 의미에서 힘과 그것이 물질에 미치는 영향을 연구하는 학문이다. 일반적으로 공학 역학은 알려진 힘(하중이라고도 함) 또는 응력 하에서 물체의 가속도 및 변형( 탄성 및 소성 변형 모두)을 분석하고 예측하는 데 사용된다. 역학의 하위 학문은 다음과 같다.

  • 정역학: 알려진 하중 하에서 움직이지 않는 물체에 대한 연구, 힘이 정지된 물체에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 연구
  • 동역학: 힘이 움직이는 물체에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 연구. 동역학에는 운동학(운동, 속도, 가속도에 관한 것)과 동역학(힘과 그에 따른 가속도에 관한 것)이 포함된다.
  • 재료역학: 다양한 유형의 응력 하에서 서로 다른 재료가 어떻게 변형되는지에 대한 연구
  • 유체역학: 유체가 힘에 어떻게 반응하는지에 대한 연구[57]
  • 운동학: 운동을 일으키는 힘은 무시한 채 물체와 계(물체 그룹)의 운동을 연구하는 학문. 운동학은 종종 기구의 설계 및 분석에 사용된다.
  • 연속체 역학: 물체가 ( 불연속적이 아니라) 연속적이라고 가정하여 역학을 적용하는 방법

기계공학자는 일반적으로 공학의 설계 또는 분석 단계에서 역학을 사용한다. 공학 프로젝트가 자동차 설계인 경우, 응력이 가장 집중될 위치를 평가하기 위해 차량 프레임을 설계하는 데 정역학이 채용될 수 있다. 동역학은 자동차 엔진을 설계할 때 엔진 사이클에 따른 피스톤과 캠의 힘을 평가하는 데 사용될 수 있다. 재료역학은 프레임과 엔진에 적합한 재료를 선택하는 데 사용될 수 있다. 유체역학은 차량의 환기 시스템을 설계하거나(HVAC 참조), 엔진의 흡기 시스템을 설계하는 데 사용될 수 있다.

기전공학 및 로봇공학

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기전공학은 기계공학과 전자공학의 결합이다. 이는 전기 및 기계공학을 통합하여 하이브리드 자동화 시스템을 만드는 것과 관련된 기계공학, 전기공학 및 소프트웨어 공학의 학제간 분야이다. 이러한 방식으로 기계는 특수 소프트웨어와 결합된 전동기, 서보 기구 및 기타 전기 시스템의 사용을 통해 자동화될 수 있다. 기전공학 시스템의 흔한 예는 CD-ROM 드라이브이다. 기계 시스템은 드라이브를 열고 닫고, CD를 회전시키고 레이저를 이동시키는 반면, 광학 시스템은 CD의 데이터를 읽고 이를 비트로 변환한다. 통합 소프트웨어는 이 과정을 제어하고 CD의 내용을 컴퓨터로 전달한다.

로봇공학은 기전공학을 응용하여 로봇을 만드는 것이며, 로봇은 종종 산업계에서 위험하거나 불쾌하거나 반복적인 작업을 수행하는 데 사용된다. 이러한 로봇은 어떤 형태나 크기든 가질 수 있지만, 모두 미리 프로그래밍되어 있으며 세상과 물리적으로 상호작용한다. 로봇을 만들기 위해 공학자는 일반적으로 운동학(로봇의 운동 범위를 결정하기 위해)과 역학(로봇 내부의 응력을 결정하기 위해)을 채용한다.

로봇은 산업 자동화 공학에서 광범위하게 사용된다. 로봇은 기업이 노동비를 절감하고, 인간이 경제적으로 수행하기에 너무 위험하거나 너무 정밀한 작업을 수행할 수 있게 하며, 더 나은 품질을 보장한다. 많은 회사가 특히 자동차 산업에서 로봇 조립 라인을 사용하며, 일부 공장은 너무 자동화되어 자체적으로 운영될 수 있을 정도이다. 공장 밖에서 로봇은 폭발물 처리, 우주 탐사 및 기타 많은 분야에 채용되어 왔다. 로봇은 또한 레크리에이션에서 가사 응용에 이르기까지 다양한 주거용으로 판매된다.[58]

구조 분석

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구조 분석은 물체가 왜, 어떻게 실패하는지 조사하고 물체와 그 성능을 수정하는 데 전념하는 기계공학(및 토목공학)의 분과이다. 구조적 결함은 정적 결함과 피로 결함의 두 가지 일반적인 모드로 발생한다. 정적 구조 결함은 하중이 가해졌을 때(힘이 가해졌을 때) 분석 대상 물체가 결함 기준에 따라 부서지거나 소성 변형될 때 발생한다. 피로 결함은 물체가 반복적인 하중 및 하중 제거 사이클 후에 실패할 때 발생한다. 피로 결함은 물체의 불완전성 때문에 발생한다. 예를 들어 물체 표면의 미세한 균열은 각 사이클마다 조금씩 커지다가(전파) 균열이 최종 파단을 일으킬 만큼 커질 때까지 성장한다.[59]

그러나 결함은 단순히 부품이 부서지는 것으로만 정의되지 않는다. 부품이 의도한 대로 작동하지 않을 때로 정의된다. 일부 비닐봉지의 구멍 난 윗부분과 같은 일부 시스템은 부서지도록 설계되어 있다. 이러한 시스템이 부서지지 않는다면 원인을 규명하기 위해 결함 분석이 채용될 수 있다.

구조 분석은 결함이 발생한 후 또는 결함을 방지하기 위해 설계할 때 기계공학자에 의해 자주 사용된다. 공학자들은 종종 결함의 유형과 가능한 원인을 결정하는 데 도움을 얻기 위해 ASM에서 발행한 것과 같은 온라인 문서와 서적을 사용한다.[60]

이론이 기계 설계에 적용되면, 계산된 결과를 검증하기 위해 물리적 테스트가 종종 수행된다. 구조 분석은 부품을 설계할 때 사무실에서, 결함이 발생한 부품을 분석하기 위해 현장에서, 또는 부품이 제어된 결함 테스트를 거칠 수 있는 실험실에서 사용될 수 있다.

열역학 및 열과학

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열역학은 기계공학 및 화학공학을 포함한 여러 공학 분과에서 사용되는 응용 과학이다. 가장 단순하게 말하면, 열역학은 에너지, 그 사용 및 물리계를 통한 변환에 대한 연구이다.[61] 일반적으로 공학 열역학은 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 바꾸는 것과 관련이 있다. 예를 들어, 자동차 엔진은 연료의 화학 에너지(엔탈피)를 열로 변환한 다음, 결국 바퀴를 돌리는 기계적 일로 변환한다.

열역학 원리는 열전달, 열유체 및 에너지 변환 분야에서 기계공학자에 의해 사용된다. 기계공학자는 열과학을 사용하여 엔진 및 발전소, 난방, 환기 및 공기 조화(HVAC) 시스템, 열교환기, 히트 싱크, 방열기, 냉장, 단열재 등을 설계한다.[62]

설계 및 제도

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이중 메카니컬 실의 CAD 모델

제도 또는 기술 도면은 기계공학자가 제품을 설계하고 부품 제조를 위한 지침을 만드는 수단이다. 기술 도면은 부품을 제조하는 데 필요한 모든 치수뿐만 아니라 조립 노트, 필요한 재료 목록 및 기타 관련 정보를 보여주는 컴퓨터 모델이나 손으로 그린 도식일 수 있다.[63] 기술 도면을 작성하는 미국의 기계공학자나 숙련된 작업자를 제도사라고 부를 수 있다. 제도는 역사적으로 2차원적인 과정이었으나, 이제 컴퓨터 지원 설계(CAD) 프로그램을 통해 설계자가 3차원으로 창작할 수 있게 되었다.

부품 제조를 위한 지침은 수동으로, 프로그래밍된 지침을 통해, 또는 컴퓨터 지원 제조(CAM)나 결합된 CAD/CAM 프로그램을 사용하여 필요한 기계에 입력되어야 한다. 선택적으로, 공학자는 기술 도면을 사용하여 부품을 수동으로 제조할 수도 있다. 그러나 컴퓨터 수치 제어(CNC) 제조의 출현으로 이제 기술자의 지속적인 입력 없이도 부품을 제작할 수 있게 되었다. 수동으로 제조되는 부품은 일반적으로 열간 스프레이 코팅, 표면 마감 및 기계에 의해 경제적으로 또는 실용적으로 수행될 수 없는 기타 공정으로 구성된다.

제도는 기계공학의 거의 모든 하위 학문과 다른 많은 공학 및 건축 분야에서 사용된다. CAD 소프트웨어를 사용하여 생성된 3차원 모델은 유한요소해석(FEA) 및 전산 유체 역학(CFD)에서도 일반적으로 사용된다.

현대적 도구

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피스톤이 있는 4기통 직렬 크랭크축의 경사도

컴퓨터 지원 소프트웨어 스위트

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많은 기계공학 회사, 특히 산업화된 국가의 회사들은 2D 및 3D 솔리드 모델링 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 포함한 컴퓨터 이용 공학(CAE) 프로그램을 기존의 설계 및 분석 프로세스에 통합했다. 이 방법은 제품의 더 쉽고 철저한 시각화, 부품의 가상 조립 생성 능력, 감합 인터페이스 및 공차 설계의 용이성 등 많은 이점을 제공한다.

기계공학자들이 흔히 사용하는 다른 CAE 프로그램으로는 제품 수명 주기 관리(PLM) 도구와 복잡한 시뮬레이션을 수행하는 데 사용되는 분석 도구가 있다. 분석 도구는 피로 수명 및 제조 가능성을 포함하여 예상 하중에 대한 제품의 반응을 예측하는 데 사용될 수 있다. 이러한 도구에는 유한요소해석(FEA), 전산 유체 역학(CFD) 및 컴퓨터 지원 제조(CAM)가 포함된다.

CAE 프로그램을 사용하여 기계 설계 팀은 비용, 성능 및 기타 제약 조건을 더 잘 충족하는 제품을 개발하기 위해 설계 프로세스를 빠르고 저렴하게 반복할 수 있다. 설계가 완료될 때까지 물리적 프로토타입을 만들 필요가 없으므로 소수가 아닌 수백 또는 수천 개의 설계를 평가할 수 있다. 또한 CAE 분석 프로그램은 점탄성, 감합 부품 간의 복잡한 접촉 또는 비뉴턴 유동과 같이 손으로 해결할 수 없는 복잡한 물리적 현상을 모델링할 수 있다.

기전공학에서 볼 수 있듯이 기계공학이 다른 학문과 융합되기 시작하면서, 반복적인 설계 프로세스를 자동화하고 개선하기 위해 다른 CAE 프로그램과 함께 다학제간 설계 최적화(MDO)가 사용되고 있다. MDO 도구는 기존 CAE 프로세스를 감싸고 있어 분석가가 퇴근한 후에도 제품 평가를 계속할 수 있게 해준다. 또한 정교한 최적화 알고리즘을 사용하여 가능한 설계를 더 지능적으로 탐색하며, 종종 어려운 다학제간 설계 문제에 대해 더 우수하고 혁신적인 솔루션을 찾아낸다.

외부 FEA 전문 지식을 위한 온디맨드 플랫폼

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공학 팀은 온디맨드 플랫폼을 통해 외부의 유한요소해석(FEA) 전문 지식에 접근할 수 있다. CAD 또는 FEA 입력 파일, 하중 케이스, 경계 조건 및 원하는 결과물과 같은 구조화된 프로젝트 입력을 제출함으로써 사용자는 즉각적인 견적을 받고 사전에 자격이 검증된 시뮬레이션 공학자와 연결된다. 공급업체는 전체 워크플로를 원격으로 관리하며, 종종 클라우드 및 GPU 기반 인프라에서 시뮬레이션을 실행하여 처리 속도를 높이는데, 이는 사내 CPU 기반 시스템보다 훨씬 빠를 수 있다.[64][65] 이 모델은 확장성, CFD 또는 멀티피직스와 같은 틈새 시뮬레이션 도메인에 대한 접근성을 제공하며, 전통적인 조달 주기의 지연, 라이선스 부담 및 오버헤드를 피할 수 있게 해준다. 이는 특히 촉박한 마감 기한이나 제한된 사내 역량 하에서 운영되는 소규모 팀에 가치가 있다.

연구 분야

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기계공학자들은 더 안전하고, 저렴하며, 효율적인 기계와 기계 시스템을 생산하기 위해 물리적으로 가능한 것의 경계를 끊임없이 확장하고 있다. 기계공학의 최첨단 기술 중 일부는 아래에 나열되어 있다 ( 탐사 공학도 참조).

미세 전기 기계 시스템 (MEMS)

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스프링, 기어, 유체 및 열전달 장치와 같은 마이크론 규모의 기계 구성 요소는 실리콘, 유리 및 SU8과 같은 폴리머와 같은 다양한 기판 재료로 제작된다. MEMS 구성 요소의 예로는 자동차 에어백 센서로 사용되는 가속도계, 현대의 휴대폰, 정밀한 위치 측정을 위한 자이로스코프 및 생의학 응용 분야에 사용되는 미세 유체 장치가 있다.

마찰 교반 용접 (FSW)

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새로운 유형의 용접인 마찰 교반 용접은 1991년 더 웰딩 인스티튜트(The Welding Institute, TWI)에 의해 발견되었다. 혁신적인 정상 상태(비용융) 용접 기술은 이전에 용접이 불가능했던 여러 알루미늄 합금을 포함한 재료들을 접합한다. 이는 항공기의 미래 건설에서 리벳을 대체할 가능성이 있는 중요한 역할을 한다. 현재까지 이 기술의 용도는 알루미늄 재질의 우주 왕복선 외부 연료 탱크, 오리온 우주선, 보잉 델타 II 및 델타 IV 소모성 발사체 및 스페이스X 팰컨 1 로켓의 이음매 용접, 양륙함용 장갑판, 그리고 이클립스 에비에이션의 새로운 이클립스 500 항공기의 날개 및 동체 패널 용접 등을 포함하며 그 활용 범위가 점점 넓어지고 있다.[66][67][68]

복합 재료

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직조된 탄소 섬유로 구성된 복합재 천

복합 재료는 각각의 재료와는 다른 물리적 특성을 제공하는 재료들의 조합이다. 기계공학 내의 복합 재료 연구는 일반적으로 무게, 부식 민감성 및 기타 바람직하지 않은 요인을 줄이면서 더 강하거나 더 강성이 높은 재료를 설계(및 후속적으로 응용 분야 찾기)하는 데 중점을 둔다. 예를 들어 탄소 섬유 강화 복합 재료는 우주선과 낚싯대와 같이 다양한 분야에 사용되어 왔다.

기전공학

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기전공학은 기계공학, 전자공학 및 소프트웨어 공학의 시너지적 결합이다. 기전공학 분과는 기계적 원리를 전기공학와 결합하는 방법으로 시작되었다. 기전공학적 개념은 대다수의 전기 기계 시스템에서 사용된다.[69] 기전공학에 사용되는 전형적인 전기 기계 센서는 스트레인 게이지, 열전대 및 압력 변환기이다.

나노 기술

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가장 작은 규모에서 기계공학은 나노 기술이 된다. 나노 기술의 추측적인 목표 중 하나는 기계적 합성을 통해 분자와 재료를 만드는 분자 어셈블러를 만드는 것이다. 현재로서는 그 목표는 탐사 공학 영역에 머물러 있다. 나노 기술의 현재 기계공학 연구 분야에는 나노 필터,[70] 나노 박막,[71] 및 나노 구조물[72] 등이 포함된다.

유한요소해석

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유한요소해석은 고체의 응력, 변형률 및 처짐을 추정하는 데 사용되는 전산 도구이다. 이는 절점에서 물리량을 측정하기 위해 사용자가 정의한 크기의 메쉬 설정을 사용한다. 절점이 많을수록 정밀도가 높아진다.[73] 이 분야는 새로운 것이 아니며, 유한요소해석(FEA) 또는 유한요소법(FEM)의 기초는 1941년으로 거슬러 올라간다. 하지만 컴퓨터의 진화로 인해 FEA/FEM은 구조적 문제 분석을 위한 실행 가능한 옵션이 되었다. NASTRAN, ANSYS 및 ABAQUS와 같은 많은 상용 소프트웨어 애플리케이션이 연구 및 부품 설계를 위해 산업계에서 널리 사용된다. 일부 3D 모델링 및 CAD 소프트웨어 패키지에는 FEA 모듈이 추가되어 있다. 최근에는 SimScale과 같은 클라우드 시뮬레이션 플랫폼이 더 보편화되고 있다.

유한차분법(FDM) 및 유한체적법(FVM)과 같은 다른 기법들은 열 및 질량 전달, 유체 유동, 유체 표면 상호작용 등과 관련된 문제를 해결하는 데 채용된다.

생물역학

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생물역학은 사람, 동물, 식물, 장기 및 세포와 같은 생물학적 시스템에 기계적 원리를 적용하는 것이다.[74] 생물역학은 또한 인간을 위한 의수 및 인공 장기를 만드는 데 도움을 준다.[75] 생물역학은 종종 전통적인 공학 과학을 사용하여 생물학적 시스템을 분석하기 때문에 공학과 밀접하게 관련되어 있다. 뉴턴 역학 및 재료과학의 몇 가지 간단한 응용은 많은 생물학적 시스템의 역학에 정확한 근사치를 제공할 수 있다.

지난 10년 동안 뼈 물질과 같이 자연에서 발견되는 재료의 역설계가 학계에서 자금 지원을 받았다. 뼈 물질의 구조는 단위 중량당 많은 양의 압축 응력을 견디는 목적에 최적화되어 있다.[76] 목표는 구조 설계를 위해 투박한 강철을 생체 재료로 대체하는 것이다.

지난 10년 동안 유한요소법(FEM)도 생의학 분야에 진입하여 생물역학의 공학적 측면을 더욱 강조했다. 그 이후 FEM은 생체내 수술 평가의 대안으로 자리 잡았으며 학계에서 널리 수용되었다. 전산 생물역학의 주요 장점은 윤리적 제한을 받지 않고 해부학적 구조의 내부 해부학적 반응을 결정할 수 있는 능력에 있다.[77] 이로 인해 FE 모델링은 생물역학의 여러 분야에서 편재하게 되었으며, 여러 프로젝트에서는 오픈 소스 철학(예: BioSpine)을 채택하기도 했다.

전산 유체 역학

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전산 유체 역학(CFD)은 유체 유동을 포함하는 문제를 해결하고 분석하기 위해 수치적 방법과 알고리즘을 사용하는 유체역학의 분과이다. 컴퓨터는 경계 조건에 의해 정의된 표면과 액체 및 기체의 상호작용을 시뮬레이션하는 데 필요한 계산을 수행하는 데 사용된다.[78] 고속 슈퍼컴퓨터를 사용하면 더 나은 솔루션을 얻을 수 있다. 지속적인 연구를 통해 난류와 같은 복잡한 시뮬레이션 시나리오의 정확도와 속도를 개선하는 소프트웨어가 생산되고 있다. 이러한 소프트웨어의 초기 검증은 풍동을 사용하여 수행되며, 최종 검증은 비행 테스트와 같은 본격적인 테스트를 통해 이루어진다.

음향공학

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음향공학은 기계공학의 여러 하위 분야 중 하나로 음향학을 응용하는 분야이다. 음향공학은 소리와 진동에 대한 연구이다. 음향공학자는 방음 처리를 하거나 원치 않는 소음원을 제거함으로써 기계 장치 및 건물에서의 소음 공해를 줄이기 위해 효과적으로 일한다. 음향학 연구는 더 효율적인 보청기, 마이크, 헤드폰 또는 녹음 스튜디오를 설계하는 것부터 오케스트라 홀의 음향 품질을 향상시키는 것까지 다양할 수 있다. 음향공학은 또한 다양한 기계 시스템의 진동을 다룬다.[79]

관련 분야

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제조공학, 항공우주공학, 자동차공학 및 해양공학은 때때로 기계공학으로 묶인다. 이러한 분야의 학사 학위는 일반적으로 몇 가지 전문화된 수업에서 차이가 있다.

같이 보기

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각주

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외부 링크

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  • 위키미디어 공용에 기계공학 관련 미디어 분류가 있습니다.
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