机械工程

机械工程（Mechanical engineering）是一门涉及利用物理定律为机械系统作分析、设计、生产及维修的工程学科。

机械工程是众多工程学科中范围最广的一科。任何现代产业和工程领域都需要应用机械，例如：农业、林业、矿业等需要农业机械、林业机械、矿业机械；冶金工程和化学工程需要冶金机械、化工机械；纺织和食品加工业需要纺织机械、食品加工机械；水利、土木建筑、道路和桥梁等工程需要工程机械；电力工程需要电力机械；交通运输业需要各种车辆、船舶、飞机等；各种商品的计量、包装、储存、装卸需要各种相应的工作机械。

各个工程领域的发展都要求机械工程有与之相适应的发展，都需要机械工程提供所必需的机械。某些机械的发明和完善，又导致新的工程技术和新的产业的出现和发展，例如：大型机械的成功制造，促成了电力系统的建立；火车的发明导致了铁路工程和铁路事业的兴起；内燃机、燃气轮机、火箭发动机等的发明和进步以及船舶、飞机和航空器的研制成功导致了航海工程、航海事业、航空工程和航空事业的兴起；高压设备（包括压缩机、反应器、密封技术等）的发展导致了许多新型合成化学工程的成功。机械工程就是在各方面不断提高的需求的压力下获得发展动力，同时又从各个学科和技术的进步中得到改进和创新能力。

## 发展演进历史

### 古代

人类成为“现代人”的标志是制造工具。石器时代的各种石斧、石锤、木弓和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械，经历了漫长的过程。

几千年前，人类已创制了例如用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用来提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及其桨、橹、舵等。所用的动力，从人自身的体力，发展到利用畜力、风力和水力。所用材料从天然的石、土、木、皮革，发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作三个部分的完整机械。

人类从石器时代进入铜器时代，再进而到铁器时代，用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温，才能从矿石中炼得金属。在中国公元前1,000～前900年就已有了冶铸用的鼓风器，并渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。

早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统，在被中香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系、齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机械学的成就。

机械学作为一个专门学科迟至19世纪初才第一次列入高等工程学院（巴黎的工程学院）的课程。通过理论研究，人们方能精确地分析各种机械，包括复杂的空间连杆机构的运动，并进而能按需要综合出新的机构。

### 近代

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15－16世纪以前，机械工程发展缓慢。但在以千年计的实践中，在机械发展方面还是积累了相当多的经验和技术知识，成为后来机械工程发展的重要潜力。17世纪以后，资本主义在英、法和西欧诸国出现，商品生产开始成为社会的中心问题。许多高才艺的机械匠师和有生产观念的知识分子致力于改进各产业所需的工作机械和研制新的动力机械──蒸汽机。18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉、冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改用更为坚韧，但难以用手工加工的金属。机械制造工业开始形成，并在几十年中成为一个重要产业。机械工程通过不断扩大的实践，从分散性的、主要依赖匠师们个人才智和手艺的一种技艺，逐渐发展成为一门有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18－19世纪的工业革命以及资本主义机械大量生产的主要技术因素。

#### 动力机械的发展

动力是发展生产的重要因素。17世纪后期，随着各种机械的改进和发展，随着煤和金属矿石的需要量的逐年增加，人们感到依靠人力和畜力不能将生产提高到一个新的阶段。在英国，纺织、磨粉等产业越来越多地将工场设在河边，利用水轮来驱动工作机械。但当时已有一定规模的煤矿、锡矿、铝矿、铁矿、铜矿、银矿、金矿矿井中的地下水，仍只能用大量畜力来提升和排除。

在这样的生产需要下，18世纪初出现了汤玛斯·纽科门(Thomas Newcomen)的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高，基本上只应用于煤矿。

1765年英国人瓦特发明了有分开的凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。1781年瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，使矿业和工业生产、铁路和航运都得以机械动力化。

蒸汽机几乎是19世纪唯一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。生产的机械化已离不开电气化，而电气化则通过机械化才对生产发挥作用。

发电站初期应用蒸汽机为原动机。20世纪初期，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机，促进了电力供应系统的蓬勃发展。

19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵、并可随时启动的原动机。它先被用以驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于移动机械（如：拖拉机、堆高机、重机械、农用机械）、车辆、飞机和船舶，到20世纪中期开始用于铁路车辆。蒸汽机在汽轮机和内燃机的排挤下，已不再是重要的动力机械。内燃机和以后发明的燃气涡轮发动机、喷气发动机的发展，还是船舶、飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。

#### 机械加工技术的发展

工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工用手工制成。金属（主要是铜、铁）仅用以制造仪器、锁、钟表、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作，以达到需要的精度。蒸汽机动力装置的推广，以及随之出现的矿山、冶金、车辆、船舶、飞机等大型机械的发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，越来越大，要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。机械加工主要包括钳工、钻床、车床、铣床、磨床、锯床、冲床、刨床（铇床）、模具、铸造、锻造、钣金、焊接、热处理及非传统加工等技术及其装备，以及切削加工技术、刀具及量具等，得到迅速发展，保证了各产业发展生产所需的机械装备的供应。

社会经济的发展，对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和精密加工技术的进展，促进了大量生产方法（零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等）的形成。

简单的互换性零件和专业分工协作生产，在古代就已出现。在机械工程中，互换性最早体现在亨利·莫兹利于1797年利用其创制的螺纹车床所生产的螺栓和螺帽。同时期，美国工程师伊莱·惠特尼用互换性生产方法生产火枪，显示了互换性的可行性和优越性。这种生产方法在美国逐渐推广，形成了所谓“美国生产方法”。

18世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎不发生联系。到18世纪－19世纪，在新兴的资本主义经济的促进下，掌握科学知识的人士开始注意生产，而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识。他们之间的交流和互相启发取得很大的成果。在这个过程中，逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。

动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人T.萨弗里、瓦特应用了物理学家D.帕潘和J.布莱克的理论。在蒸汽机实践的基础上，物理学家S.卡诺、W.J.M.兰金和开尔文建立起一门新的科学──热力学。内燃机的最重要的理论基础是法国的A.E.B.de罗沙在1862年创立的，1876年尼古拉斯·奥托(Nikolaus August Otto)应用罗沙的理论，彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内燃机的地位。其他如：汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展，而理论也在实践中得到改进和提高。

### 现代

在工业革命以前，大多数的工程项目都限于军事及城市发展。从事军事方面的工程师负责研制战争工具和系统；从事城市发展的工程师则负责建筑和地面设施。在十九世纪早期的英国，机械工程师成为新兴的行业，负责提供工业用机械和推动机械所需要的动力。在1818年，首个专业土木工程师组织成立，而机械工程师亦相继于1847年成立组织。

20世纪初期，福特，H.在汽车制造上又创造了流水装配线。大量生产技术加上泰勒，F.W.在19世纪末创立的科学管理方法，使车辆和其他大量生产的机械产品的生产效率很快达到了过去无法想像的高度。

20世纪中、后期，机械加工的主要特点是：不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；发展少无切削加工工艺；提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度。自动化从机械控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化，直至无人车间和无人工厂；利用数值控制机床、加工中心、成组技术、电脑辅助制造等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。

#### 机械工程师学会

世界上建立最早的机械工程学术团体是英国机械工程师学会IMechE，成立于1847年，第一任主席是铁路机车发明家乔治·史蒂芬生。英国机械工程师学会的建立，标志着机械工程已确立为一个独立的学科，机械工程师被社会公认为受尊敬的职称。

在此之前，从事机械制造、使用和修理的人，被称为机器匠，社会地位不高。

随着机械制造作为一个独立的工业部门日益发展，各国机械工程师学会纷纷建立，这在很大程度上反映了机械工业初创阶段，企业主和技术人员要求自由开展学术交流、维护共同利益、争取提高社会地位的共同愿望。

在西方，机械工程师学会和机械工程学科同时诞生，在推动学科发展、提高机械工程师社会地位方面起到了重要的作用。英国机械工程师学会根据国家法律规定，有权考核工程师，并授予特许工程师称号。

德国工程师学会(VDI)成立于1856年，主要活动范围是机械工程。它在制订指导性技术文件方面在全国处于领先地位。美国机械工程师学会(ASME)成立于1880年。它承担美国机械工业标准的制订工作。日本机械工程师学会(JSME)成立于1897年。印度机械工程师学会 成立于1920年。中华民国机械工程学会成立于1936年。

各国机械工程师学会的主要活动大体相同，如组织学术讨论会、协调科学研究任务、普及科学技术知识等。同时，各国的学会又根据各自社会和历史背景的不同，发展各自的优势，使各国的机械工程师学会又具有不同的特点。

在组织建制方面，各国机械工程学会经过不同的探索，一方面建立专业分会或专业委员会，开展专业性学术活动，另方面建立地区分支机构，组织地区性学术活动。这种组织结构逐步发展成为各国机械工程学会共同的特点和传统。随着机械化向各工业部门延伸，领域不断扩大，各国机械工程学会多是历史悠久、规模最大、会员最多、活动范围最广的学术团体。

20世纪以来，特别是第二次世界大战以来，各国机械工程学术团体有了大规模的发展。国际学术交流也日益频繁。机械工程的一些专业分支学科，纷纷建立世界性统一的学术团体，例如：国际焊接学会(IIW)、国际铸造学会(CIATF)、国际材料热处理联合会(IFHT)、国际机器理论与机构学联合会(IFToMM)、国际压力容器理事会(ICPV)、国际无损检测理事会(ICNDT)、国际摩擦学理事会(ITC)、国际生产工程研究会(CIRP)等。

随着机械工程学科各分支与相邻专业学科互相渗透和综合，还出现了一批国际性的工程学术团体，如1950年成立的国际技术协会联盟(UITA)、1958年成立的世界工程组织联合会等，参加的有近百个国家的工程组织，并取得联合国教科文组织的支持。在这些国际工程组织中，机械工程学科和学术团体往往是一支中坚力量。

## 机械工程教育

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机械工程是材料性质、应用力学、材料力学、热力学、流体力学、结构力学、损伤力学（破坏力学）、弹性力学、塑性力学、电机电子及计算的理论，以设计及制造各类型的机械制品及系统，如：发动机、机器、仪器、消费品及机械、水力、热力或热传系统。随着科技的日新月异；电脑辅助制图及电脑辅助制造技术已广泛地被采用。一般来说，机械工程师会专注某一方面的工作，例如：水力、热传、热机、电机电子、机电整合、控制系统，机器人制造、冷冻、冷藏、空气调节、升降机与电梯，或某类特定的制品如：机器，推进系统、机器人及机动仪器等。

机械工程的工作对象是动态的机械，意即它的工作情况会发生很大的变化。这种变化有时是随机的而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀，可能存有各种缺陷；加工精度有一定的偏差等等。与以静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式；为保证安全，都偏于保守。结果，制成的机械笨重而庞大，成本高、生产率低、能量消耗很大。

从18世纪起，设计计算从两个方面不断提高了精确度：在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数（考虑一切不精确性和分散性因素的经验系数）的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳（19世纪后半期）；从一律按材料的无限疲劳寿命进行设计，改为按照实际要求的寿命进行有限寿命设计（20世纪前半期）；从认为材料原则上不能有裂纹，发展到以断裂力学理论为依据，考虑裂纹材料的强度和寿命。在结构力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力学分析和数学计算方法。

进入20世纪，又出现各种实验应力分析方法。人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力，在发现应力过高过低时，便可能作出必要的调整。20世纪后半叶，人们开始应用有限元法和电子计算机的迅速可靠的数值计算，对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、力偶、应力、应变等的分析和计算。对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度科学地进行机械设计，或者按机械的实际情况（实际的质量、实际的使用条件等）科学地判断其可靠度和寿命。但在许多机械工程工作中，仍还应用一些经验方法、经验公式和经验系数等，不过其中的科学成分在不断增加，经验成分则不断减少。

### 机械科系的专业化和综合化

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它通常还与水利工程、土木工程、建筑工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非一个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化（新技术、新材料和新产品的出现、新的环境保护法规、原材料和能源供应及价格的变动，以及个人的工作调动、职务提升等）的适应能力很差

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

综合→专业分化→再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。但是，综合的恢复，不能是现有专业的简单合并，而是在更高一级上的综合，其目的是为了能更好地发挥专业知识作用。不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。正确地而不是教条主义地处理知识的综合与专业的关系，是新的技术革命时代中培养机械工程人才的主要课题。

综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。

## 基础学科

在美国，机械工程学的课程受到ABET的监管，以保证毕业生对有关项目有最起码的认知。所以虽然各家院校所提供的课程内容有异，但一般的机械工程学课程都至少包含以下各个基本科目：

- 微积分(Calculus)、工程数学(Engineering Mathematics)。
- 普通物理(General Physics)、普通化学(General Chemistry)、物理化学(Physical Chemistry)。
- 工程材料(Engineering Materials)、机械材料(Mechanical Materials)、复合材料(Composite Materials)。
- 工程制图(Engineering Drawing)、机械制图(Mechanical Drawing)。
- 工程设计(Engineering Design)、机械设计(Mechanical Design)。
- 工业工程(Industrial Engineering)。
- 机械制造(Mechanical Manufacturing)。
- 非传统加工(Non-Traditional Processing)、特殊加工(Special Processing)。
- 铸造(Casting)、锻造(Forging)、模具(Mold)。
- 测量学、品管。
- 量度及仪器及仪表(Instrumentation and Measurement)。
- 应用力学─静力学及应用力学─动力学(Mechanics of Applied-Statics and Mechanics of Applied-Dynamics)。
- 固体力学(Mechanics of Solid)。
- 材料力学及材料强度学(Mechanics of Materials and Strength of Materials)。
- 热力学(Thermodynamics)、流体力学(Mechanics of Fluid)。
- 损伤力学（破坏力学）(Mechanics of Damage)。
- 弹性力学(Mechanics of Elasticity)、塑性力学(Mechanics of Plastic)。
- 机件原理、机构学(Kinematics of Machinery)。
- 液压学(Hydraulics)、气压学(Pressure)和气动学(Pneumatics)。
- 能量转换(Energy Conversion)。
- 热传递、热传、热处理、热机、热流(Thermal Flow)。
- 冷却及空气调节。
- 电机、机电整合、自动控制、顺序控制、控制理论及微处理机。
- 电脑辅助设计(CAD)及电脑辅助制造(CAM)。
- 固体塑模(Modelling of Solid)。
- 逆向工程(Reverse Engineering)。

## 机械工程的服务领域和工作内容

### 服务领域

机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，无不需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域。

- 研制和提供能量转换机械，包括将天然机械能、声能、光能、热能、电能、磁能、化学能和流体压力能转换为适合于应用的机械能的各种动力机械，以及将机械能转换为所需要的其他能量（机械能、声能、光能、热能、电能、磁能、化学能和流体压力能等）的能量变换机械。
- 研制和提供用以生产各种产品的机械，包括应用于第一产业的农业、林业、牧业、渔业机械和矿山机械，以及应用于第二产业的各种重工业机械和轻工业机械。
- 研制和提供从事各种服务的机械，包括交通运输机械（如：轮椅、慢车（自行车（脚踏车）、兽力车）、车辆、飞机、船舶、铁路列车）、物料搬运机械（如：堆高机、起重机）、重机械（挖掘机、推土机、铲装机、装载机）、加油站加油机、验票机、办公机械、医疗机器、通风、暖风和空调设备、除尘、净化、消声等环境保护设备等。
- 研制和提供家庭和个人生活中应用的机械，如：泵浦、烤箱、微波炉、咖啡机、电锅、缝纫机、熨烫机、洗衣机、脱水机、烘干机、烘被机、吹风机、除湿机、电风扇、冰箱、冷气机、电暖器、暖气机、饮水机、热水器、钟表、照相机、摄影机、录影机、录音机、收音机、电视机、电话机、手机、固网调制解调器、电脑、扫描器、打印机、打印机、事务机、传真机、抽水机、清净机、吸尘器、运动器材等。
- 研制和提供各种机械武器。

### 工作内容

不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，按其工作性质可分为六个方面。

- 建立和发展可以实际地和直接地应用于机械工程的工程理论基础。这方面主要有：研究力和运动的工程力学、固体力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能及其应用的工程材料学；研究材料在外力作用下的应力、应变等的材料力学；研究热能的产生、传导和转换的燃烧学、热传学和热力学；研究摩擦、磨损和润滑的摩擦学；研究机械中各构件间的相对运动的机构学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等。
- 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。这方面包括：调研和预测社会对机械产品的新的要求；探索应用机械工程和其他工程技术中出现的新理论、新技术、新材料、新工艺，进行必要的新产品试验、试制、改进、评价、鉴定和定型；分析正在试用的和正式使用的机械存在的缺点、问题和失效情况，并寻求解决措施。
- 机械产品的生产。包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计、制造工具和模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。
- 机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品，生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产，销售对象遍及全部产业和个人、家庭，而且销售量在社会经济状况的影响下可能出现很大的波动。因此，机械制造商业的管理和经营特别复杂和困难。商业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。生产工程、工业工程等在成为独立学科之前，都曾是机械工程的分支。
- 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。
- 研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染和自然资源过度耗费方面的问题及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。

### 机械工程人才

#### 科学家与学者

由于机械工程领域相当广大，所以大多数的科学家与学者们多选择精通机械领域的其中一门分支，并进行高深的基础理论研究或者广泛的应用科学研究。

#### 工程师

专业工程师必须具备逻辑思考、有系统地研究及分析问题的能力。由于机械工程的工作往往强调整体合作，工程师必须善于与人相处，并能明确阐述生产程序的安排。为配合科技的迅速发展，工程师须不断进修，留意新科技如电脑辅助制图╱电脑辅助制造的发展。常见职称有：

- 1.机械设计工程师
- 2.机械制程工程师
- 3.设备工程师
- 4.研发工程师
- 5.热流工程师
- 6.热机工程师
- 7.电机工程师
- 8.伺服机构与控制工程师

#### 技术员

由于技术员须明确掌握工程师的意念并付诸实行，他必须具备所需的技术知识。此外，他须有良好的判断力及组织能力。担任督导职务的技术员更须能激发其下属工作，并清晰表达其指引。他亦应不断进修最新的科技知识。

#### 技工

技工必须是务实及喜爱用手及工具制作物品的人。除具备基本的理论知识外，他亦须拥有其工作所需的实际技术。

### 薪酬及就业前景

随着经济日趋繁荣，制造及服务业均需求大量曾接受专门训练的机械工程师及技术员。虽然新科技导致生产程序自动化及电脑化，但大部分与工业营运及仪器制作有关的程序，仍是以机械原理为依归。鉴于各行业均朝着高科技的方向发展，相信各级机械技术人员的需求将继续保持增长。

## 分支学科

机械工程可以看作是所有机械相关的集合。以下是机械工程系大部分的课程，附有简短的解说和常见的应用说明。其中有些是机械工程才有的特色。机械工程师多是运用学自这些和其他更专业的课程的方法和技巧。其中应用力学（静力学与动力学）、材料力学与流体力学为机械工程三大主角。更专业的课程是在研究所的课程。

- 结构分析或失效理论：机械工程领域的一个分支，它对于检验物体失效与否以及如何发生提供了贡献。结构失效有两种情况会发生：静态失效、动态失效与疲劳失效。
- 疲劳分析
- 可靠度分析
- 有限元素法

### 机械制造

制造类是综合性科目，需用到固体力学（应用力学（静力学、动力学）、材料力学）、热力学、流体力学、热学、电学、磁学、化学等各方面的理论而实现为成品，此制造程序必需满足可制造出成品、制造出的成品具有一定水准的精度或强度等要求，且能够系统化、自动化的生产。此外制造类及实验类是测量技术使用最多的，自不待言。制造之程序大致有材料之表面处理、热处理、模具、铸造、锻造、焊接、粉末冶金、切削原理、常温塑性加工、高温塑性加工、液压、气压、机电整合与自动化制造系统。相关学科：

- 电脑辅助制造
- 机械加工
- 机床
- 数值控制机床
- 机械材料
- 量测技术应用
- 铸造学
- 锻造学
- 塑胶加工
- 焊接学

### 机械设计

设计大抵是一综合性应用的科目，必需作固体力学、热力学与流体力学之相关计算，必需选取适当的材料，必需设计控制系统，必需为制造之便捷与经济性作考虑，必需知道市场现况与需求心理学，还要作所有可能的使用安全与更加人性化的考虑，使命重大，正因为它是意想成现实的中间角色。这就是必修课程多的主要原因，一个‘人’通常无法都精通这些，所以更突出科技整合的重要性。相关学科：

- 机件原理
- 机构学
- 机械力学
- 机械材料
- 机械制图
- 波动力学
- 逆向工程

### 固体力学

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固力旨在探讨固体（刚体、弹性体、塑性体）受力引起之平衡、移动与转动运动、振动、应力、应变、磨擦、塑性流与破坏等，分别有对应的课程，如：静力学、动力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、损伤力学（破坏力学）、断裂力学、接触力学、润滑理论、腐蚀学等。固力的分析同时也是任何设计的基本考虑，设计机械必定是开始于固力中的平衡考虑，依序至振动、强度等考虑，有时还需要周密的考虑，如：疲劳、冲击、高温潜变强度等。接着若是流体机械则再作流体力学之计算，然后其能量来源若是热机，则加入热力学之计算以提高效率，若是用电能则以电机作计算，再接着则是控制系统之设计，而完成设计工作，再接着才是机械制造、工业工程学、商业管理、商业经济学等。由这个序列可看出固力大致居机械工程之上游地位。相关学科：

- 静力学，研究物体于不移动情形下承受已知负载的学问。
- 动力学，研究力如何影响运动中物体的学问。
- 材料力学，研究不同材料在承受不同种类的应力时如何变形的学问。
- 弹性力学、线性弹力
- 塑性力学
- 损伤力学（破坏力学）
- 接触力学

### 流体力学

流体力学在于讨论各种性质的流体及各种流场中，压力、浮力、阻力、昇力、速度、加速度、能量、波动等问题，并广泛地应用在水利、土木建筑、航空、航海、液压、气压、化工程序等各种工程上。研究流体如何反应出力的学问。流体力学可以被更进一步分成流体静力学与流体动力学，并且它是连体力学底下的分支。相关学科：

- 空气静力学（气体）
- 空气动力学（气体）
- 空气力学（气体）
- 水静力学（液体）
- 水动力学（液体）
- 水力学（液体）
- 液压（液体）、气压（气体）
- 计算流体力学
- 流体机械
- 紊流理论
- 二相流

#### 应用

- 车辆（空气）
- 飞机（空气）
- 船舶（空气、水）
- 风力发电（空气）
- 水力发电（水）

### 热力学与热科学

热学类课程在于讨论热与能的传播、利用及对他种物系（物理系或化学系）之影响。相关学科：

- 热力学
- 热传学
- 热传递
- 热传导
- 热对流
- 热处理
- 热机学
- 热流学
- 燃烧学
- 热流测量技术
- 节能技术

### 电机电子与控制

整合机械工程的工程力学与电机工程的电力学达成所谓的电动机械学、整合电子工程的电子学达成所谓的机械电子学，例如：马达为标准的机电整合装置，再者透过控制理论与程式设计的辅助达成整体自动化，相关学科：

- 机械电子学
- 自动控制：包含线性控制与非线性控制
- 顺序控制
- 微处理机
- 电动机械学
- 电力学
- 电子学
- 电路学
- 程式设计
- 随机控制
- 数位电路
- 系统识别

#### 应用

- 电机和机械电子装置：马达
- 光机电整合装置，如：光驱
- 机器人学
- 半导体元件制造控制

## 前瞻研究领域

### 微机电系统

微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比要比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如：惯性或热容量等要重要。他们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。

生产微机电系统的公司的大小各不相同。大的公司主要集中于为车辆、生物医疗或电子工业生产大批量的便宜的系统。成功的小公司则集中于生产创新的技术。所有这些公司都致力于研究开发。随着传感器的发展微机电系统的复杂性和效率不断提高。

### 纳米技术

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纳米科技是一门新兴应用科学，其目的在于研究于纳米规模时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国的国家纳米科技启动计划将其定义为“1纳米至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生，如：原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成（将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。或由下至上制成（由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成、自组装和定点组装。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时，会和它们在巨观时有很大的不同，例如：不透明的物质会变成透明的（铜）、惰性的物质变成可以当催化剂（铂）、稳定的物质变得易燃（铝）、固体在室温下变成了液体（金）、绝缘体变成了导体（硅）。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

## 未来展望

能源方面，在近期改进核裂变动力装置、发展太阳能、地热、潮汐能、海水温差能等，可以减少对非再生的化石能源的依赖。从长远的观点看，核聚变是很有希望的和几乎无穷尽的未来能源。以核物理学的现在和将来的成就为基础，机械工程与其他工程技术一起，在21世纪中完成核聚变动力装置的开发和推广可能彻底解决世界的能源问题。使用这种新能源可同时消除对大气的二氧化碳污染。

地壳中和海水中的金属矿藏的蕴藏量极为丰富。只要改进采矿和选矿的工艺和提高采、选矿机械的性能，以降低可以经济利用的矿石品位，并充分回收金属废料，在有足够的能量供应的条件下，金属材料资源不愁匮乏。

在煤、石油、天然气等不再被大量地用作燃料而主要作为合成材料的原料之后，非金属材料的供应也可得到长远的保证。

化学工程、冶金工程等生产流程中所产生的废气、废水等环境污染源，通过改进流程、增加净化机械和设施并提高其净化效率，在技术上是能够加以消除的。

机械工程一向以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性，即以提高人类的近期利益为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

### 机械工程与人工智能

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机械工程是传统的工程技术。机械可以完成人用双手和双目以及双足双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械，使过去的许多幻想成为现实。人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬件、软件科学使人类开始有了加强并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想像的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系。其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制。人工智能消除了这个限制。机械工程可以充分利用这个新出现的巨大可能性。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

## 参考文献

### Wikibooks

- Engineering Thermodynamics
- Solid Mechanics

### 相关期刊

- Experimental Heat Transfer
- Heat Transfer Engineering
- International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics
- International Journal of Optomechatronics
- Machining Science and Technology
- Materials and Manufacturing Processes
- Mechanics Based Design of Structures and Machines
- Mechanics of Advanced Materials and Structures
- Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering
- Numerical Heat Transfer, Part A
- Numerical Heat Transfer, Part B
- Tribology Transactions

### 专业团体

- 香港工程师学会（Hong Kong Institute of Engineering, HKIE）
- 美国机械工程师学会（American Society of Mechanical Engineers）
- Pi Tau Sigma(Mechanical Engineering Honor Society)
- 中国机械工程学会（Chinese Mechanical Engineering Society）
- 英国机械工程师学会（The Institution of Mechanical Engineers）
- 马来西亚工程师协会（The Institution of Engineers, Malaysia, IEM）