工程学

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進行渦輪機製作的工程人員
海上風力發電是現代環保工程學
航太工程的風阻測試

工程学工学,是通过研究与实践应用数学自然科学社会学等基础学科的知识,来达到改良各行业中现有建筑机械仪器系统材料化學和加工步骤的设计和应用方式一门学科。实践与研究工程学的人叫做工程师

高等学府中,将自然科学原理应用至工业农业服务业等各个生产部门所形成的诸多工程学科也称为工科工学

定義[编辑]

美國專業發展工程師會英语American Engineers' Council for Professional Development(ECPD,美國工程及技術教育認證委員會英语Accreditation Board for Engineering and Technology的前身)[1]定義工程學為:

有創意的應用科學定律來設計或發展結構物、機器、裝置、製造程序、或是利用這些定律而產生的作品,或是在完整了解其設計下建構或設計上述的物品、或是在特定運作條件下預測其行為,所有所做的都是為了其預期的機能、運作的經濟性或人員及財產的安全。[2][3]

实践与研究工程学的人叫做工程师,而有專業執照的會有其他名稱,例如注册工程师等。

工程的分支[编辑]

現代音樂廳的設計就包括了工程學中許多不同的領域,包括聲學工程英语Acoustical engineering建筑工程土木工程

工程的範圍很廣,一般會分為數個子學科,這些子學科是工程中的不同領域。一開始工程師會訓練在某一個特定的領域,但在其職業生涯中可能還是會接觸其他領域。一般工程學主要可以分為四類[4][5][6]

此外,也有其他的工程领域,以往的分類有包括海洋工程矿业工程,現在的分類有會包括製造工程英语manufacturing engineering聲學工程英语Acoustical engineering儀表及控制工程英语Instrumentation and control航空航天工程車輛工程計算機工程computer電子工程、石油工程英语petroleum engineering系统工程音訊工程軟體工程建筑工程农业工程生物系统工程生物医学工程[7] 土力工程纺织工程工業工程材料工程[8]核工程[9]英国工程委员会英语Engineering Council就包括了上述許多的工程領域。

有時一些特別的應用會整合上述傳統的領域,形成一個新的領域,例如地球系統工程及管理英语Earth Systems Engineering and Management就包括了人類學工程研究英语Engineering studies環境科學伦理学哲學。一些新的領域會暫時定義為一些已有領域的組合,因此某一特定的應用是否視為一個領域仍有許多灰色地帶,一個主要的指標是主要的大學是否有開設此領域的學系、研究所或學程。

上述的領域中有相當的重疊部份,尤其是各領域中應用科學的部份,例如物理、化學及數學等。

工程领域列表[编辑]

工程学分支列表[编辑]

工程学方法[编辑]

工程师最关键和独特的任务是发现,理解并结合实际的局限来达到满意的结果。很多情况下,产品不仅仅只需符合技术要求,其他条件也必须满足。这些条件包括材料来源,物理或技术的局限,未来改进的可行性和其他因素,诸如成本,可销售性,可生产性及适用性。

解决问题[编辑]

工程师们应用科学,数学和相应的经验来找到问题的解决办法。他们建立合理的数学模型,对问题进行分析并测试可能的解决方案。可能的解决方案常常有多个,工程师们必须根据它们的本质评价各方案的优劣并选择最能满足要求的最佳方案。折中存在于是各种工程设计的核心之中,最佳设计意味着能达到尽可能多的要求。

工程师一般在全面生产过程前,就尝试预测他们的设计如何达到规格。他们使用:原型比例模型模拟破坏性试验非破坏性试验强度测试。测试保证产品按期望值运行。测试的目的是确保产品能符合预计的要求。工程师作为专业人员会尽量制造符合预计要求的产品,并达到对社会无害。工程师往往需要在设计中考虑安全因素来降低意外的故障。不过,考虑的安全因素越高,设计效率也通常会越低。

電腦的應用[编辑]

有關太空船在降落時週圍高速空氣的電腦模擬,這類流場的解需要有限元素法去分析熱方程式纳维-斯托克斯方程的效應

正如同許多現代的科學及技術一樣,電腦和軟體也在工程中扮演越來越重要的角色,現在有越來越多為工程設計的電腦輔助應用軟體(電腦輔助科技英语Computer-aided technologies),電腦可以建立基本物理方程的模型,可以用數值方法求解。

其中一種常被使用的工具是電腦輔助設計(CAD),這類軟體包括CATIAAutodesk Inventor英语Autodesk Inventor、DSS的 SolidWorks或是ProE,可以讓工程師創造3D模型、2D的工程圖、以及相關設計的簡圖。CAD配合数字化样机英语digital mockup计算机辅助工程的軟體(像有限元素法解析元素法英语analytic element method)可以讓工程師依設計建立可以分析的模型,而不是製作昂貴且花時間的實體原型

上述軟體可以用來檢查產品及零件的缺點、評估是否有裝配問題、進行人因工程的研究、研究產品動態或靜態的特性,像應力、溫度、產生的電磁波、電流及電壓,數位信號準位、流場分佈及動力學。這類資訊的分佈及存取一般會利用產品資料管理軟體來整合[10]

現在也有許多工具可以協助特定的應用,像產生CNC加工指令的電腦輔助製造(CAM),產品生產會用到的製造程序管理英语manufacturing process management軟體、電子工程中印刷電路板設計及繪製線路圖需要的電子設計自動化(EDA)軟體,維護工程會用到的MRO管理英语Maintenance, repair, and operations(維護、維修和運營)軟體。

近年來利用電腦來協助產品的開發已通稱為產品生命週期管理(PLM)[11]

与其它专业的比较[编辑]

科学家经常要问“是什么”“为什麽”,并且科学家的“为什么”往往都能转化成“是什么”,他们关心於了解那些人类尚未確切、完全、詳細了解的知识,满足人类的好奇心;工程师则经常要问“如何做”,利用科学家发现的知识,制造对人类有用的物体或工具。

从经济的角度来说,科学家不必关心经济问题,他们想法子获得必要的经费(如政府拨款、企业投资、私人赞助等),然后专心去研究。工程师则相反,他们必须使制造出来的物体,在经济上是可行的,否则没有任何用处。如果一件产品的成本高于其市场价值,使得无人光顾,这种产品就无法生产,所以对工程师来说,经济观念是必备的。例如像科幻小说所描写的“按12个按钮,再拉下三个把手,就可以给面包片抹上黄油”一类的机器,在理论上是完全可以制造出来的,但工程师决不会制造这种机器。

从相互包含的角度来说,科学家可能也需要完成某些工程作业(比如设计试验仪器,制造原型),工程师经常也要做研究。从目的的先后顺序来说,可以说科学家为了学习而制造,而工程师为了制造而学习。从工程和科学都要做的研究来说,工程学上的研究与科学研究也有不同之处。它经常涉及到的领域,基本物理化学已经很好的被了解了,而这些问题却很难被精确的解决。工程学的研究便是要寻找可能近似方案。

限制[编辑]

某些工程作业,比如设计桥梁、电厂、化工厂,必须被专业工程师所批准。保护公众健康和安全的法律强制专业人员必须提供指导,这些指导是从教育和经验中获得的。

即使有了严格的检测和许可证发给,工程灾难还是会发生。因此专业工程师严守伦理学标准。每个工程学科和专业组织,都持有伦理学标准,成员发誓遵守维护。

参考文献[编辑]

  1. ^ ABET History
  2. ^ Engineers' Council for Professional Development. (1947). Canons of ethics for engineers
  3. ^ Engineers' Council for Professional Development definition on Encyclopædia Britannica (Includes Britannica article on Engineering)
  4. ^ Journal of the British Nuclear Energy Society: Volume 1 British Nuclear Energy Society - 1962 - Snippet view Quote: In most universities it should be possible to cover the main branches of engineering, i.e. civil, mechanical, electrical and chemical engineering in this way. More specialised fields of engineering application, of which nuclear power is ...
  5. ^ The Engineering Profession by Sir James Hamilton, UK Engineering Council Quote: "The Civilingenior degree encompasses the main branches of engineering civil, mechanical, electrical, chemical." (From the Internet Archive)
  6. ^ Indu Ramchandani. Student's Britannica India,7vol.Set. Popular Prakashan. 2000: BRANCHES There are traditionally four primary engineering disciplines: civil, mechanical, electrical and chemical. [23 March 2013]. ISBN 978-0-85229-761-2. 
  7. ^ Bronzino JD, ed., The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, 2006, ISBN 0-8493-2121-2
  8. ^ http://www.jstor.org/pss/10.1525/hsps.2001.31.2.223
  9. ^ http://www.careercornerstone.org/pdf/nuclear/nuceng.pdf
  10. ^ Arbe, Katrina. PDM: Not Just for the Big Boys Anymore. ThomasNet. 2001-05-07. 
  11. ^ Arbe, Katrina. The Latest Chapter in CAD Software Evaluation. ThomasNet. 2003-05-22. 

外部連結[编辑]

参见[编辑]