工程“铁三角”

工程“铁三角” 工程导论课程论文 工程“铁三角” ——从《超级工程》看 机械、材料、信息工程的关系 班级:卓越机械1201 姓名:张 修 硕 学号:120800223 工程导论课程论文 工程“铁三角” ——从《超级工程》看机械、材料、信息工程的关系 班级:卓越机械1201 姓名:张修硕 学号:120800223 摘要:本文从《超级工程》中的案例出发，讨论机械工程、材料科学与工程、信息技术与工程三门工程学科在工程领域的关系，并探讨三门学科在未来的发展趋势。 机械工程，建立在牛顿经典力学基础上的机械学科，引领两次工业革命的浪潮，不断将人类从繁琐的劳动方式中解放出来，成为推动人类生产力进步的巨大动力。 材料科学，工程领域的后起之秀，第三次科技革命的先锋学科，被认为是本世纪最具发展潜力的工程学科。 信息技术，开启第三次科技革命的钥匙，彻底改变了人们的生产模式、思考方式和生活习惯，人类因此迎来了知识大爆炸的信息时代。 我们已经进入一个崭新的历史阶段，过去以某一工程学科为轴心带动工程技术进步的发展模式已经不再适用了，取而代之的是多门工程学科协同进步，共同发展的新模式。在这种新模式下，不同学科之间通过借助彼此的最新进展共同创造更为广大的发展空间，从而最大限度地发挥各自的价值。 机械工程、材料科学、信息技术，这三门曾经在不同历史时期引领时代浪潮的工程学科，成为今天工程建设的中流砥柱。 如果把工程比作一个完整的工作电路，那么机械工程就像电源，为工程建设提供技术支持和设计构思;材料科学就像电闸，电闸决定电路的通断，而工程设计能否付诸实施，往往取决于是否具备性能合适的材料;信息技术好比导线，联系不同学科，实现资源共享，为不 工程导论课程论文 同领域间的交流与融合提供平台。 对于完整工作电路来说，电源、电闸和导线都是不可或缺的电器元件，而对于工程建设来说，机械工程、材料科学、信息技术也是三足鼎立的关系，共同为工程建设提供支持。因此我把它们比作工程“铁三角”。 下面我以《超级工程》中的两个实例——港珠澳大桥和上海中心大厦的建设为蓝本，发掘机械、材料、信息三门学科之间的深层联系。 在工程建设中，相似的问出现在不同的环节中，工程师可以从不同的工程学科出发寻求解决。 港珠澳大桥的建造面临着诸多挑战，其中，自然震动是最让人头疼的一个。首先，大桥的桥墩必须具备很高的抗震能力——海洋土木工程不但受到来自地震的威胁，更要应对地震可能在海域引发的余波和海啸。为解决这一问题，工程师采用高阻尼橡胶作为大桥支座材料，从而实现耗散地震能量的目的。 同样是为了解决自然震动给桥梁带来的威胁，同济大学在寻找解决涡振问题的时，采用风洞模型模拟台风状态下的大气环境，根据实验数据调节桥梁的结构设计，如增设溢流板等。在解决涡振问题中，工程师采用的是机械设计的手段，同样可以实现减震的效果。 面对类似的问题，从不同的学科出发可以得到不同的改造思路。这时，选择合适的出发点是至关重要的。桥墩在结构上几乎没有可以调整的空间，因此工程师选择从材料入手解决问题;而解决涡振问题时，由于没有合适的建材可以代替钢板，因此工程师选择从机械设计 工程导论课程论文 出发，直接修改桥梁设计。 从一门学科出发，综合其他学科的研究方法和成果将会获得更为宽广的创新空间。在前面提到的高阻尼橡胶耗散地震能量的例子中，工程师采用先进的结构分析软件寻找最佳减震方案，而这种软件的开发就应用到机械和信息技术的知识。以新材料为核心，辅以科学的机械设计和强大的信息分析工具，从而使工程组能够在大桥开工之前完成整个减震方案的设计。在这个过程中，材料是工程创新的中心，机械设计起到优化方案的作用，而信息技术则为机械设计提供了可靠的功能平台。 现在我们把目光转移到工程整体，分析在整个设计和施工过程中机械、材料和信息之间的关系。 上海中心大厦建造过程中，其惊人的高度是推进工程建设的不可抗阻力之一。为了解决这一难题，工程师们从不同的领域出发，从不同的角度切入问题。 高度给施工带来巨大的安全隐患。为了保障工人的安全，机械工程师设计了与钢筋混凝土核心筒相配套的超级工具——钢平台。然而随着大厦建设的推进，工程师又面临着如何提升钢平台的新问题。他们从攀岩运动中受到启发，将钢平台的内外支架固定在着力孔中，在人工控制下自己“爬升”上去。就这样，由高度引发的安全难题被彻底解开了。 高度还使混凝土的输送变得异常困难。常规的混凝土不能自由流动，需要借助高压泵的推动才能向上输送;然而高压泵又增加了管道 工程导论课程论文 堵塞的风险。工程师针对这一问题的策略是将管道堵塞的罪魁祸首——针片状石子“整形”成精品石子，实际上是采用自密实混凝土代替传统材料作为建材。新材料的出现使这个问题以最简单的方式迎刃而解。 高度留给工程师们的最后一个难题是庞大的数据处理和人脑难以想象的复杂模型。BIM(建筑信息模型)系统把设计、施工、设备、材料等所有信息在计算机平台上进行整合，使不同团队能够在同一个平台上工作。 现在我们从工程师克服建筑高度带来的一系列问题这一过程中分析、推演机械工程、材料科学和信息技术之间的关系。 机械工程为施工提供动力和工具，为材料研发和信息技术开发提供设备支持。它与工程整体的关系就像树根和土壤一样——土壤只有借助树根的固结作用才能形成密实的土层，而现代工程正是以机械工程为核心实现跨领域的联系与合作，确保工程的有序开展。 材料科学被誉为人类文明三大支柱——材料、能源、信息——中的中流砥柱，是工程建设的物质基础。材料科学与其他工程学科的关系最为直接和紧密，它的发展成果往往会在机械、建筑等相关领域引起“连锁反应”，带动不同学科的共同发展。可以说材料是工程“铁三角”里面的“革命者”，它使人们在解决工程问题时避免不必要的复杂设计和运算，同时最大限度地提高工程质量。 信息技术同样名列人类文明三大支柱之一。与材料科学不同，信息技术的优势体现在后台管理——它为工程设计建模提供运算能力 工程导论课程论文 强大、表现方式明朗的工作平台，化虚拟为现实，充分发挥人类智慧的潜能。它将来自机械、材料的信息进行汇总和统筹，然后再把分析的结果反馈给信息源和其他需要信息的领域。 机械、材料信息与工程之间的关系，可以通过下图更为直观地表现出来: 工程全局 信息统筹 材料功能设计 设计与动力 信息技术 设计平台支持 预估材料性质硬件设备支持 提供新型材料 提供加工工具 机械工程 材料性能优化 材料科学 尽管随着第三次科技革命的推进，生物工程等工科新秀已经对当今工程发展产生影响，但是以材料科学为物质基础、以机械工程为动力支持和以信息技术为管理工具的工程格局并没有受到冲击。相反，由于新兴学科的发展，机械、材料、信息这三门传统工程学科向更微观、更智能化以及更可持续的方向发展，获得了更为广大的发展空间，使既有的“铁三角”关系更为稳固。我们有理由相信，机械工程、材料科学和信息技术构建的“工程铁三角”将继续推动人类工程的进步。 工程导论课程论文 参考资料 [1]张宪民.机械工程概论.武汉:华中科技大学出版社，2011; [2]冯瑞，师昌绪等.材料科学导论.北京:化学工业出版社，2002; [3]杨瑞成等.材料科学与工程导论.北京:科学出版社，2012; [4]万钧力.信息工程学科导论.宜昌:三峡大学电气与新能源学院电子工程系，