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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

材料力学の基礎を学ぶ記事一覧

力について

はじめにこのカテゴリでは機械設計をするうえで避けては通れない材料力学の基礎について解説します。材料力学は機械工学の一分野であり、大学の講義で学ぶことができます。大学の講義で学ぶ材料力学では、テンソルなど理解することが難しい内容も多く含まれます。しかし、設計を行うために、これらを理解する必要性はあまり...

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SI単位系

材料力学を理解するためには、単位系について知る必要があります。私達が日常に良く使う単位系として、メートル・キロ・秒などがあります。単位には、さまざまなものが存在しますが、機械設計では 「工学単位系」 と 「SI単位系」 の2つの単位系についての理解が必要となります。日本では、長い間 「工学単位系」 ...

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応力とは

材料力学を学ぶ上で、まずはじめに理解しなければならないのが応力です。設計を行う際にも、応力は頻繁に使われます。応力とは、部材内に発生している単位面積あたりの力です。具体的に言うと、1mm2あたりにかかる力が応力です。大根が1kgあたり100円と表現しているのと同じ感覚です。部材内に発生する応力が大き...

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様々な応力

「応力とは」 で引張応力について解説しましたが、引張応力が最も感覚的に理解しやすい応力です。読まれていない方は 「応力とは」 をまずご覧ください。次に、 「圧縮応力」、「せん断応力」、「主応力」 の3種類の応力について解説します。圧縮応力圧縮応力は、引張応力と同様に理解しやすい応力です。圧縮応力とは...

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歪とは

物体を引っ張ると、引っ張った方向に伸びます。この伸びた量を、変形量 といいます。そして、元の長さに対する変形量の割合を「歪(ひずみ)」といいます。従って、歪とは、物が伸びたときの比率のことです。下図の丸棒で具体的に説明します。丸棒の元の長さを L とします。そして、丸棒を引っ張ったときに伸びた量を、...

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応力とひずみ

応力とひずみの間には物体によって、比例する法則があります。例えば、棒を引張った際には、下図に示す 「応力とひずみの線図」 が得られます。応力とひずみ は、ひずみが小さい間は一般的に比例関係となります。(※材料によっては比例にならないものもある)縦軸を、応力σ 横軸を、ひずみεとすると、ひずみが大きく...

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引張強度と許容応力と安全率

引張強度引張強度は、設計者が製品設計を行う上で、考慮しなければならない機械的特性の一つです。使用する部品には、最大どのくらいの荷重がかかるのか想定し、その荷重で破損しない材料を選択する必要があります。材料が破損しない目安となる機械的特性が引張強度です。引張強度について、鋼材の応力とひずみ線図を使って...

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様々な材料の応力ひずみ線図

ここまでの解説で「軟鋼」をベースに応力とひずみについて解説して来ましたが、材料によって描かれる応力−ひずみ線図は異なります。上図をご覧頂くと分かると思いますが、硬い脆性の材料(オレンジのライン)は伸びにくいため、破断に至るまでのひずみが小さくなります。一方、柔らかく伸びやすい延性の材料(ブルーのライ...

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材料の曲げに対する強さ

部品にかかる外力はさまざまですが、その外力に対して如何に応力を低減できる設計を行えるのかが、設計者のスキルのひとつとなります。ここでは、曲げる力に対しての応力低減について解説します。曲げの力を受ける機械部品の代表的なものとして、軸があります。軸は軸受けにより支持されて、外力により曲げの力を受けること...

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断面2次モーメントによる「はり」のたわみ量計算

断面2次モーメントは、 はりの撓み(たわみ)量 を計算するときに利用されます。(※ 「座屈(ざくつ)荷重」 を計算するときにも利用されます。)例えば、下図に示す 「はり」 において、荷重 (W) を負荷した際の、たわみ量( δ )は 断面2次モーメント( I )を使って求めることができます。  W ...

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せん断応力

軸、ピン、リベット等の機械部品を設計する際は、せん断に対する強度の検討が必要になってきます。せん断とは、物が切断される方向に力が加わり、材料が破損することです。このせん断力を使って材料を切り出すのが せん断加工 です。「せん断加工」 の場合、材料をせん断力で切り抜くことが目的ですが、機械設計ではせん...

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応力集中による破壊

応力集中とは、ある特定の部位に応力が集中することをいいます。実際の設計では、応力が集中しないように設計する必要があります。なぜなら、応力集中が部品の破損になることがよくあるからです。まずは、応力集中を理解して頂くために、以下の2つの試験片にかかる応力の違いをみてみます。はじめに下図の部材を上下方向に...

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クリープと疲労による破壊

クリープとはクリープ(creep)とは、高温下において、物体に一定の荷重(応力)を加えることで、時間とともに物体が変形していく現状のことです。通常、一定の荷重を加えた場合、それ以上変形しないところで物体の変形が止まりますが、高温下でクリープが発生すると、物体は時間とともにさらにじわじわと変形していき...

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熱応力

「熱膨張」 という言葉を聞いたことがあると思います。熱により材料のサイズが膨張する(大きくなる)ことです。材料は温度によって、伸びたり縮んだりします。従って、温度変化を考慮して設計する必要性が出てきます。熱膨張を考慮した代表的な設計の事例として、鉄道のレールがあります。レールは一本物ではなく、短い複...

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座屈とは

下図のように、柱の上から荷重を加えます。ある一定の荷重を超えるとき、柱は急激に折れ曲がります。このような現象を「座屈」といいます。細長い物体は、引張力より圧縮力の方が弱く、材料が持つ強度より遥かに小さな力で破壊します。座屈が発生するときの荷重を 「座屈荷重」といい、その時の応力を「座屈応力」といいま...

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