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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

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荷重 P で引っ張った時の応力を求めます。

 

 

この応力の求め方は、「応力とは」で解説しましたが、以下で求められます。

 

荷重がかかる断面積 A とした時、応力σは σ = 荷重 P / 断面積 A で求められます。
このケースでは、断面Aに、一様な荷重、一様な応力がかかっています。

 

しかし、次のように形状の一部に切り欠きがあると、その近傍で応力が一様とならず、局所に応力が集中することとなります。感覚的に分かると思いますが、この形状を上下に引張ると切り欠き部分から破損を起こします。 それは、この切り欠き部分に応力が集中するからです。

 

断面Bに発生する応力は荷重を断面で割った平均応力(P/B) よりもずっと大きな応力 σmax となります。

 

 

切り欠きがある場合、切り欠きがない場合の荷重より小さな荷重で破損に至ります。
従って、実際の設計では、このように応力が集中しないような設計を行う必要があります。

 

応力集中の度合いは、応力集中係数 α で表現されます。

 

応力集中係数 α = σmax / σo で求められます。
(応力 σo は公称応力といい、 σo = P /B となります。)

 

ゆえに最大応力は、応力集中係数に平均応力をかけた σmax =α × σo で求めることができます。
(※応力集中係数は各種文献などで調べることができます。)

 

応力集中は次のような場合に発生します。

 

(1)切り欠き部
(2)コーナー部(隅)
(3)空洞部 (製造時に材料内部に発生した空洞)
(4)断面が急激に変化した部位

 

 

部品の破壊は、応力が集中する部分から発生することが多いため、出来る限り応力集中を低減させる設計が必要です。
例えば、先ほどの形状の場合、切り欠き部を無くし、コーナー部には十分なラウンドをつけ、断面の急激な変化を無くし、製造時に空洞が発生しないように、肉ヌキを入れたりすることで、応力集中を回避することができます。

 

 

また、コーナー部など、角が出ている部分では応力集中係数が無限大となります。
このような部分には、応力集中を避けるために、設計段階で必ずRを付けなければならない部分です。

 

 

ただし、設計でRをつけ忘れたから応力が無限大となり、必ず破損するというわけではありません。
なぜなら、製造において厳密に角になることはありえないからです。

 

工具自体が円形であるため、どんなに小さな工具を使っても必ず微小なRがつきます。
微小なRが存在していることにより、許容できる応力の範囲内であれば、部品は破損しません。

 

しかし、通常使用において破損しない場合であっても、振動のような動的な荷重の場合、このようなコーナー部を残した設計が命取りとなる場合がありますので注意が必要です。

 

コーナー部から徐々に亀裂が入り、破損に至ることがあります。

 

コーナー部のように視覚的に分かる部分であれば、簡単に応力集中に対応することができますが、実際の部品では、思わぬ部分に応力集中する場合があります。このような応力集中を見つける方法として、構造解析ソフトによるシミュレーションが非常に有効です。

 

設計段階で応力集中の特定ができ、未然に製品の欠陥部の改善を行うことが可能です。

 

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