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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

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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、微分積分やテンソルなどを使った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高...

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SI単位系

材料力学を理解するためには、単位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です。単位系の「系」とは関連をなすもので、日本では...

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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。設計においても、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く...

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様々な応力

次に、 「圧縮応力」、「せん断応力」、2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、引張と反対方向に力が加わったときに発生する応力のことです。図のように圧縮方向に力を受けたときに、圧縮に抵抗する力が発生します。その抵抗する力を断面積で割った値...

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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

ここまでに応力と歪について解説してきました。この応力と歪は比例の関係にあります。例えば、棒を引っ張っていくと歪が大きくなりますが、それに応じて応力も大きくなります。但し、応力と歪が比例するのは、歪が小さな時のみです。歪が大きくなると、後程解説しますが、比例関係を保てなくなります。(※材料によっては比...

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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、設計者が機械や工業製品を設計する上で、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、軟鋼の「応力−歪線図...

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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」をベースに応力と歪(ひずみ)について解説して来ました。応力−ひずみ線図は材料によって下図に示すように異なってきます。上図をご覧頂くと分かると思いますが、脆性材料(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...

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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です。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になり...

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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

断面二次モーメントとは 断面が持つ特性であり、はりの撓み(たわみ)量 を計算するときに利用します。(※ 「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...

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せん断応力

軸、ピン、リベット等、せん断荷重が加わるような機械部品を設計する際には、せん断に対する強度の検討が必要です。せん断とは、物が切断される方向に力が加わることです。このせん断力を使った機械加工に「せん断加工」があります。「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、機械設計ではせん断...

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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繋が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...

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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象のことです。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。多くの方は、小学校理科で空気を温める実験で熱膨張を経験していると思います。熱により材料の体積が膨張する(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、温度変化が大きな環境で使用する機械や製品の場合、熱膨張を考慮した設計が...

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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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