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引張応力と降伏応力
2024/06/07 11:30
機械設計において，引張応力が考慮される理由は何でしょうか？
引張応力付近に到達した時点で塑性変形が生じ，材料は変形してしまいます．塑性変形が起こった製品や部品は壊れていると言ってもいいと思います．それなら，弾性変形内である降伏応力のみ考えて設計するべきではないのでしょうか．
※OKWAVEより補足：「技術の森(材料・素材)」についての質問です。
回答 （4件中 1～4件目)
↓のような設計は負荷質量と梁スパンの応力と安全率でほぼ自動的にフレームサイズは決まる
https://jp.misumi-ec.com/ec/incadlibrary/detail/000034.html
でもしかし↓は負荷質量からすると安全率はべらぼうにデカイ
https://jp.misumi-ec.com/ec/incadlibrary/detail/000837.html
https://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/110302032220/?list=PageCategory
https://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/223000517796/?list=PageCategory
まぁよーするに破断強度でもなく弾性限度でもなく、許容変形量で決まる
1ミクロンを計測する装置のフレームが１ミクロン揺れちゃったらダメでしょ
計測装置だけでもなく、高速動作するロボットのフレームとか
https://www.e-mechatronics.com/product/robot/assembly/index.html
F1とかのレーシングマシンとかも
https://www.as-web.jp/f1
８万ｒｐｍのスピンドルとかも
https://nakanishi-spindle.com/hpms/
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この事ひとつで全てを説明できないかもしれませんが、産業的な実用性みたいなものについて考えるニーズがあるから、というのが、大きな理由ではないでしょうか。
例えば、精密な動作が要求されている設備機器などでしたら、どこかに降伏が生じて、わずかにでも変形してしまったら、それだけでもう使い物にならない、というケースもあると思います。そういう場合ですと、おっしゃる様に、降伏応力のみを考えて設計するという事が実際にあり得るのではないでしょうか。
これがまた、例えば建築物などですと、それとは多少状況が異なります。地震大国の日本という立地上、震度7以上などのレアな超大地震が発生したときの事も想定が必要なわけですが、そんな超巨大地震が来ても降伏応力以内で耐えられるように設計しようとすると、コスト的に折り合わなくてどうにもならない、という事になってきます。そこで、そんなにレアな超巨大地震が起きてしまったときには、建物が壊れてしまう事についてはもはやある意味諦めて、そのかわり、中に居る人がなんとか押し潰されずに逃げ出せるように、みたいな考え方をしています。そのとき、例えば建物がドサッと一気に崩れ落ちるような壊れ方(脆性破壊)をすると、中に居る人は逃げられずに死んでしまいますが、グニャーと歪みながら徐々に潰れていくような壊れ方(非脆性破壊)をすると、逃げ出せる可能性が大きくなります。そういう状況ですと塑性変形の開始後についても考える意味が出てきます。
その他にも、「多少変形しても、完全にぶっ壊れるまでは使える」といったものが世の中にけっこう在るのだと思います。そういう物も、歪み始めるまでの耐久性と共に、実用できる限度の耐久性についても考慮したりする場合が往々にしてあると考えられます。
その様な、生活の中での可用性であったり、あるいは制作や量産における経済性であったり、そういった社会的な実用性といった要素も考慮に入れながら設計する事が必要なケースが往々にしてありますので、材料の弾性応力と引張強さとの両方について考えるのではないかと思います。
引張応力が、材料力学・機械設計の基本として定着しているからでしょう。
ご質問に記載の「引張応力」は、引張り力を掛けたばあいに、材料が破壊されずに堪える限界の応力のこと想定なさっているようですが、JISなどでは、「引張強さ」という用語を使うことが一般的と思います。
ご指摘のとおり、引張強さ以下であっても、弾性限界を超える応力が加われば、塑性変形が起きるので、機械的な機能が維持できなくなる可能性が高いので、弾性限界を基準に設計すべきという考え方も合理的と思います。
機械設計において、「引張り強さ」を基準にしているのは、最大応力を「引張り強さ」以下にすればよいことを言っているのではありません。「引張り強さ」は応力を評価する際の基準であって、その上で、適切な安全率を考慮して設計することが必要です。安全率は一律に決められる値ではなく、機械の用途、求められる機能・性能などに応じて、設計者が決める事柄です。
引張強さを基準にするか、弾性限界を基準にするかは、安全率を含めて設計を行うことを考慮すると、本質的な問題ではないと思います。
なお、建築基準法では、SS400に対する基準強度を235N/mm2と設定しており、この値は、弾性限界に対応していると思います。分野によっては、弾性限界を基準とする場合もあるので、慣習でそうなっていると理解なさったら如何でしょうか。
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補足
2024/06/07 12:43
回答ありがとうございます。
記述のミスがあり申し訳ありません。
文中の「引張応力」は間違いで、正しくは「引張強さ」です。