最適な厚さ

Question

大変失礼致しました。
画像が綺麗なものになります。
両方ともSUS304の材質です。
右の部品の真ん中Xに輪の部品を入れて、左の部品を上から差し込み、その部品の上から中心に(集中荷重)30kNの力を加えて、クランプ致します。

左の部品は、円板のたわみの計算で、約20mmの厚さでほぼ0という値が算出出来ました。

しかし、重量が7kgと重く、(この時は厚みを20mmに統一していました。)
もう少し外径を落として軽量化をしたいのですが、何mmまで攻める事が出来るのか分かりません。

どうか公式等がありましたら、ご教授下さい。
上司の話は、世の中にあるもので考えてみれば？と言われましたが、似たものが中々見つかりませんでした。

また、右部品のつば部の板厚が何ミリまでだったら3トンに耐えられるかを知りたいです。

こちらも計算式等がありましたら、何卒宜しくお願い致します。

Answer

＞世の中にあるもので考えてみれば・・・・
例えば、3トンの油圧ジャッキ
お問い合わせの構造と似て、シリンダとピストンが組み合わせれていて、さらに手動油圧ポンプまで付いていて、全体の質量が2.6 kgで仕上がっていますね。

シリンダに相当する部品だけで 7 kgの設計をしたら、上司からリジェクトされて当然かもしれませんね。

Answer

外径の肉厚が焦点というなら、多分中空円筒の座屈を計算すればいいんじゃないでしょうか。
https://seihin-sekkei.com/calculation-tool/buckling-calculator/free-end/hollow-circle/
https://materialmechanics.work/archives/993

つば部の板厚については似たような構造の質問があったのでそちらを紹介しておきます。
https://okwave.jp/qa/q5350465.html

ただこうした細かい計算もいいですが、多分書かれている内容からすると１品物の設計ですよね？　強度面については計算で切り詰めに行くのも大事ですが、ザックリ感覚を養うのも意識しておいた方がいいと思います。
　量産品に比べて個々の製品のコスト等を切り詰めるメリットは薄いので。

そういう意味で言うと今回のケースなら、材質がSUS304、かかる荷重が30kNの集中荷重。荷重をネジベースで考えると、大体M8以上M10未満です。
https://jp.misumi-ec.com/tech-info/categories/technical_data/td01/a0198.html
　つまりこのワークは、M10で緩めに締め付けた時に耐えられる代物の必要があります。
　そう考えると、まあt20はゴツいですよね。つばの下、2mmの隙間の部分をr形状に出来るか、破損した時のリスクは、などに諸条件によりますが、何となくt5から10の間くらいかなー、などに思えます。

Answer

30 kNの力は、対象の部品に対してどのように加わるのでしょうか？
右側の絵のように、均圧版を介して力が加わるのであれば、円板部分の変形が問題になることはないと思います。

＞円板のたわみの計算で、約20mmの厚さでほぼ0という値
円板部の変形は、どの程度に抑えればいいのですか？ 弾性変形の範囲であれば変形しても機能上の問題はありませんか？
ほぼゼロではなく、この値を例えば1.5 μmのように具体的な数字で表して、目標値と比較して十分小さいから、もっと板厚を減らせるのようにすることが「設計」です。

構造からみれば、カップ型部品の円板部の変形の問題よりも、内側に入り込む部品の「つば部」の曲げ応力の方が問題になりそうですね。

最適な厚さと軽量化について