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わかりやすい力学と
機械強度設計法
（独）海上技術安全研究所
平田 宏一
第２章 材料強度の基礎
機械の必要条件
★壊れない
★安全である
★正しく機能する
そのためには・・・
★適切な材料を使う
★荷重が加わっても壊れない形状・寸法にする
2.1 強度設計とは
どのような荷重
が加わるか？
強度設計の考え方
（荷重の形式，応力）
運動してい
るときの荷
重は？
静的荷重が設計の基本
どのような材
料を使うか？
材料の知識（性質，強度）
実験用魚ロボットの例・・・
壊れなくするため
の寸法・形状
は？
破損の原因（応力集中な
ど）
★荷重の形式
どの部材に，どのような形式の荷重が加わるかを
適切に判断することが重要！
2.2 応力とひずみ
(1) 応力とひずみの定義
引張り応力の場合
応力：外力による物体の変形に対抗し
て物体内に生じる内力。単位面積当た
りの力で表す。
力
応力＝
断面積
σ＝
F
A
[N/m2
]
★圧縮応力とせん断応力
圧縮応力の場合
σ＝
F
[N/m2
A ]
せん断応力の場合
τ＝
F
[N/m2
A ]
★ひずみの定義
引張り荷重の場合
ひずみ：外力によって物体
が変形したとき，元の長さに
対する伸びの割合。
ひずみ＝
ε＝
* 荷重方向のひずみを「縦ひずみ」という。
伸び
元の長さ
⊿L
L
★応力とひずみの関係
応力とひずみの関係
フックの法則：ある範囲にお
いて，応力とひずみは比例
する。
E＝
σ
ε
縦弾性係数（ヤング率）
重要！
(2) 材料の性質と強さ
●使用する材料
の性質を知って
おくことが重要。
(2) 材料の性質と強さ
●部品が変形し
てしまうと，機械
が正しく機能しな
い。
★金属材料の機械的特性
材質
SS400
引張り強さ
降伏点または
耐力
[N/mm2]
[N/mm2]
400以上
245以上
厚さ16mm以下
235以上
厚さ16～40mm
215以上
厚さ40mm以上
径100mm以下
備考
特徴
参考
JIS G 3101
一般的な炭素鋼
高温用合金鋼ボルト
材，クロム鋼
一般的なステンレス
鋼
SNB 5
690以上
550以上
JIS G 4107
SUS304
520以上
205以上
A1085P
75以上
35以上
厚さ4～6.5mm
70以上
35以上
厚さ6.5～13mm
60以上
25以上
厚さ13～25mm
A2017P-T3
375以上
215以上
ジュラルミン
JIS H 4000
A20124P-T3
440以上
295以上
超ジュラルミン
JIS H 4000
A7075PC-T6
480以上
410以上
超々ジュラルミン
JIS H 4000
JIS G 4303
JIS H 4000
純アルミニウム
★温度と強度の関係
許容引張応力　（N/mm
2
）
140
120
S U S 3 0 4 （圧 力 容 器 ）
100
80
60
40
20
0
0
200
400
600
800
温 度 （℃ ）
●金属材料は，温度上昇に伴い，強度が低下する。
(3) 応力とひずみの測定
2.3 機械の運動とトルク
機械
「動力によって一定の運動を行い，ある仕事をする複
雑なしかけをもった器具」
「力」の伝わり方
を考える。
(1) 回転運動と往復運動
回転運動
一定速度＝扱いやすい
往復運動
速度変動＝慣性力の増大＝設計困難
(2) 回転運動とトルク
回転運動では，「力」の代わりに，「トルク」を使う。
Tq  F  R
トルク＝力×回転半径
● おもりを持ち上げる仕事(J)
回転軸が１回転する場合，持ち上げる距離は2πR
W  2 R  F
仕事＝力×移動距離
単位は同じ（J=Nm）でもトルク
と仕事は違う！
●出力（仕事率）
回転軸（モータ）の回転数をN(rpm)とすると，
L W 
N
60
 2 R  F 
N
60
 2  T q 
N
60
出力＝仕事／時間
出力＝
２π×トルク×回転数
●トルクの増減
回転軸Aのトルク＜回転軸Bのトルク
回転軸Bは，回転軸Aよりも高い強度が必要
(3) トルクの測定
ひずみゲージを使用した計測用車いす
(3) トルクの測定
ひずみゲージを使用した計測用車いす
(3) トルクの測定
市販のトルク測定器を使用した発電機性能評価装置
2.4 許容応力と安全率
安全率は，材料強度のばらつきや荷重の見積もり誤差
などの不確定な要因を考慮して決められる。
(1) 許容応力と安全率の定義
許容応力＝基準の強さ／安全率
設計上，許容できる
最大応力
許容応力
破損の限界を表す
応力
基準の強さ
(2) 安全率の考え方
(a) 安全率および許容応力は，設計者自身が明確な根拠（経験
や知識）を持って決める値である。
(b) 基準の強さは，破損の限界を表す応力であり，機械が機能し
なくなるときの応力と考える。すなわち，設計する機械に応じて，
材料が破損する引張り強さや弾性変形を維持する限度などを用
いる。
(c) 設計者が決定する安全率には，明確な正解（最適値）はない。
例え，機械が壊れなかったとしても，そのときに設定した安全率
が最適であるとは限らない。
(d) 実際の設計では，前例や経験に基づき，安全率を設定するこ
とが多い。また，人命に関わる危険な機械を設計する場合には，
法令で安全率が定められていることもある。