【機械設計技術者試験】普通科文系出身で1級合格した勉強資料公開！

各種強度諸元(材料力学)

試験勉強資料

2023.02.072023.08.05

機械設計技術者試験の科目の一つである、
材料力学の中の、
各種強度諸元(材料力学)についての、
オリジナル勉強資料を公開いたします。

機械設計技術者試験合格を目指される方の
お役に立てればと思っております。

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各種強度諸元(材料力学)

穴埋め問題の類似問題です。
太線・赤太線の部分を語句郡の
中から選択する出題内容です。
スキマ時間等で繰り返し読んで
覚えてもらえたらと思います。

①数値諸元

次の文章は、数値諸元について
述べたものである。
空欄に適切な語句を下記から選択せよ。

(空欄部は太字・赤太字と仮定します。)

(01)軟鋼の降伏点(降伏応力)
　　200 ～ 300 [MPa = N/mm²]

(02)軟鋼の引張強度
　　370 ～ 450 [MPa = N/mm²]

(03)鉄鋼材料の縦弾性係数(ヤング率)
　　2.06 × 10⁵ [MPa = N/mm²]

(04)鉄鋼材料の横弾性係数(剛性率)
　　8.0 × 10⁴ [MPa = N/mm²]

(05)鉄鋼材料のポアソン比
　　0.3

(06)一軸応力場における無限板に空いた
　　円形の穴の周囲の応力集中係数(無次元)
　　3.0

(07)長い円筒タンクの円筒部に働く、
　　周方向応力(フープ応力)と
　　軸方向応力との比率
　　2.0

(08)長辺と短辺の比率が2:1の矩形断面での
　　短辺に平行な中立軸回りの
　　断面二次モーメントと、
　　長辺に平行な中立軸回りの
　　断面二次モーメントとの比率
　　4.0

(09)鉄鋼材料の密度
　　7.86 × 10⁻³ [kg/cm³]

(10)鉄鋼材料の線膨張係数
　　1.15 × 10⁻⁵ [K⁻¹]

②疲労強度

次の文章は、疲労強度について
述べたものである。
空欄に適切な語句を下記から選択せよ。

(空欄部は太字・赤太字と仮定します。)

機械構造物の破壊事故では、腐食および
疲労破壊によるものが多いといわれる。
繰り返し荷重がかかる場合、引張強さや
降伏点等の基準強度よりも小さな応力で、
機械構造物が破損することがある。
航空機や船舶では、
流体力による繰り返し荷重がかかる。
自動車や鉄道の車輪は、
回転することで繰り返し荷重がかかる。

繰り返し荷重がかかると、それを支える機械
部品には引張や圧縮、時には曲げやねじりに
よる繰り返し応力が発生する。
この繰り返し応力が疲労破壊の原因になるこ
とがある。局所的に応力が大きくなり、疲労
破壊を起こしやすくなる。
このように応力が急変する現象を、応力集中
という。

疲労が発生しやすい箇所では定期的に点検し
疲労による亀裂が発生していないことを確認
する。万が一疲労による亀裂が見つかった
場合は、修理によってその亀裂を取り除けば
破損事故は防止できる。

設計では繰り返し荷重がかかる場合、形状の
不連続な個所について、あらかじめ求められ
た図表や解析等により応力の大きさを推定す
るが、応力集中の程度が厳しいほど、少ない
繰り返し回数で疲労が発生しやすい。

また繰り返し応力の変動幅を応力振幅といい
応力振幅の大きさと繰り返し回数が疲労強度
に大きく影響するが、応力の変動しない成分
がある場合は平均応力の影響も考慮する必要
がある。

応力振幅の大きさがある値より小さくなると
繰り返し回数がどんなに増えても疲労亀裂が
発生しない場合がある。
この応力振幅の下限値を疲労限度という。

疲労強度には主として、
繰り返し荷重による応力振幅の大きさと、
繰り返し回数、応力集中の程度、材質、
などが関係する。

③強度設計

次の文章は、強度設計について
述べたものである。
空欄に適切な語句を下記から選択せよ。

(空欄部は太字・赤太字と仮定します。)

(01)強度計算

一般的に強度計算には、負荷(荷重)によって
生じる部材のある断面に働く単位面積当たり
の力、つまり応力を計算して、その値を強度
計算上の指標としている。

この断面に働く応力は、
断面に垂直に働く直応力と、
断面に平行に働くせん断応力がある。
直応力はさらに、
引張応力,圧縮応力,曲げ応力に分類される。

(02)強度の基準

強度設計では応力計算で求めた計算応力が、
材料強度から決まる許容応力以下になるよう
断面寸法を決定する。
許容応力は材料の引張試験で求まる降伏点
または引張強度、疲れ強さ等の材料の基準
強度を安全率で割った値が用いられる。

この安全率は、実際の荷重や設計、材料、
施工、その他の不確定な要因によるバラツキ
の影響を考えても、機械構造物が十分負荷に
耐えられるように、経験に照らし合わせて
設定した値(1.0以上で、基準応力の種類や
負荷(荷重)条件にもより、通常の機械設計
では1.5～4程度を用いることが多い)を
用いる。
この関係を式で表すと、

となる。

従って、例えば許容応力が基準強度の1/2倍
になっているということは、強度に2倍の
余裕があるということではない。

上述の荷重、設計、材料、施工等の様々な要
因を考えると設計応力をこの許容応力程度の
値まで抑えて設計しないと、何らかの原因で
機械構造物が壊れる恐れがあるからである。
安全率は強度設計上、必要不可欠なもので、
安全を確保する上で社会的な規範としての
意味もある。

(03)引張荷重と圧縮荷重

引張荷重では、柱の横断面に生じる引張応力
が材料の降伏点に達するまでは、部材の大き
な変形は発生しない。しかしながら、
細長い柱に圧縮荷重が加わる場合、柱の圧縮
応力が降伏点より小さい値であっても柱が急
に曲がってしまい折れてしまうことがある。
この現象を座屈といい、その時柱にかかる
限界の荷重を座屈荷重という。
細長い柱ではその荷重は、
柱の長さの2乗に反比例する。

(04)繰り返し荷重

一般に金属材料に加わる荷重が変動する
繰り返し荷重であると、材料の降伏点より
かなり小さな荷重で部材が破壊することが
ある。この破壊現象を疲労といい、
応力振幅の大きさが大きいほど、また、
荷重繰り返し数が多いほど発生しやすく、
機械構造物で最も起きやすい、代表的な
破壊形態のひとつである。

特に部材の形状が急激に変化するコーナー部
等では応力の流れ(力線という)が乱れ、
繰り返し荷重による亀裂が発生しやすい。
こうした局所的に応力が大きくなる部分を
応力集中部という。
繰り返し荷重による破壊を防ぐには、
こうした急激な形状変化をする部分を極力
減らし、応力の流れをなだらかにすることが
有効である。

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各種強度諸元(材料力学)

私が過去に受験勉強した資料で
不足たくさんあると思います。
そこはご容赦いただければと。
それと、クセ字もすみません。
クセが強すぎて一部の同僚には
「シマ字」と言われてました。

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