4 ポアソン比の定義 長さが$L_0$,直径が$d_0$の丸棒に引張荷重を作用させる場合について考える( 図1. 4 )。ある荷重を受けて,この棒の長さが$L$,直径が$d$になったとすれば,この棒の長手方向(荷重方向)のひずみ$\varepsilon_x$は \[\varepsilon_x = \frac{L – L_0}{L_0}\] (5) 直径方向のひずみ$\varepsilon_y$は \[\varepsilon_y = \frac{d – d_0}{d_0}\] (6) となる。ここで,荷重方向に対するひずみ$\varepsilon_x$と,それに直交する方向のひずみ$\varepsilon_y$の比を考えて以下の定数$\nu$を定義する。 \[\text{ポアソン比:} \nu = – \frac{\varepsilon_y}{\varepsilon_x}\] (7) 材料力学ではこの定数$\nu$を ポアソン比 と呼ぶ。引張方向のひずみが正ならば,それと直交する方向のひずみは一般的に負になるので,ポアソン比の定義式にはマイナスが付くことに注意したい。均質等方性材料では,ポアソン比は0. 5を超えることはなく,ほとんどの材料で0. 2から0. 4程度の値をとる。 5 せん断応力とせん断ひずみ 次に, 図1. 5 に示すように,着目する面に平行な方向に作用する力である せん断力 について考える。この力を単位面積あたりの力として表したものが せん断応力 となる。着目面の断面積を$A$とすれば,せん断応力$\tau$は以下のように定義される。 \[\text{せん断応力:}\tau = { Q \over A}\] (8) 図1. 5 せん断応力,せん断ひずみの定義 ここで,基準長さに対する変形量の比を考えてせん断変形を表すことを考える。いま,着目している正方形の領域の一辺の長さを$L$として, 図1. 応力ーひずみ関係から見る構造力学用語ー弾性・塑性・降伏・終局・耐力・強度. 5(右) に示されるように着目面と平行な方向への移動量を$\lambda$とすると,$L$と$\lambda$の比が せん断ひずみ $\gamma$となる。 \[\text{せん断ひずみ:} \gamma = \frac{\lambda}{L}\] (9) もし,せん断変形量$\lambda$が小さいとすれば,これらの長さと角度$\theta$の間に,$\tan \theta \simeq \theta = \lambda/L$の関係が成立するから,せん断ひずみは着目領域のせん断変形量を角度で表したものととらえることができる。 また,垂直応力と垂直ひずみの関係と同様に,せん断応力$\tau$とせん断ひずみ$\gamma$の間にも,以下のフックの法則が成立する。 ここで,比例定数$G$のことをせん断弾性係数(横弾性係数)と呼ぶ。材料の弾性的性質に方向性がない場合,すなわち材料が等方性材料であれば,ヤング率$E$とせん断弾性係数$G$,ポアソン比$\nu$の間に以下の関係式が成り立つ。 \[G = \frac{E}{2(1 + \nu)}\] (11) 例えば,ヤング率206GPa,ポアソン比0.
断面係数の計算方法を本当にわかっていますか?→ 断面係数とは? 2. 丸暗記で良いと思ったら大間違い→ 断面二次モーメントとは何か? 3.
1 棒に作用する引張荷重と垂直応力 図1. 2 垂直応力の正負の定義 3 垂直ひずみ ばねに荷重が作用する場合の変形を扱う際には,荷重に対して得られる変形量=変位を考えて議論が行われる。それに対して材料力学では,材料(構造物)が絶対量としてどのぐらい変形したかということよりも, 変形の割合 がむしろ重要となる。これは物体の変形の割合によって,その内部に生じる応力が決定されるためである。 図1. 3 棒の伸びとひずみ 図1.
まず、鉄の中に炭素が入っている材料を「炭素鋼」と呼びます。 鉄には、炭素の含有量が多いほど硬くなるという性質がありますが、 そのなかでも、「炭素」の含有量が少ないものを「軟鋼」といいます。 この軟鋼は、鉄骨や、鉄道のレールなど、多種多様に用いられている材料です。世の中にかなり普及しているため、参考書にも多く登場するのだと思われます。 あまりにも多くの資料に「軟鋼の応力-ひずみ線図」が掲載されているため、 まるでどの材料にも、このような特性があるものだと、学生当時の私は思っておりましたが、 「降伏をした後の、グラフがギザギザになる特性がない材料」や、 「そもそも降伏しない材料」もあります。 この応力-ひずみ線図は「あくまで代表例である」ということに気をつけてください。
9MPa (4式)より、 P=σ×a=99. 9MPa×(0. 01m×0. 01m)=(99. 9×10 6)×(1×10 -4)=9. 99kN =約10トン 約10トンの荷重で引っ張ったと考えられます。 ひずみゲージは金属が伸び縮みすると抵抗値が変化するという原理を応用しています。 元の抵抗値をR(σ)抵抗の変化量を⊿R(σ)ひずみ量をεとしたときこの原理は以下のようになります。 ⊿R/R=比例定数K×ε... (6式) 比例定数Kを"ゲージ率"と言い、ひずみゲージに用いる金属(合金)によって決まっています。また無負荷のとき、ひずみゲージの抵抗は120σが一般的です。通常のひずみ測定では抵抗値の変化は大きくても数σなので感度よくひずみを測定するには工夫が必要です。 ひずみ量から応力=かかった力を求めてみましょう。ひずみ量は485μST、ひずみゲージの抵抗値を120σゲージ率を2. 00として計算します(6式)より、 ⊿R=2. 00×485μST×120σ=0. 第1回 応力とひずみ | 日本機械学会誌. 1164σ なんと、わずか0. 1164σしか変化しません。その位、微妙な変化なのです。 計測器ラボ トップへ戻る
§弾性体の応力ひずみ関係 ( フックの法則) 材料力学では,完全弾性体を取り扱うので,応力ひずみ関係は次のようになる,これをフックの法則と呼ぶ. 主な材料のヤング率と横弾性係数は次のようである. E G GPa 鋼 206 21, 000 80. 36 8, 200 0. 30 銅 123 12, 500 46. 0 4, 700 0. 33 アルミニューム 68. 6 7, 000 26. 5 2, 700 注) 1[GPa]=1 × 10 3 [MPa]= 1[GPa]=1 × 10 9 [Pa] §材料力学における解法の手順 材料力学における解法の手順 物体に作用する力(外力)と応力,ひずみ,そして物体の変形(変位)との関係は上図のようになる. 上図では,外力と変形が直接対応していないことに注意されたい.すなわち, がそれぞれ対応している.例えば物体に作用する力を与えて変形量を知るためには, ことになり, 逆に変形量から作用荷重を求める場合は なお,問題によっては,このような一方向の手順では解が得られない場合もある. [例題] §ひずみエネルギ 棒を引っ張れば,図のような応力-ひずみ曲線が得られる.このとき,荷重 P のなす仕事すなわち棒に与えられたエネルギーは,棒の伸びを l として で与えられ,図の B 点まで荷重を加えた場合,これは,図の曲線 OABDO で囲まれた部分の面積に等しい. 応力とひずみの関係式. B 点から除荷すれば,除荷は直線 BC に沿い, OC は永久変形(塑性ひずみ)として棒に残り, CD は回復される.したがって,図の三角形 CBD のエネルギーも回復され,これを弾性ひずみエネルギーと呼ぶ.すなわち,棒は弾性ひずみエネルギーを解放することによってもとの形に戻るとも言える.なお,残りのひずみエネルギーすなわち図の OABCO の面積は,主に熱となって棒の内部で消費される. ところで,荷重と応力の関係 P = A s ,伸びとひずみの関係 l = l e を上式に代入すれば となり, u は棒中の単位体積当たりのひずみエネルギーである.そして,単位体積あたりの弾性ひずみエネルギー(図の三角形 CBD の部分)は である.すなわち,応力が s のとき,棒には上式で与えられる単位体積あたりの弾性ひずみエネルギーが蓄えられることになる.そして,弾性変形の場合は,塑性分はないから,単位体積あたりのひずみエネルギーと応力あるいはひずみの関係は 上式は,引張りを例にして導いたが,この関係は荷重の形式にはよらず常に成立する.以上まとめれば次のよう.
3の鉄鋼材料の場合,せん断弾性係数は79. 2GPaとなる。 演習問題1. 1:棒の引張 直径が10mm,長さが200mmの丸棒があり,両端に5kNの引張荷重が作用している場合について考える。この棒のヤング率を210GPaとして,棒に生じる垂直応力,棒に生じる垂直ひずみ,棒全体の伸びを求めなさい。なお,棒内部の応力とひずみは一様であるものとする。 (答:応力=63. 7MPa,ひずみ=303$\boldsymbol{\mu}$,伸び=60. 6$\boldsymbol{\mu}{\bf m}$) <フェロー> 荒井 政大 ◎名古屋大学 工学研究科航空宇宙工学専攻 教授 ◎専門:材料力学,固体力学,複合材料。有限要素法や境界要素法による数値シミュレーションなど。 <正誤表> 冊子版本記事(日本機械学会誌2019年1月号(Vol. 122, No. 応力 と ひずみ の 関連ニ. 1202))P. 37におきまして、下記の誤りがありました。謹んでお詫び申し上げます。 訂正箇所 正 誤 式(7) \[\text{ポアソン比:} \nu = – \frac{\varepsilon_x}{\varepsilon_y}\] 演習問題 2行目 5kNの引張荷重 500Nの引張荷重
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