「新卒で機械設計をやっているけど、材料力学がわからなくて困っている…」
「材料力学の勉強って何から始めればいいの？」
「おすすめの勉強法があれば知りたい…！」
このような疑問や悩みにお答えします。
こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。
2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は製造装置メーカーで機械設計士として働いています。
今回は機械設計の仕事をするうえで必須な「材料力学の基礎知識」を解説します。
機械系なら、大学の授業で材料力学を学びますが、「就職したら忘れてしまっている…」という方も多いですよね。
機械設計の仕事では、材料選定や強度計算などで材料力学の知識をよく使います。
本記事では、材料力学の基礎となる「力」の話から、応力や安全率といった具体的な計算方法まで、10ステップでわかりやすく解説します。
これから材料力学を勉強する方や、若手機械設計士の方にぜひ参考にしてもらいたい内容です。
初心者が材料力学の基礎を習得するための10ステップ
設計初心者が材料力学を勉強するならこの順番という流れで、10個のステップにわけて解説していきます。
はじめのうちは、完璧に理解できなくてもOK。
実際ぼくも、仕事でわからないことが出てきたら、その都度ネットや本で調べたりしています。
まずはザッと読んでみて、自分の仕事に関係がありそうな所があれば、2回3回と読み返してみるのがおすすめ。
ステップ1：荷重と反力の計算方法を理解しよう
まずは、材料にはたらく「荷重」について理解しましょう。
荷重とは、物体に働く力のことです。
たとえば、地面に置かれた物体は、静止していても地面に対して力を加えています。
このとき、地面に作用する力が荷重です。
また、物体は、荷重と同じ大きさで逆向きの反力を受けています。
荷重と反力がつり合うことによって、力がかかっていても物体は静止しているのです。
荷重と反力を求めることは、材料力学の基本。
荷重と反力の関係がわかれば、適切な材料を選定し、最適な設計をするこができます。
ステップ2：荷重と応力の関係を理解しよう
つづいては、荷重と応力の関係について。
応力とは、物体内部に発生する単位面積あたりの力です。
物体に荷重がかかると、内部には応力が発生します。
応力には、引張応力、圧縮応力、せん断応力などの種類があり、材料によって壊れる限界の応力値が決まっています。
したがって、材料の強度計算をする際には、物体に発生する応力を求める必要があります。
ステップ3：ひずみとは何かを理解しよう
応力とひずみは、セットで覚えておくべき概念です。
ひずみとは、単位長さあたりの変形量のこと。
たとえば、丸棒を引っ張っていくと、力の大きさに応じて棒は伸びます。
このとき、元の長さに対してどれだけ伸びたかを表すのがひずみです。
応力と同じく、材料の強度を確認するうえで必須の計算ですので、確実に理解しておきましょう。
ステップ4：弾性変形と塑性変形の違いを理解しよう
つづいては、弾性変形と塑性変形について。
さきほど、物体に力が加わると、変形してひずみが発生すると説明しました。
この変形は、力を取り除くと元の形に戻る弾性変形と、力を取り除いても元に戻らない塑性変形にわかれます。
物体に力を加えていくと、弾性変形を経て塑性変形に移行します。
したがって、製品が壊れないためには、力がかかっても弾性変形の範囲内で設計する必要があるのです。
ステップ5：許容応力と安全率の考え方を理解しよう
応力、ひずみ、変形について理解できたら、許容応力と安全率の考え方を抑えておきましょう。
安全率とは、「製品を壊れないように（安全に）使うための考え方」です。
材料は、過度な応力が発生すると、変形が戻らなくなって（塑性変形を経て）破断します。
そこで、設計段階で材料に発生する最大の応力（許容応力）を計算し、材料が壊れる限界の応力を超えないように設計するのです。
許容応力と安全率の考え方は、機械設計で必ず使う知識。
「ちゃんと理解できていない…」という方は、下記記事を読み込んでぜひ使いこなせるようにしておきましょう。
ステップ6：梁に作用する荷重と反力を計算しよう
ここからは、少し専門的な内容になります。
材料力学では、梁（はり）に作用する力（荷重・反力・曲げモーメントなど）を求めることが重要です。
下記記事では、梁と柱の違いから、具体的な荷重と反力の計算方法を解説しています。
機械設計だけでなく、材料力学の試験勉強にもなるので、学生さんはぜひ参考にしてください。
ステップ7：せん断力図と曲げモーメント図の書き方を覚えよう
つづいては、せん断力図と曲げモーメントの書き方です。
せん断力図と曲げモーメント図は、機械設計というよりも、材料力学の授業や試験でよく出る内容。
機械設計では、式の導出や公式を覚える必要はありませんが、原理を知っておくと、設計のヒントになることがあります。
ステップ8：たわみの公式を覚えて使いこなそう
たわみは、曲げモーメントとセットで覚えておくべき内容です。
梁に力がかかると、せん断力と曲げモーメントが発生して、梁がたわみます。
せん断力や曲げモーメント、たわみを求めることで、設計した製品にどれだけ力が加わり、どれだけ変形するかがわかります。
材料力学の授業でもよく出てくるので、きちんと理解しておきましょう。
ステップ9：熱応力を理解しよう
さいごは、材料の熱膨張によって発生する熱応力について。
熱力学とも関連する内容で、機械設計では必ず使う知識です。
一般に、材料は温度が上がると体積が増加し、下がると減少します。
これを熱膨張といい、熱膨張によって材料内部に発生する応力を熱応力といいます。
日常生活で使われる製品は、気温の上下や使用環境によって温度変化が生じます。
したがって、すべての製品には熱応力が発生するため、機械設計では熱応力の計算が必須です。
ステップ10：参考書で材料力学の知識を深めよう
ここまでで材料力学の基礎はひと通り解説してきましたが、より深く学びたい方は参考書で勉強するのがおすすめです。
下記記事では、僕が実際に使ってよかったと感じた参考書を紹介しています。
興味がある方は、ぜひ参考にしてみてください。
まとめ：材料力学を理解すれば、壊れない製品を設計できる
以上、材料力学の基礎と勉強法を紹介しました。
大学の授業よりも噛み砕いて解説したつもりですが、1回読んだだけじゃイマイチ理解できなかったという方も多いと思います。
機械設計の知識は、座学よりも、実際に仕事で使いながら調べたり勉強したりした方が確実に習得が早いです。
僕自身、「仕事でわからないことが出てくる→ネットや本で調べる→設計に活かす」という経験を繰り返しながら、今回紹介した内容を覚えてきました。
「半分くらいしか理解できなかった」という方は、実際に仕事で使うようになってから、また本記事を読み返してみることをおすすめします！
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