強度 VS 剛性: 違いは何ですか?

強度対剛性は、設計条件、環境、機能、および操作を適用して、材料設計、構造設計、機能設計、および動的設計を認定する設計エンジニアを決定し、その結果、仕事が耐用年数の経過とともにその仕事を遂行できるようになります。しかし、それほど高価な材料を使用することはできないため、適切な材料を選択するには、コストと機能性能に関して最適なパラメータを選択することが非常に重要です。

剛性とは

材料は力を加えても変形しにくく、降伏強度の下側の領域に留まる特性があるため、微小な変形も元の材料の寸法を変えることなく元の形状に戻ります。材料の強度も同じ特性の尺度であり、応力-ひずみ曲線の直線曲線により、この材料が高いヤング率または剛性を持っていることを設計者に伝えることもできるためです。したがって、同じ方法で設計結果が得られるように、どの方法が設計要件にとって重要であるかをさまざまな方法で確認する必要があります。

詳細については、次の YouTube リンクをご覧ください。

剛性の単位

剛性の単位はN/m、または引っ張りや圧縮などの外的要因が少ないときの単位直線寸法あたりの力で、数値は試験機の表示値、単位寸法は理論式から得られます。したがって、機械出力の数値のみがこの試験の基本的な結果であるため、引張試験の剛性またはねじり剛性の計算によって剛性の計算結果のみを求める必要があります。

剛性の計算式

剛性と強度は背景現象が全く異なるため、試験機の結果や計算式も異なり、数値の求め方にも関係があります。

剛性の式は次のとおりです。

F= Kx F = 力 K= 剛性定数 X= 変形 剛性値は残りの寿命の間一定であるため、材料の製造が完了すると、剛性はその固有の特性になります。

硬い素材

材料の剛性は、力や外部慣性荷重が材料に加わるたびにこの材料がどのように動作するかを示します。高ヤング率材料、例えば高張力鋼、ダイヤモンド、高炭素表面鋼などは、引張強度と耐圧痕性により高い剛性値を持っています。したがって、硬度、強度、および変形の少なさは、その構造的完全性により現場で同じ材料が得られた結果であることは明らかです。

素材の硬さ

この特性は、材料に力が作用するたびに材料がどのようにその応力に耐え、変形して挙動の平衡を作り出し、硬度靱性を示すかという、材料の荷重挙動について説明します。引張強さは、作用力に対する変形を示すため、この特性の主な指標となります。圧縮強度も圧縮側の強い力に対して低変形で引張強度と同様の挙動を示すため、これと関係があります。

工学における剛性とは何ですか?

安全クラスの機器の構造設計者にとって大きな変形挙動は必要ないため、設計者にとって、どの材料が公称力の大きな変形に耐えるかを理解することは非常に重要な特性です。材料の靭性値が高い場合、その剛性は低い方に向かうため、この特性には靭性の挙動が非常に重要な側面を持ちます。

強さとは何か

材料の応力-ひずみグラフが試験機に出力されるたびに、材料の強度または引張強度が値を持つポイントが存在します。この値は、材料の曲げ強度、減衰性能、構造的完全性と関係があります。これは、すべてが相互に間接的な形状に直接関係しているためです。別の方法では、引張強度のレポートは、材​​料の強度、材料の剛性、および曲げ強度についてのアイデアを与えるだけです。

強さの単位

力を加えたときの材料の応答であるため、測定値はパスカルまたは N/m2 で表され、結果は引張強度、圧縮強度、または同じパラメータのその他の形式になります。高強度鋼と低合金鋼は、合金添加、熱処理、マルテンサイト構造、および炭素含有量により、約 1200 MPa の強度を持つことができます。したがって、パスカルの値が高いと、数値が大きいためメガ パスカルの形が非常に一般的になります。これは、各材料に XNUMX 十桁の強度がある場合、報告書に記載することが困難になるためです。

強度と剛性の違い

強度と剛性には、工学材料の選択において説明すべき多くの側面があります。これは、ほとんどの材料が、靭性、材料強度、機械的利点、硬度靭性、および剛性の計算により、設計シミュレーションおよび合格基準においてこれら 1 つの特性を備えているためです。表 No.XNUMX には、さまざまな面での強度と剛性の説明が記載されています。

強度 剛性 材料が最終的に破壊されるまでの力に対する抵抗力です。材料の剛性に対する抵抗です。壊れることのない材料の挙動です。変形を伴わない材料の挙動です。それは設計における物理的な欠陥に関係します。それは設計における機能的欠陥に関係します。弾力性があり脆い場合があります。エラスティック専用です。表１．強度と剛性。

強度と剛性のグラフ

応力-ひずみは、強度と剛性のグラフをグラフ化したもので、高応力で材料がどのように壊れるか、または同じグラフの傾きから材料の剛性値がどのくらいかを示すためです。図No.1に強度対剛性の傾きと極限引張強さの挙動を示します。

図1．応力-ひずみグラフ。

負荷時の動作

図1は、ワークに力が作用するたびに、ワークに塑性変形が加わり、材料の挙動が変化することを示しており、材料の挙動は応力-ひずみグラフと関係があります。降伏点までは、原子が滑ることなくただ去っていくだけであるため、材料に永久的な変化は存在しません。しかし、降伏点が尖った後、転位によって滑ります。したがって、極限の引張応力点で破壊されると言えます。

材料選択における役割

材料の組成、減衰性能、エネルギー効率、機械的利点、ねじり剛性の計算と強度が重要な要素であるため、強度と剛性は材料の選択において非常に重要な要素です。高強度材料には高い応力値を有する構造が必要ですが、許容基準が変形にも関係する場合は、考慮すべき別の側面もあります。したがって、この場合、剛性は重要な役割を果たします。剛性は、現場で致命的な破損を引き起こすことなく、適用中の材料/構造の変形を制御できる材料選択プロセスの特性であるためです。

図No.2に材料選定表を示します。

強度応用例

この特性は、各破損モードで強度が重要であるため、設計者に曲げ強度、ねじり強度、降伏強度、極限引張強度のさまざまな形式で材料を評価するように指示します。通常、構造材料を選択すると、良好な強度で破損モードに耐えることができます。 ASTM と同様に、A 36 は構造用鋼であり、降伏強度 250 MPa、極限引張強度 485 MPa の強度を持っています。

表No.2に各材質の強度を示します。

剛性の応用例

これは設計者の材料選択における変形基準に関係しており、鋳鉄は荷重を加えた際の変形が少ないため、基礎のすべての CNC 加工フレームが鋳鉄製であり、加工プロセス中の振動や変形が少なくなります。作業場での天井クレーンも同様で、クレーンブリッジのかしめは使用者にとって安全ではないため、強度の合否を考慮せずに過度の変形は安全機能に反します。

測定技術

強度測定にはさまざまな方法がありますが、設計プロセスでの降伏強度が有名です。この点により、構造内の応力が弾性範囲内にどれだけ残るかを回避できるためです。そのため、すべての合格基準では異なる方程式で降伏強度を使用し、材料のひずみ硬化を避けるために材料が適用中に永久塑性変形を起こさないようにしています。剛性の場合、ヤング率は応力-ひずみグラフの弾性範囲の指標または傾きであり、力や荷重が加わったときの材料の正しい挙動を知ることができます。

強度: 引張試験靭性

応力-ひずみグラフの下の領域は、材料の靱性特性を示します。これは、そのすべての領域において、最終的な破損を生じさせることなく外部荷重を吸収することが材料の挙動であるためです。したがって、実際の形状では、最終的な破損なしに材料の吸収能力を示すことがエネルギーであり、シャルピー衝撃試験手順でも同様の表現が目標となります。圧縮試験:

設計者は、張力と圧縮の両方がエンジニアリング アプリケーション モードで支配的な現象であるため、異なるアプリケーション モードで材料がどのように動作するかを考えることができます。張力の場合に備えた設計であっても圧縮が常に存在するとします。たとえば、エンジンのピストンが動いている場合、そのサイクルの半分には圧縮も存在するため、すべての場合に張力が存在するわけではありません。したがって、圧縮試験は、引張モードの作業でも材料の強度を調べる主要な要件です。

せん断試験:

これは、材料が引張モードまたは圧縮モードにほぼ垂直であるため、そのモードにならずに、どの程度の強度または力で材料がせん断面で切断されるかを示します。ハサミが引張・圧縮モードに比べて少ない力で材料を剪断するとすると、引張・圧縮モードの約0.4倍と言えます。図No.3はサンプルの最も薄いところを示しています。

図3．せん断テスト。

剛性: 応力-ひずみ解析

この解析では、グラフにどの程度の傾きが存在するかを示す傾きを与えることができます。この傾きは、これほどの力によって構造にこれだけの変形が存在することを説明するためです。

弾性率測定

応力対ひずみグラフの傾き測定で、ヤング率または弾性率の値を求め、材料の応力挙動の結果としてどの程度のひずみが生じているかを示します。この値は、静荷重形式で材料全体を記述するための弾性率測定や位置比を受け入れる Ansys など、他のすべての要素がすでにこの値に存在しているため、設計解析にとって非常に重要です。

部品設計プロセスの強度と剛性: 7 つの重要な要素

構造の寿命全体の挙動は材料の選択プロセスから決まるため、強度と剛性は、あらゆる材料選択プロセスにおいて設計者にとって非常に重要なツールです。したがって、材料のシミュレーションを行う場合は、材料のヤング率と降伏強度の値を見つけて、解析プロセスによって設計における強度と剛性の関係を作成します。

強度と剛性の設計の見積もり、スケールダウンモデルの 3D プリント、結果の検証については、このリンクをクリックしてください。

要件の定義

設計プロセスでは、材料に対する荷重または力の作用と、力 + 地震条件、力 + 風荷重条件、および力 + 腐食条件の荷重の組み合わせを常に考慮して、リアルタイムの動作条件のシナリオを見つけます。

コンセプチュアルデザイン

ジョブの形状、サイズ、およびそのアセンブリの配置も、構造における強度と剛性の挙動を決定し、最適な設計手法を配置する際に適切な材料を見つけるための要素の組み合わせに影響を与える可能性があります。たとえば、ソーラー パネルのフレームでは、部材のエネルギー効率の配置は、強度と剛性係数よりも概念設計でカバーする重要な側面です。

材料選定ガイドとその見積書については、このリンクをクリックしてください。

材料試験

UTM マシンは、材料の強度と剛性の挙動を見つけるためのテストを実行し、引張強さ、降伏強さ、伸び率、弾性率、密度、およびクリープ挙動の要素を含む疲労耐性の形式で出力を形成することができます。したがって、強度と剛性の設計係数により、理論的な図や表を参照することなく、これらの係数と材料の最終的な適用を決定できます。

反復設計

これは、顧客/ユーザーのフィードバックに基づいて材料を継続的に変更することによる、強度と剛性の設計コンセプトです。たとえば、材料 ASTM A 36 が設計者によって選択されたが、操作中に大きな変形が発生するという苦情が発生した場合、設計者は高剛性の変更を検討する必要があります。製品の次のバリエーションの材料。 5.プロトタイピングとテスト:
設計プロセスでの解析ではリアルタイムフィールドでの製品の実際の動作を予測できないため、製品の強度と剛性の基準を確認するには、製品の物理的検証も必要です。

シミュレーションの検証

強度と剛性の決定はシミュレーションの検証結果だけから得られるものではなく、結果として得られるパラメータを検証するためのプロトタイプのテストと検証のサポートプロセスが存在します。

継続的なイノベーション

シミュレーション検証、反復設計、プロトタイプテストからのフィードバックを組み合わせて、あらゆる構造や製品の高度なバリエーションを開発し、最終製品が有効な方法で動作条件を維持できるようにします。

部品設計および製造サービスに Tuofa を選ぶ理由

新製品の開発や既存モデルのカスタムパーツの開発を決定した場合、新製品開発は多段階のプロセスであるため、設計手法、製造プロセス、テスト手順、認定基準など、多くの要素を考慮する必要があります。そのため、専門家チームまたは組織がこのプロセス全体において重要な役割を果たします。Tuofa China（ISO 9001認証取得）は、経験豊富なデザイナーと生産エンジニアのチームを擁し、強度と剛性の基準に基づいて、お客様のニーズをエンジニアリング製品に明確に反映させることができます。詳細については、Tuofa Chinaのウェブサイトをご覧ください。

強度と剛性に関するよくある質問

クレーンブリッジの最適な剛性値の設計とは何ですか?

その最適な剛性は、全荷重の荷重条件下で目に見えるほど変形しない程度の値でなければなりません。なぜなら、目に見える変形があれば、フロアレベルで作業し、ある場所から別の場所に荷物を運ぶために同じものを使用している人やスタッフにパニックが生じるからです。

設計を検証するにはどうすればよいですか?

ポロタイプ試験方法を使用し、その結果を同じ動作条件、材料、荷重力、および結果として得られるパラメータを使用したシミュレーション解析と比較することで、量産用の設計と概念図の検証が可能になります。

高強度材料は常に必要ですか?

いいえ、強度と剛性に関係する他の材料特性は、特定の材料の選択に影響します。これらの特性は、靭性、ヤング率、耐疲労性、応力破断特性、および熱老化の結果です。