構造解析に必要な材料力学の理論
CAE（Computer aided engineering）というと、その名の通りコンピューターに任せてしまえば解析ができるというイメージがあります。でもいざ解析してみると、どの応力を見ればいいのかわからない、解析結果の判断で困ったという経験をお持ちの方もいるかもしれません。
そんなとき「CAEの専門技術者ではない自分では解析結果を判断できないかも」と考えてしまうかもしれません。でも安心してください。材料力学の知識があれば、構造解析はだれでも行えるようになります。
今回は構造解析を理解するために「応力-ひずみ曲線」と「許容応力と降伏点」、「弾性変形と塑性変形」に絞って材料力学のポイントをお伝えします。
鋼材の応力-ひずみ線図では、降伏点を境にして、左側と右側ではグラフの傾きが異なります。降伏点の左側（青色線）を「弾性域」、右側（オレンジ色線）を「塑性域」と呼んでいます。
弾性域
- 引っ張る力を2倍にすると2倍伸びます
- 引っ張る力を3倍にすると3倍伸びます
- 引っ張るのを止めると、元の形状に戻ります
- 線の傾き（応力/ひずみ）をヤング率と呼びます
- 通常は弾性域内に収まるように設計します
塑性域
- 引っ張るのを止めても、伸びたままで元の長さ（形状）には戻りません
- 引っ張る力と材料の伸びは比例していません
- そのまま引っ張り続けると、材料は破壊されます
材料によっては、引張試験を行っても降伏点が明確にならない場合があるため、そのような材料では伸びが0.2%に達した点（0.2%耐力）を降伏点の代わりに用います。
降伏点（0.2%耐力）を超えると材料は伸びたままで元の形状に戻らなくなります。機械設計では、降伏点に至る前のさらに小さな応力を許容応力に設定し、対象構造にかかる応力が、許容応力を上回っていないことを確認して安全かどうかを判断します。
