TB-019a - メカニカルデザイン

Mech D& A Technical Brief
TB-019a
はりのせん断応力とたわみ
Shear bending of Beam problem
R01_YT/2014/05, Abaqus6.13-1，Analysis Level:★
提供されるデータ：ソルバーの入力ファイル
通常のはり理論では,はりの肉厚が薄いことを前提としてはりの断面に発生するせん断応力によるたわみは無視
して理論解が導かれている．しかしはりの長さに比べて厚みが大きい場合,あるいははりに衝撃的な打撃が加わ
って打撃点のごく近傍に変形が限定されるような場合には,この前提が満足されなくなる．
ここではその基本的な考
え方を示すために,せん断を考慮したたわみ量の計算,並びにせん断応力の分布について理論解と FEM 解析の結果
を比較検証する．
理論解中原，実践材料力学，p.104 例題 1 p.107 例題 3 参照(1)．
Fig.1 に示すような長方形断面を持つ片端を固定されたはりの先端に集中荷重を加える．このときはりに発生する
せん断応力，及びたわみを求める．諸元は以下の通りである．
はりの長さ l = 1,000[mm]
ヤング率 E=200[GPa]
断面幅 b=10[mm]
断面厚さ h=30[mm]
荷重 P=10[kN]
断面二次モーメント I=bh3 /12 = 22,500[mm4]
材料力学による解は以下の通りである．
1.
2.
曲げモーメントとせん断力の関係は
dM
Q
dx
h1
z
  zx 
Q
bI y

h1
z
max
Q
z
z
Fig.1 長方形断面を持つ片持ちはり
( xz )max  ( xz ) z 0 
3 Q  3
3 10000


   mean   
 50 [MPa] ・・・(3)
2 bh  2
2 10  30

Fig.2 よりたわみは

dw0
Q
3 Q
k


dx
AG
2 AG
・・・(4)
片持ちばりでは，せん断力 Q と荷重 P は等価であるため
3 P
 w0  
xc
2 AG
P  l3 3 I E 
   l
E I  3 2 A G 
γ
O
0
s’
q
・・・(6)
さらに縦弾性係数 E と横弾性係数 G の関係2 G (1   )  E
s
p
・・・(5)
曲げ応力によるたわみを加えると，最大たわみは
w xl 
7.
z
bz
dz
Iy
τ
y
C
h
w
・・・(2)
12 h / 2
z d z
b h3 z
dw0 3 P
 
dx 2 AG
6.

h1
bz dz
dw0
( )
  0  xz z 0
dx
G
5.
x
長方形断面に生ずるせん断応力，及び最大値をとる中立軸上（z=0）では
 xz  Q
4.
dx
dM
b  dz 
dx
dx
P
l
・・・(1)
(1)式を用いてｚ軸に直角な断面に生ずるせん断応力  zx を表すと
b zx  
3.
b
dw0
O’
r
r’
dx
Fig.2 せん断応力によるはりのたわみ
及び,ポアソン比   0. を考慮し，
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たわみを求めると
wxl  w1 

8.

1000  1003
302 
 1  0.75 
3  20000  22500 
1002 
Pl 3  3 h 2 
1 
3 E I  4 l 2 

 0.79  mm 
・・・(7)
また，せん断力を考慮しないときのたわみは
wx=l  w2 
9.
pl 3  3 E h 2 
Pl 3  3(1   ) h 2 
1   2  
 2
1 

3E I  8 G l 
3E I 
4
l 
Pl 3
 0.74  mm
3E I
・・・(8)
本例でのはりのたわみで，せん断力が占める割合
w1  w2 0.79  0.74
・・・(9)

 100  6.3  %
w1
0.79
したがって，はりのたわみの主要素は曲げモーメントであることがわかる．
解析条件
Fig.3 に解析モデルを示す．
素：四辺形応力要素 CPS4I
■ 要
■ 材料定数：ヤング率 E=200[GPa]
ポアソン比 ν=0
重： P =10[kN]
■ 荷
Fig.3 解析モデル
解析結果
Fig.4～７に Abaqus の解析結果を示す．また得られた結果をまとめて Table.1 に示す．
理論解に一致する結果が得られた．
0
2
せん断応力　[N/mm ]
-10
-20
-30
-40
-50
理論解
FEM解(Abaqus)
-60
0
Fig.4 変形図（せん断応力）
5
10
15
20
25
はり中央　下部から上部へのパスプロット [mm]
30
Fig.5 はりの中央断面におけるせん断応力の分布
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1.5E-03
X方向の断面起伏 [mm]
1.0E-03
5.0E-04
0.0E+00
-5.0E-04
-1.0E-03
-1.5E-03
0
5
10
15
20
25
はり中央　下部から上部へのパスプロット　[mm]
30
Fig.7 はり中央断面におけるたわんだ時の断面形状
Fig.6 変形図（たわみ）
※載荷点近傍でははりの形状が特異なため，はり中央部をサンプリングした．
Table.1 理論解と解析結果の比較
理論解
FEM 解
最大せん断応力
[MPa]
50
50
たわみ
[mm]
0.79
0.79
参考文献
(1) 中原，実践材料力学，養賢堂，2002．
※
Abaqus は Dassault Systemes Simulia Corp.殿の製品です．
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