人間に有用な機能を果たすために製造した可動なものである。機械を

平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第 1 回,10/7）
教科書を読んで問題に答えてください．
宿題 1.1（20 点）
機械とは何か．自分の言葉で述べてください．
宿題 1.2（20 点）
機械設計とは何か．自分の言葉で述べてください．
宿題 1.3（40 点）
新しい機械を開発するとき，機械設計の業務内容について説明してください。
（人によってまとめ方が異なる）
1
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第２回,10/21）
宿題 2.1（40 点）
安全とは何か？「フェイルセイフ」と「フールプルーフ」の意味を説明してください．
フェイルセーフ（フェールセーフ、fail safe）：
フールプルーフ(foolProof)：
宿題 2.2 破損度は何か，機械の破損事例
で web 検索し，破損様子の画像を貼り，どんな破損かを簡単
に説明しなさい．（30 点）
宿題 2.3 荷重はどのように分類されているのか，分類方法と荷重の種類を書きなさい．（30 点）
2
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第３回,10/28）
宿題 3.1 ひずみー応力線図を描き、降伏応力とは何か，耐力とは何か，両者の関係について説明してく
ださい．（30 点）
宿題 3.2
モールの応力円
とのキーワードでインターネットで検索し、主応力と最大せん断応力を求
める式を導きなさい。（２０点）
宿題 3.3 静的破損とは何か？単純応力状態の場合、静的破損が生じない条件を書いてください。
（２０点）
3
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第４回, 11/04）
宿題 4.1 組合せ応力状態はどんな応力状態を指すか？組合せ応力状態の場合、静的破損が生じない条件
（授業で説明した３つの条件）について，名称，説明文と式を書いてください。（４０点）
宿題 4.2 ミーゼス相当応力とは何か？その計算式を書きなさい。ミーゼス応力を用いた場合のメリット
とデメリットを述べなさい。（http://jikosoft.com/cae/engineering/strmat06.html 参照）（３０点）
宿題 4.3 動的破損とは何か．どんな荷重において動的破損が起こり得るのか．web で疲労破損事故例を一
つあげてください．（30 点）
4
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第５回, 11/11）
宿題 5.1 web で http://www.cis.kit.ac.jp/~morita/jp/class/FracStrength/7.pdf を自習して、疲労
は損についての理解を深めなさい。破損確率が小・中・大についての S-N 曲線を描きなさい。（30 点）
宿題 5.2 時間強度とは何か，疲れ限度とは何か，疲労強度設計において両者がどのように用いられるの
かについて説明しなさい．（20 点）
宿題 5.3 excel を用いて、以下は応力振幅(MPa)と荷重繰返し数の実験結果を S-N 曲線の軸系においてプ
ロットしてください。（20 点）
(350,6.6x104),(350,1.2x105),(350,8.5x104),
(350,9.8x104),(350,2.0x105),(300,1.5x105),
(300,2.5x105),(300,6.8x105),(300,8.0x105),
(300,9.0x104),(250,7.6x105),(250,9.8x105),
(250,4.1x106),(250,3.7x106),(250,2.5x105),
(200,2.3x107),(200,5.4x107),(200,2.7x108),
(200,9.8x107),(200,1.6x108)
5
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第６回，11/18）
宿題 6.1 対称型両振りの繰り返し荷重の波形（応力と時間との関係）を描き、その場合の強度設計条件
（破損しない条件）を示しなさい。（30 点）
宿題 6.2 非対称型繰り返し荷重の波形（応力と時間との関係）数種類を描き、また、ゾーダーベルグ線
も描き、ゾーダーベルグ線と縦軸および横軸との交点の意味を説明しなさい。（40 点）
宿題 6.3 非対称型繰り返し荷重の場合の強度設計条件（破損しない条件）を示しなさい。（30 点）
6
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第７回 11/25）
宿題 7.1 クリープとは何か、どんな条件でクリープが生じる可能性が現れるのか。（20 点）
宿題 7.2 座屈とは何か？座屈が生じないようにするためにはどのような手段があるか？（20 点）
宿題 7.3 以下の形状を持つ部材において、一点鎖線で示す断面の応力分布を示しなさい。（40 点）
宿題 7.4応力集中係数とは何か？応力集中を下げる方法三つを挙げなさい．（20 点）
7
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題８(12/02)
宿題 8.1以下の専門用語の定義について，文書，記号式，日本語式で説明しなさい．（50 点）
１）応力集中係数α
２）切欠き係数β
宿題 8.2応力集中係数αと切欠き係数βの大きさの比較を行い，切欠き係数の値が得られない場合，切欠
き係数の替わりに何を使うのか？この場合のデメリットはあるのか？（25 点）
宿題 8.3応力集中係数αと切欠き係数βは何によって決まるのか？（25 点）
8
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題９(1/06)
宿題 9.1以下の専門用語の定義を述べなさい
１）基準の強さ
２）許容応力
３）安全率
４）寸法係数
５）表面効果係数
６）材料係数
７）環境係数
８）切欠き敏感係数
宿題 9.2静荷重と動荷重の場合、基準の強さとして用いられるのがどんな応力または強度？（20 点）
静荷重の場合：動荷重の場合：宿題 9.3基準の強さ、許容応力、安全率、この３者の関係を式で示しなさい。（10 点）
宿題 9.4 計算で安全率を求める方法を式で示しなさい。（20 点）
静荷重の場合：
繰返し荷重の場合：
9
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題１０(1/27)
宿題 10.1 以下の専門用語の意味について説明してください。
Naturalresource（天然資源）：
Recycle,Recycling（リサイクル）：
Reuse（再利用）：
Thermalrecycle（サーマルリサイクル）：
Reduce（(廃棄物の)低減）：
環境への負荷：
製品アセスメント：
宿題 10.2 製品の材料選択において環境負荷低減の工夫点について説明してください。
10
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第 1 回,10/7）
教科書を読んで問題に答えてください．
宿題 1.1（20 点）
機械とは何か．自分の言葉で述べてください．
人間に有用な機能を果たすために製造した可動なものである。機械を用いることで，人々
に取って，不可能なことを可能にしたり，難しいことを簡単かつ正確に行ったりすることが
できるものである．
では，機械の定義は時代によって移り変わっており、歴史的には以下のような定義がある。
機械
の定義の変遷を見てください．
宿題 1.2（20 点）
機械設計とは何か．自分の言葉で述べてください．
機械設計は人間・社会からのニーズに応え，必要機能を実現するため機械工学を活用し
たものづくりの創造活動である。
宿題 1.3（40 点）
新しい機械を開発するとき，機械設計の業務内容について説明してください。
（人によってまとめ方が異なる）
機械設計業務内容（新しい機械を設計する場合、人によって様々である）：
①課題の確立
どのような機械が必要とされているか？ニーズの分析、実現可能性は？
②機能設計
どのような機能を果たしたいのか？
③基本設計
原理、機構、構造、解析、性能、安全性、製作技術、イメージとスケッチ
④詳細設計
全体の構造、組立、全体・部品の形状・寸法、材料、品質、コスト
⑤生産設計
加工工程、加工設備、加工コスト、環境、資源
⑥試作と評価
試作、テスト、評価、設計案の修正
11
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第２回,10/21）
宿題 2.1（40 点）
安全とは何か？「フェイルセイフ」と「フールプルーフ」の意味を説明してください．
フェイルセーフ（フェールセーフ、fail safe）：誤操作・誤動作による障害（事故）が発生した場合、機
械は常に安全側に働き，損失・損害を最小限にすること．
例：自動車エンジンが故障した場合、自動停止！
鉄道車両のブレーキ（空気制動）が故障した場合、非常ブレーキが作動。
信号機が事故した場合、赤になる。
踏切の遮断機は停電の場合、重力で降りる。
フールプルーフ(foolProof)：間違った操作方法でも事故が起こらないよう、または人間が危険に晒さ
れることのないようにするための設計を行うこと。
自動車のブレーキ、エンジンのスタート（ブレーキを踏まないとスタートできない）、危険物の瓶の
蓋（押しながら回さないと開かない）、裁断機の作ボターン（両手で二カ所のスイッチを押す）。
宿題 2.2 破損度は何か，機械の破損事例
で web 検索し，破損様子の画像を貼り，どんな破損かを簡単
に説明しなさい．（30 点）
宿題 2.3 荷重はどのように分類されているのか，分類方法と荷重の種類を書きなさい．（30 点）
12
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第３回,10/28）
宿題 3.1 ひずみー応力線図を描き、降伏応力とは何か，耐力とは何か，両者の関係について説明してく
ださい．（30 点）
ひずみー応力線図において、両者の関係は弾性関
係から外れ、塑性変形が生じ始まる点の応力を降
伏応力と言う。
ひずみー応力線図において、荷重をゼロに戻し
ても、0.2%の永久ひずみが残る場合において、荷
重低減開始点、すなわち、ひずみー応力線図上の
点の応力を耐力と言う。
降伏応力が明瞭でない場合、降伏応力の代わり
に耐力を用いることが多い。
宿題 3.2
モールの応力円
とのキーワードでインターネットで検索し、主応力と最大せん断応力を求
める式を導きなさい。（２０点）
宿題 3.3 静的破損とは何か？単純応力状態の場合、静的破損が生じない条件を書いてください。
（２０点）
静的破損とは静荷重（一定荷重またはゆっくり変化する荷重）による破損であり，現象として，降伏，
破断などがある．
単純応力の場合の破損しない条件：
σA，τA は許容垂直応力とせん断応力，σy は降伏応力（降伏点，σy の替わりに耐力σ0.2 を用いるこ
ともある）
13
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第４回, 11/04）
宿題 4.1 組合せ応力状態はどんな応力状態を指すか？組合せ応力状態の場合、静的破損が生じない条件
（授業で説明した３つの条件）について，名称，説明文と式を書いてください。（４０点）
強度設計において，複数方向の応力を考慮することが必要となる応力状態を組合せ応力状
態という．
宿題 4.2 ミーゼス相当応力とは何か？その計算式を書きなさい。ミーゼス応力を用いた場合のメリット
とデメリットを述べなさい。（http://jikosoft.com/cae/engineering/strmat06.html 参照）（３０点）
、または、
はミーゼス応力と言う。
・値はプラスのスカラー量であり、危険場所（降伏の可能性が大きい場
所）の判断がしやすい。
・応力成分の方向が分からない。
宿題 4.3 動的破損とは何か．どんな荷重において動的破損が起こり得るのか．web で疲労破損事故例を一
つあげてください．（30 点）
動的破損は疲労である。動荷重（変動荷重、繰返し荷重）によって生じる破損である。
動荷重：変動荷重、繰返し荷重、片振り荷重、両振り荷重、パルス荷重など。
金属疲労による事故：http://www.geocities.jp/nsfellowscorp/Hirouhakai.htm
1985 年に起きた日本航空 123 便墜落事故
2007 年に大阪エキスポランドのジェットコースターの車軸が金属疲労で折損
三菱自動車リコール、タイヤハブが金属疲労破壊
「もんじゅ」ナトリウム漏洩事故、原因は温度計さやの高サイクル疲労破損
14
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第５回, 11/11）
宿題 5.1 web で http://www.cis.kit.ac.jp/~morita/jp/class/FracStrength/7.pdf を自習して、疲労
は損についての理解を深めなさい。破損確率が小・中・大についての S-N 曲線を描きなさい。（30 点）
疲労強度や寿命は確率変数である．その分布(密度関数)は正規分布(Normal)，ワイブル
(Weibul)等がある．
P1<P2<P3
宿題 5.2 時間強度とは何か，疲れ限度とは何か，疲労強度設計において両者がどのように用いられるの
かについて説明しなさい．（20 点）
疲れが生じなくなる最大応力を疲れ限度といい，繰返し数Ｎで疲れが生じる応力を繰返し
数Ｎにおける時間強度と言う．
使用寿命が短くまたは使用状況を正確に把握できる部材には時間強度を用いて設計してよ
い。疲労破損を許さない、または、使用状況を正確に把握できない、特に事故につながる
部材には疲れ限度（疲労強度、疲労強さ）を用いる。
宿題 5.3 excel を用いて、以下は応力振幅(MPa)と荷重繰返し数の実験結果を S-N 曲線の軸系においてプ
ロットしてください。（20 点）
(350,6.6x104),(350,1.2x105),(350,8.5x104),
(350,9.8x104),(350,2.0x105),(300,1.5x105),
(300,2.5x105),(300,6.8x105),(300,8.0x105),
(300,9.0x104),(250,7.6x105),(250,9.8x105),
(250,4.1x106),(250,3.7x106),(250,2.5x105),
(200,2.3x107),(200,5.4x107),(200,2.7x108),
(200,9.8x107),(200,1.6x108)
15
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第６回，11/18）
宿題 6.1 対称型両振りの繰り返し荷重の波形（応力と時間との関係）を描き、その場合の強度設計条件
（破損しない条件）を示しなさい。（30 点）
応力振幅は疲れ限度を超えないこと：
、または、
宿題 6.2 非対称型繰り返し荷重の波形（応力と時間との関係）数種類を描き、また、ゾーダーベルグ線
も描き、ゾーダーベルグ線と縦軸および横軸との交点の意味を説明しなさい。（40 点）
σW：両振(対称型，応力比 R=-1)の疲労限度； σY：降伏応力
宿題 6.3 非対称型繰り返し荷重の場合の強度設計条件（破損しない条件）を示しなさい。（30 点）
ゾーダーベルグ線において、 "m + "a = 1
" y "w
さらに、 "max = "m + "a を上式に代入すれば、
破損するかどうかを判断する最大応力 "max は "max = "w + "m (1 #
!
"w
) ,
"y
"
!
せん断応力では
" max = " w + " m (1 # w ) "y
!
ここでの "max と " max は加えられる最大応力であり、実際の部材の実応力の最大値はこれらの
!
値より小さくならないと行けない、すなわち破損しない条件：
!
" # " A # "w + "m (1 $
!
!
"w
"
) または、 " # " A # " w + " m (1 $ w ) "y
"y
16
!
!
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
（第７回 11/25）
宿題 7.1 クリープとは何か、どんな条件でクリープが生じる可能性が現れるのか。（20 点）
一定の応力のもとで，永久変形が時間とともに増加する現象をクリープという．
高温（融点の１／３程度以上，鉄鋼の場合 300 から 400℃）環境で使用される
部品の設計時にクリープの対策を考える必要がある．
宿題 7.2 座屈とは何か？座屈が生じないようにするためにはどのような手段があるか？（20 点）
圧力を受ける長手の部品が横方向に不安定な変形現象を座屈と言う．
座屈を防ぐ対策：部品の断面２時モーメントを大きくする。拘束方法の変更、
または中間点に拘束を追加など。
宿題 7.3 以下の形状を持つ部材において、一点鎖線で示す断面の応力分布を示しなさい。（40 点）
宿題 7.4応力集中係数とは何か？応力集中を下げる方法三つを挙げなさい．（20 点）
部材の断面形状が，溝，切欠き，穴，欠陥，段違い部などで急激に変化する
部分において，局部的に高い応力が発生することを応力集中と言い，応力集中
による最大応力の増加の度合いを示す指標として応力集中係数が用いられる．
応力集中を下げる方法として，①段違いや切欠き部の隅半径を大きくする．
②切欠きや穴の配置または方向を考える．③力線を誘導するための切欠きを入
れる．
17
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題８(12/02)
宿題 8.1以下の専門用語の定義について，文書，記号式，日本語式で説明しなさい．（50 点）
１）応力集中係数α
応力集中による最大応力の増加の度合いは応力集中係数である．
２）切欠き係数β
応力集中による疲労強度の低下の度合いは切欠き係数である．
宿題 8.2応力集中係数αと切欠き係数βの大きさの比較を行い，切欠き係数の値が得られない場合，切欠
き係数の替わりに何を使うのか？この場合のデメリットはあるのか？（25 点）
同じ切欠きの場合，一般的にα≧β≧1.0 があるので，疲労強度設計において切り欠き係数
の替わりに応力集中係数を用いることもあるが，この場合，一般的には安全過ぎる場合が多
く，材料が不経済になる．
宿題 8.3応力集中係数αと切欠き係数βは何によって決まるのか？（25 点）
・切欠き係数を決めるには実験が不可欠である．
・応力集中係数は実験または解析で求めることができる．
18
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題９(1/06)
宿題 9.1以下の専門用語の定義を述べなさい
１）基準の強さ
損傷が生じないための限度応力である．
２）許容応力
設計上，許容しうる最大応力である．
３）安全率
強度設計において，正確に評価できない不確定な要素を考慮するため，基準の強さを低減さ
せて許容応力を決めるための係数（＞1.0）である．
４）寸法係数
疲労破損において，部材の強度は部材の寸法によって変わる．寸法が小さいほど，疲労強
度値が高い．その現象を考慮するための係数を寸法係数と言う．
５）表面効果係数
疲労破損において，部材の表面が粗いほど，疲労強度値が低い．その現象を考慮するため
の係数を寸法係数と言う．
６）材料係数
材料強度のばらつき、強度値の信頼性等を考慮する係数。
７）環境係数
使用環境によって、腐食や摩耗の影響への配慮。
８）切欠き敏感係数
応力集中係数αと切欠き係数βとの関係を示す係数ｑを切欠き敏感係数と言う。
q=
" #1
, 通常 " # $ であり， q " 1.0 $ #1
宿題 9.2静荷重と動荷重の場合、基準の強さとして用いられるのがどんな応力または強度？（20 点）
静荷重の場合：降伏応力，耐力，引張り強さなど
!
!
!
動荷重の場合：疲労強度，疲れ限，時間強度など
宿題 9.3基準の強さ、許容応力、安全率、この３者の関係を式で示しなさい。（10 点）
宿題 9.4 計算で安全率を求める方法を式で示しなさい。（20 点）
静荷重の場合：
f A = " # fL # f M # fE 繰返し荷重の場合：
f A = " # fL # f M # fE # fS # fR 19
!
!
平成 27 年度「機械設計工学」宿題解答用紙
氏名：学籍番号：自己採点：／100
宿題１０(1/27)
宿題 10.1 以下の専門用語の意味について説明してください。
Naturalresource（天然資源）：
自然の力より（地球に）存在する物質またはエネルギー
Recycle,Recycling（リサイクル）：
使用済み製品・容器や廃棄物のうち有用なもの（素材、材料）を取出し，再び利用するこ
と．
Reuse（再利用）：
廃棄物の中からまだ利用価値のあるもの（中古部品）を取出して再利用すること（中古部
品として用いること）．
Thermalrecycle（サーマルリサイクル）：
廃棄物を燃焼して熱エネルギーを得ること．
Reduce（(廃棄物の)低減）：
廃棄物の量を低減すること．
環境への負荷：
人の活動により環境に加えられる影響であって、環境の保全上の支障の原因となるおそれ
のあるものをいう
製品アセスメント：
製品の開発段階で、その製品の生産・利用・廃棄を含む全生涯においての環境負荷を予
め評価し、その軽減措置を考慮する取組のことである．
宿題 10.2 製品の材料選択において環境負荷低減の工夫点について説明してください。
１）使用物質の量を減らす． ⇒ 軽量化
２）可能な限り，同一素材を使う ⇒ 材料の偏在化（分解・回収コストダウン）
３）混合しても再生資源化に支障ない素材の組合せを選ぶ．
４）再生可能な材料を使用する．
20

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