この章ではセンサの検出技術以外の構成上必要となる設計について解説していきます。
強度設計は材料力学の知識を使い、材料の形状、機械物性をインプットし計算し適性値を決めていきます。
今回はよくある事例としてスナップフィットの設計を取り上げ、間違いやすい判断と正しい考え方を解説します。
１．スナップフィットの応力設計
樹脂部品ではスナップフィットと呼ばれる簡易な組付け固定方法が多用されています。スナップフィット組付けを行う場合は大きなひずみ変形を起こさせる場合が多く、単純な応力計算では成立しないことがあります。樹脂材料は比較的伸びやすいものを使い破壊しないよう考慮しますが、この場合のStress-Strainカーブを考えることがポイントになります。
以下、例を追って考えていきましょう。
２．スナップフィットの設計事例
よく見るスナップフィットの設計例を示します。
図１の寸法でスナップフィットは1.3mmたわみ、相手部材と勘合します。
このときに破壊しないか計算します。
材質は伸びの良いPOMを使用します。限界応力は50MPa。ヤング率E＝2700MPaとします
【計算事例】
限界応力50MPaを超えているので、設計不成立（破壊する）ことになってしまいます。
しかし、よく検討し直すと成立するのです。
３．樹脂のS－Sカーブ
樹脂のS-Sカーブ（Stress-Strain)は鉄鋼とは異なり、低いひずみから直線ではなくなってきています。
つまり塑性変形が始まっていることを表しています。
ところが前ページの材力計算はフックの法則つまりσ＝εE をベースに計算しているので青破線上をたどることになります。
先ほどのスナップフィットの応力σから ひずみε を計算すると
ひずみ＝2.9%のところにあたる応力は樹脂のS-Sカーブから読み取ると42MPa であり、問題ないことがわかります。
このことは手計算だけではなく、一般のFEM解析も同様であり注意が必要です。
高価となるが個々のS-Sカーブを記憶させ、弾塑性変形の解析ができるツールもあります。
4．FEM(有限要素法）解析
前ページの条件をそのままFEM解析した結果です。応力は85MPaと手計算よりやや大きくなっています。
FEM解析は実際のRや形状変化について計算できるので、活用が望ましいです。
解析結果は条件設定により大きく変わるので、応力分布やベクトル方向、などが理論と一致しているか。材料力学的な視点をもって結果の是非を検討する必要があります。
特に注意が必要な項目を以下に示しておきます。手計算でも同様な項目となります。
●メッシュ分割は場所により適正に
単調な変化が続く部位は大きめのメッシュで計算時間を短縮し、
応力変化が激しいところや形状が変わるとところは細かくする。
特に形状が激しく変わるところは応力集中に注意する。
●荷重点、拘束条件は気をくばる。
特に実際の条件と異なる拘束は過剰な応力を発生させることがある。
●粘弾性を伴う大変形の場合はStress-Strainカーブを考慮する。