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東京大学 工学系研究科 機械工学専攻 2025年度 機械工学 問題3

Author​

祭音Myyura (Based on zzy's answer refined with GPT 6 Astra)

Description​

日本語題面​

直径 DD、長さ L≫DL\gg D の一様な中実丸棒を、原点 O で剛体壁に固定する。棒の軸を xx 軸とし、自由端 x=Lx=L に −z-z 向きの集中荷重 PP と、図示方向(モーメントベクトルが −x-x 向き)のねじりモーメント TT を加える。自重による変形を無視する。ヤング率を EE、横弾性係数を GG、ポアソン比を ν\nu とする。

表面の点 A は (x,y,z)=(L/2,0,D/2)(x,y,z)=(L/2,0,D/2)、断面中心の点 B は (L/2,0,0)(L/2,0,0)。A の接平面に、+x+x 軸から +y+y 軸に向けて 0∘,45∘,90∘0^\circ,45^\circ,90^\circ をなすひずみゲージ a、b、c を貼る。断面二次モーメントは I=πD4/64I=\pi D^4/64、極断面二次モーメントは Ip=πD4/32I_p=\pi D^4/32 とする。

  1. A における σx,τxy\sigma_x,\tau_{xy} を P,T,L,DP,T,L,D で表せ。
  2. B の zz 方向変位を P,L,E,DP,L,E,D で表せ。
  3. P=31.4 N,T=15.7 N m,D=20.0 mm,L=1040 mm,E=208 GPa,G=80.0 GPa,ν=0.300P=31.4\,\mathrm N,T=15.7\,\mathrm{N\,m},D=20.0\,\mathrm{mm},L=1040\,\mathrm{mm},E=208\,\mathrm{GPa},G=80.0\,\mathrm{GPa},\nu=0.300 のとき、各ゲージのひずみを有効数字3桁で求めよ。
  4. 材料を E1=52.0 GPa,G1=20.0 GPa,ν1=0.300,ρ1=ρ/3E_1=52.0\,\mathrm{GPa},G_1=20.0\,\mathrm{GPa},\nu_1=0.300,\rho_1=\rho/3 の材料に変更する。B の zz 方向変位を変えないよう直径を D1D_1 としたとき、直径比と重量比を求めよ。荷重と長さは変えない。
  5. (4) の変更後、対応する表面点 A の σx,τxy\sigma_x,\tau_{xy} は、それぞれ変更前の何倍になるか。

丸棒の荷重・座標とひずみゲージの向き

题目描述​

实心圆杆直径 DD、长 L≫DL\gg D,O 端固定,自由端受沿 −z-z 的力 PP 和力矩矢量沿 −x-x 的扭矩 TT。A 位于 (L/2,0,D/2)(L/2,0,D/2),B 为该截面中心;A 处三应变片与 xx 轴向 yy 方向分别成 0∘,45∘,90∘0^\circ,45^\circ,90^\circ。求 A 处的 σx,τxy\sigma_x,\tau_{xy} 和 B 的 zz 向位移。当 P=31.4 N,T=15.7 N m,D=20.0 mm,L=1040 mm,E=208 GPa,G=80.0 GPa,ν=0.300P=31.4\,\mathrm N,T=15.7\,\mathrm{N\,m},D=20.0\,\mathrm{mm},L=1040\,\mathrm{mm},E=208\,\mathrm{GPa},G=80.0\,\mathrm{GPa},\nu=0.300 时,求三应变片读数,保留3位有效数字。再改用 E1=52.0 GPa,G1=20.0 GPa,ν1=0.300,ρ1=ρ/3E_1=52.0\,\mathrm{GPa},G_1=20.0\,\mathrm{GPa},\nu_1=0.300,\rho_1=\rho/3 的材料,在荷载和杆长不变的条件下调整直径,使 B 位移不变,求直径比、重量比及对应表面应力比。忽略自重变形。

Kai​

(1)​

A の断面の曲げモーメントは PL/2PL/2。A は引張側にあり、横荷重によるせん断応力はこの表面でゼロである。図示のねじり方向では +x+x 面のせん断応力が +y+y 向きなので

σx=(PL/2)(D/2)I=16PLπD3,τxy=T(D/2)Ip=16TπD3.\boxed{\sigma_x=\frac{(PL/2)(D/2)}{I}=\frac{16PL}{\pi D^3}},\qquad \boxed{\tau_{xy}=\frac{T(D/2)}{I_p}=\frac{16T}{\pi D^3}}.

(2)​

zz 方向変位を w(x)w(x) とすると、EIw′′=−P(L−x)EIw''=-P(L-x)、w(0)=w′(0)=0w(0)=w'(0)=0 より

w(x)=−Px2(3L−x)6EI.w(x)=-\frac{Px^2(3L-x)}{6EI}.

したがって

wB=w(L/2)=−5PL348EI=−20PL33πED4.\boxed{w_B=w(L/2)=-\frac{5PL^3}{48EI}=-\frac{20PL^3}{3\pi ED^4}}.

(3)​

A は平面応力状態で、σy=0\sigma_y=0 だから

εa=σxE,εc=−νσxE,γxy=τxyG.\varepsilon_a=\frac{\sigma_x}{E},\qquad \varepsilon_c=-\nu\frac{\sigma_x}{E},\qquad \gamma_{xy}=\frac{\tau_{xy}}G.

45∘45^\circ ゲージでは

εb=εa+εc+γxy2.\varepsilon_b=\frac{\varepsilon_a+\varepsilon_c+\gamma_{xy}}2.

数値を代入すると、有効数字3桁で

εa=9.99×10−5,εb=9.75×10−5,εc=−3.00×10−5.\boxed{\varepsilon_a=9.99\times10^{-5}},\qquad \boxed{\varepsilon_b=9.75\times10^{-5}},\qquad \boxed{\varepsilon_c=-3.00\times10^{-5}}.

(4)​

(2) より変位一定の条件は E1D14=ED4E_1D_1^4=ED^4。よって

D1D=(EE1)1/4=2.\boxed{\frac{D_1}{D}=\left(\frac E{E_1}\right)^{1/4}=\sqrt2}.

重量を W,W1W,W_1 とすると、W=ρgπD2L/4W=\rho g\pi D^2L/4 なので

W1W=ρ1ρ(D1D)2=23.\boxed{\frac{W_1}{W}=\frac{\rho_1}{\rho}\left(\frac{D_1}{D}\right)^2=\frac23}.

(5)​

(1) の両応力は D−3D^{-3} に比例するため

σx,1σx=τxy,1τxy=(DD1)3=122=24.\boxed{\frac{\sigma_{x,1}}{\sigma_x}=\frac{\tau_{xy,1}}{\tau_{xy}}=\left(\frac D{D_1}\right)^3=\frac1{2\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{4}}.

Reference​