STEP ファイルは、エンジニアリングおよび設計における 3D モデルの共通言語です。異なるソフトウェア プログラム間で複雑な CAD モデルを共有する必要がある場合は、おそらく STEP ファイルに出会ったことがあるでしょう。 この記事では、STEP ファイルの定義、形式の歴史、利点と欠点、他の形式との比較、一般的な使用例、これらのファイルを開いたり変換したりするために利用できるソフトウェアについて説明します。

STEP ファイルは、異なるシステム間で 3D モデルを交換するための標準化された中立的な CAD 形式です。 STEP は、Standard for the Exchange of Product model data の略で、ISO 10303 ファミリーの標準規格によって定義されています。第 21 部で指定されているクリアテキスト ファイルは、通常、.step または .stp として保存されます。 P21 または単に「STEP ファイル」とも呼ばれます。開発は 1980 年代に ISO 技術委員会内で始まり、1994 年に初版がリリースされ、2002 年と 2016 年に改訂が行われました。
基本的な形状のみをキャプチャする単純な 3D 形式とは異なり、STEP ファイルはモデルの完全なジオメトリを高精度で保存できます。大まかな近似ではなく、曲線、サーフェス、構造、多くの場合パーツまたはアセンブリ全体が保存されます。目的は単純明快で、さまざまなソフトウェア間で正確かつ簡単に共有できるようにすることです。エンジニアがある CAD プログラムでコンポーネントを設計し、別のエンジニアがそれを別のプログラムで開く必要がある場合、STEP にエクスポートすると、モデルの形状と詳細がそのまま維持されます。つまり、STEP は、作成したソフトウェアに関係なく完全な詳細を保持する、普遍的に読み取り可能な形式である「3D モデル用の PDF」と考えてください。
内部では、STEP ファイルは ISO 10303-21 で定義されたプレーンテキスト ファイルです。これらには、メタデータを含むヘッダーと、構造化された方法でジオメトリをリストするデータ セクションが含まれています。コードを自分で読む必要はありませんが、この構造により CAD プログラム間での精度が保証されます。

クロスプラットフォーム互換性:STEP ファイルは、Autodesk Fusion 360、CATIA、PTC Creo、Siemens NX、SolidWorks などのほぼすべての主要な CAD プログラム、および FreeCAD などの無料ツールでサポートされています。これにより、異なるソフトウェアを使用しているチームが、変換に悩むことなく同じ設計で共同作業できるようになります。
完全な形状と高精度:STEP ファイルには、NURBS などの数学ベースのサーフェスを使用して正確なジオメトリが保存されます。曲線パーツは面取りされた三角形ではなく滑らかなままであるため、寸法とフィット感は正確なままです。
豊富なデータと完全性:STEP ファイルは単なる形状以上のものを保持できます。アセンブリ、ユニット、材料、さらには公差データも含めることができ、完全な製品定義の共有に役立ちます。
編集可能性と再利用性:STEP ファイルを CAD で開くと、測定や修正が可能なソリッド モデルになります。元のパラメトリック履歴は失われますが、変更が難しい STL メッシュとは異なり、ジオメトリはクリーンで編集可能です。
業界での受け入れ:STEP は ISO 標準であるため、航空宇宙や自動車などの業界で必須または好まれています。その長い歴史は、長期アーカイブにとって信頼できるオプションであることも示しています。
効率的な圧縮:STEP ファイルは大きくなる可能性がありますが、非常によく圧縮されます。圧縮ファイルのサイズは通常、元のサイズの約 20% にすぎないため、共有が容易になります。
ファイルサイズが大きく複雑:STEP ファイルはテキストで正確な曲線とアセンブリを記述するため、モデルが重くなる可能性があります。非常に大規模なアセンブリは、開いたり保存したりするのに時間がかかる場合があります。
ネイティブのレンダリングまたは視覚化データがない:STEPはエンジニアリング情報に重点を置いています。これにはエンジニアリング材料名 (アルミニウム 6061 や ABS プラスチックなど) が含まれる場合がありますが、色、テクスチャ、光沢、透明度、照明、カメラ ビューなどの視覚的な材料の外観は保存されません。ほとんどの CAD プログラムは、シーンをセットアップしなくても中間色のソリッドを表示します。レンダリングまたはゲーム エンジンの場合、通常はモデルを最初にポリゴンにテッセレーションする必要があります。
ダイレクト 3D プリントには最適ではありません:ほとんどのスライサーと 3D プリンターは STL または同様のメッシュ ファイルを想定しています。一部のソフトウェアでは STEP をインポートして内部で変換できますが、印刷ワークフローの場合は通常、STL の方が便利です。
ストレージ効率:zip 圧縮した場合でも、プレーン テキスト STEP はコンパクトなバイナリ形式よりもスペース効率が低くなります。リポジトリ規模では、数千のファイルまたは非常に大規模なモデルがすぐに増加する可能性があります。
相互運用性の特徴:STEP は標準ですが、CAD プログラムが異なれば、特定の高度なエンティティやカスタム メタデータの解釈が異なる場合があります。形状と基本的なアセンブリ構造は一般的に信頼できます。問題が発生する場合、通常は注釈またはその他の非幾何学的データが関係します。
STEP ファイルを使用するのは誰ですか? 3D デザインと製造に携わるほぼ全員。 STEP は、その精度と幅広い互換性により、多くの日常のワークフローに適合します。
エンジニアは、さまざまな CAD ツールを使用するサプライヤー、クライアント、チームメイトと部品やアセンブリを共有します。たとえば、あるプログラムで設計された自動車部品が STEP ファイルとしてサプライヤーに送信され、サプライヤーは別のプログラムを使用してその部品を分析または製造する場合があります。ジェット エンジン メーカーは、エンジン サブアセンブリの STEP モデルを機体パートナーに提供して、CAD 環境にきれいに統合できるようにする場合があります。
デジタル設計から機械加工を介して物理部品に移行する場合、多くの場合、STEP が優先される入力となります。 CAM ソフトウェアは STEP を読み取り、正確なカーブとサーフェスからツールパスを生成し、純粋なメッシュ ファイルによくあるファセットの問題を回避します。金型メーカーは形状を忠実に捉えるためのキャビティ設計もSTEPに依頼します。
STL は通常の印刷ファイルですが、STEP は事前の確認と調整に役立ちます。一部のスライサーは、インポート時に STEP をロードしてテッセレーションできます。実際には、設計者は STEP を設計記録として保存し、印刷用に CAD から STL をエクスポートします。変更が必要な場合は、STEP またはネイティブ モデルを編集して再エクスポートします。
IFC などの BIM 形式は建築ワークフローの主流を占めていますが、STEP はプロジェクト内で HVAC ユニット、エスカレーター、機械 CAD でモデル化されたその他の機器などの機械コンポーネントを交換するために使用されます。ジオメトリは正確に表示され、必要に応じて視覚化フォーマットに変換できます。
FEA および CFD ツールは STEP をインポートし、解析のためにジオメトリをメッシュします。リバース エンジニアリング作業では、さらに CAD 編集や文書化を行うために、スキャンされた表面が STEP に変換されることがよくあります。
多くの企業では、元のソフトウェアが変更された場合でも、長期間アクセスできるよう、STEP ファイルをネイティブ ファイルと一緒に保存しています。さまざまな CAD システムを使用するチームも、設計の反復中に中立的なハンドオフとして STEP を使用し、ロックインを回避し、長期にわたってデータにアクセスできるようにします。
STEP ファイルを開いたり編集するには、CAD モデルを読み取ることができるプログラムが必要です。さまざまなニーズに対応したオプションをいくつか紹介します。
インポートする前に、設定を確認してください。ソフトウェアが単位を自動検出しない場合は単位を確認し、サーフェスをソリッドにステッチする必要があるかどうかを確認してください (一部のツールは、最初に STEP をサーフェスとしてインポートします)。最新の CAD プログラムのほとんどは、これらの手順を自動的に処理します。
STEP ファイルを変換するには、CAD または変換ツールでファイルを開き、次のコマンドを使用します。名前を付けて保存または輸出ターゲット形式 (STL、IGES、OBJ など) に変換します。ネイティブ モデルから STEP への変換も同じ方法で行われます。変換後は、モデルを簡単にレビューして、ジオメトリと詳細が正しく反映されていることを確認します。
以下の表は、最も一般的な 3D CAD モデル タイプの主な違いを示しています。
| 形式 | ジオメトリ | データの内容 | 精度/編集性 | 最適な用途 | 主な制限事項 |
| ステップ(.step、.stp) | 正確な B-rep ソリッドと NURBS | ユニット、アセンブリ、PMI/GD&T、エンジニアリング材料名 | 高い忠実度。ソリッドとして編集可能 (パラメトリック履歴なし) | CAD交換、加工、製造、アーカイブ | ファイルが大きい、インポート/エクスポートが遅い、ビジュアルテクスチャがない |
| STL(.stl) | 三角メッシュ | ベアサーフェスメッシュのみ | 近似;メッシュのみの編集、正確ではない | 3D プリント、簡単な形状共有 | ユニット、メタデータ、アセンブリはありません。ファセットカーブ |
| IGES(.igs、.iges) | 曲線と曲面 (NURBS);限られた固体 | 一部のユニット、限定されたメタデータ | 表面は正確ですが、一貫性がありません。縫合が必要な場合が多い | レガシー システム、自由曲面 | 時代遅れ、STEP よりもサポートが少なく、ソリッドの処理が弱い |
| OBJ(.obj) | ポリゴン メッシュ (トライ/クアッド) | 法線、UV、テクスチャ (.mtl 経由) | STLと同じ精度(メッシュ密度)。不十分なCAD編集 | ビジュアライゼーション、ゲーム、テクスチャ付き 3D モデル | ユニット、アセンブリ、エンジニアリングデータはありません |
| 3MF(.3mf) | メッシュベース | メッシュ + カラー、マテリアル、ビルド情報 | メッシュレベルの忠実度。 CAD編集不可 | 色/材料による積層造形 | パラメトリックではなく、CAD ツールでは汎用的ではありません |
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ストレスとひずみは、材料が力にどのように反応するかを説明するための最も重要な概念の2つです。応力は、負荷下の材料内の単位面積あたりの内部力であり、ひずみは、適用された力から生じる材料の形状の変形または変化です。 ただし、ストレスとひずみの関係は理論をはるかに超えています。これは、健全なエンジニアリングの決定に不可欠です。それらを並べて比較することにより、材料のパフォーマンス、安全性がどれだけ安全に変形できるか、いつ失敗する可能性があるかをよりよく予測できます。この記事では、それらの定義、違い、関係、および実用的なアプリケーションについて説明します。 詳細に入る前に、ストレスと緊張に関するこの短い入門ビデオが役立つことがあります。 ストレスとは ストレスは、外部負荷に抵抗するために材料が発達する単位面積あたりの内部力です。顕微鏡的に、適用された負荷は、変形に反対し、構造を一緒に「保持」する原子間力を誘導します。この内部抵抗は、私たちがストレスとして測定するものです。 負荷の適用方法によっては、ストレスは次のように分類されます。 引張応力(σt)および圧縮応力(σc):これらは、断面領域に垂直に作用する正常な応力です。 せん断応力(τ):断面領域と平行に作用する接線力によって引き起こされます。 ねじれ応力(τt):トルクまたはねじれによって誘発されるせん断応力の特定の形態。 その中で、引張ストレスは、エンジニアリング設計における最も基本的なタイプのストレスです。計算式は次のとおりです。 どこ: σ=ストレス(Paまたはn/m²;時々psi) f =適用力(n) a =力が適用される元の断面領域(m²) 材料のストレスがどのように測定されるか 直接ストレスを測定することは不可能なので、代わりに、適用された力または結果として生じる変形のいずれかを測定する必要があります。以下は、重要な測定技術の簡潔な概要です。 方法 /テクノロジー原理測定デバイス /ツール精度と精度一般的なアプリケーションユニバーサルテストマシン(UTM))測定力(f)、ストレス= f/aを計算します統合されたロードセルを備えたUTM★★★★★(高精度)基本的な材料テスト:ストレス - ひずみ曲線、機械的特性評価ひずみゲージ測定ひずみ(ε)、σ= e・ε(線形弾力性を想定)を介して応力を計算する ひずみゲージ、データ収集システム★★★★☆(高)コンポーネント応力分析;疲労評価;組み込み構造監視拡張計測定値の長さの変化、εとσを計算します接触または非接触拡張メーター★★★★☆(高)標本の引張試験;弾性弾性率と降伏ひずみの検証デジタル画像相関(DIC)光学方法は、フルフィールドの表面変形を追跡します高速カメラシステム、DICソフトウェア★★★★☆(フルフィールド)フルフィールドひずみ分析。クラック追跡;物質的な不均一性研究超音波ストレス測定ストレス下での材料の波速度の変化を使用します超音波プローブとレシーバー★★★☆☆(中程度)残留応力検出;溶接されたジョイントと大きな構造における応力監視X線回折(XRD)内部応力によって引き起こされる格子歪みを測定しますXRD回折計、専門ソフトウェア★★★★☆(高精度、表面層に局在する)薄膜、溶接ゾーン、金属およびセラミックの表面残留応力光弾性透明な複屈折材料の光学干渉フリンジを介してストレスを視覚化します偏光のセットアップと複屈折ポリマーモデル★★★☆☆(半定量的な定性)教育デモ;透明モデルにおける実験的ストレス分析マイクロ/ナノスケールの特性評価技術 EBSD、マイクロラマン、ナノインデンテーションなどのテクニックは、マイクロまたはナノスケールのひずみ/ストレスマッピングを提供します 電子またはレーザーベースのシステム、画像分析ソフトウェア★★★★☆(高精度;ローカライズされたマイクロ/ナノスケール) マイクロエレクトロニクス、薄膜、ナノインデンテーション、複合界面の動作 ひずみとは ひずみは、外力にさらされると材料が受ける相対変形の尺度です。これは、単位のない量またはパーセンテージとして表現され、元の長さ(または寸法)の長さ(またはその他の寸法)の変化を表します。 ひずみのタイプは、適用されるストレスに対応します:引張ひずみ、圧縮ひずみ、またはせん断ひずみ。 通常のひずみの式は次のとおりです。 どこ: ϵ =ひずみ(無次元または%で表されます) ΔL=長さの変化 l0=元の長さ 材料の株が測定される方法 さまざまな方法を使用して、ひずみを測定できます。最も一般的に使用される手法は、ひずみゲージと伸筋です。以下の表は、材料のひずみを測定するための一般的な方法をまとめたものです。 方法センシング原則センサー /トランスデューサー測定シナリオ備考ひずみゲージ抵抗の変化フォイルタイプのひずみゲージ静的または低周波ひずみ;一般的に使用されます業界で広く使用されています。低コスト;接着剤の結合と配線接続が必要です拡張計変位クリップオン /コンタクト拡張計材料テスト;全セクション測定高精度;動的テストや高度に局所的な株に適していませんデジタル画像相関(DIC)光学追跡カメラ +スペックルパターンフルフィールドひずみマッピング。亀裂伝播;複雑な形の標本非接触; 2D/3D変形マッピング。高価なシステム圧電センサー圧電効果圧電フィルムまたはクリスタル動的ひずみ、圧力、衝撃、振動高周波応答;静的ひずみ測定には適さないファイバーブラッググレーティング(FBG)光学(ブラッグリフレクション)FBG光ファイバーセンサー長距離にわたる分布または多重化測定EMIの免疫;航空宇宙、エネルギー、スマート構造に適していますレーザードップラー振動計(LDV)ドップラー効果LDVレーザープローブ動的ひずみ/速度測定と表面振動分析非接触;高解像度;高い;表面条件に敏感です ストレスとひずみの重要な違い 以下は、直接の概要を提供するクイックテーブルです。 側面ストレス歪み式σ= f / aε=Δl /l₀ユニットPA(n/m²)、またはpsi(lbf/in²)無次元または%原因外力ストレスによって引き起こされる変形効果内部力を生成して、外部負荷に対抗します。高すぎる場合、塑性変形、骨折、疲労障害、ストレス腐食亀裂につながる可能性があります材料のジオメトリを変更します。降伏点を超えて永続的に弾性制限で回復可能行動材料が抵抗しなければならない領域ごとの内部力。分布に応じて、圧縮、張力、曲げ、またはねじれを引き起こす可能性があります適用された応力下で材料がどれだけ変形するかを説明します。弾性またはプラスチックにすることができます ストレスと緊張が互いにどのように関連するか ストレスはひずみを引き起こします。応力 - ひずみ曲線は、適用された応力に対してひずみ(変形)をプロットすることにより、材料が徐々に増加する荷重の下でどのように変形するかをグラフ化します。その重要なポイントを確認しましょう。 1。弾性領域(ポイントO – B) […]
金属スプーンについて考えてください。ハンドルを軽く押すと、少し曲がりますが、手放すとすぐに戻ってきます。ただし、より強く押すと、スプーンが永続的な曲がり角になります。その時点で、あなたはスプーンの降伏強度を通り過ぎました。この記事では、降伏強度の意味、引張強度や弾性限界などの関連するアイデアとどのように比較されるか、そしてそれが現実の世界で重要な理由を探ります。また、降伏強度と一般的な材料の典型的な値に影響を与える要因についても見ていきます。 降伏強度とは 降伏強度は、材料が永続的に変形し始める応力レベルです。簡単に言えば、それは素材が跳ね返り(弾性挙動)を止め、完全に逆転しない方法で曲げまたは伸びを開始するポイントです。降伏強度の下で、力を除去すると、材料は元の形状に戻ります(その長さに戻るスプリングのように)。降伏強度を超えて、材料は永遠に変化します。 これをよりよく理解するために、ストレスと緊張という2つの重要な用語を分解しましょう。ストレスは、断面領域で割った材料、または単に材料内の力の強度に加えられる力です。あなたはそれを圧力と考えることができますが、ストレスは外部のプッシュではなく内部反応を説明します。ひずみとは、長さの変化を元の長さで割ったように計算される材料の変化の形状です。ひずみに対するストレスをプロットすると、aが取得されますストレス - ひずみ曲線これは、負荷が増加するにつれて材料がどのように動作するかを示しています。 ストレス - ひずみ曲線の初期の部分では、材料は弾力的に振る舞います。ストレスとひずみは比例し(フックの法則の下で直線)、荷重が除去されると材料は元の形状に戻ります。この領域の終わりは弾性限界です。降伏強度は、この移行を弾性の挙動からプラスチックの挙動に示し、可逆的な変形と不可逆的な変形の境界を定義します。 軟鋼のような多くの延性金属の場合、この移行は鋭いものではなく徐々にです。降伏強度を一貫して定義するために、エンジニアはしばしば0.2%のオフセット方法を使用します。それらは、曲線の弾性部分に平行なラインを描画しますが、0.2%のひずみによってシフトします。この線と交差する点は、曲線と交差する点が降伏強度としてとられます。これは、明確な降伏点が存在しない場合でも、降伏強度を測定するための実用的で標準化された方法を提供します。 降伏強度と引張強度 定義したように、降伏強度は、材料が永続的に変形し始めるストレスです。しばしば究極の引張強度(UTS)と呼ばれる引張強度は、材料が壊れる前に耐えることができる最大応力です。その点に達すると、材料は追加の負荷を運ぶことができなくなり、すぐに骨折が続きます。 どちらも材料がストレスにどのように反応するかを説明しますが、それらは異なる限界を表しています。降伏強度は永久変形の開始を示しますが、引張強度は限界点を示します。たとえば、スチールロッドを引っ張ると、最初に伸長します。降伏強度を通り過ぎると、永続的な伸びが必要です。張力強度に達するまで続けてください。そうすれば、ロッドは最終的にスナップします。 実用的な設計では、エンジニアは、コンポーネントが持続的な損傷をせずに機能的なままでなければならないため、降伏強度に重点を置いています。引張強度は依然として重要ですが、通常、使用中には決して発生しない故障条件を示します。 引張強度に加えて、降伏強度は、しばしば他の2つの概念と混同されます。 弾性制限:弾性制限は、荷重が除去されると、元の形状に完全に戻っている間に材料が取ることができる最大応力です。この制限以下では、すべての変形は弾力性があり、可逆的です。多くの場合、弾性限界は降伏強度に非常に近いため、2つは同じように扱われます。弾性制限は正確な物理的境界を示しますが、降伏強度は一貫して測定して安全な設計に使用できる標準化されたエンジニアリング値を提供します。 比例制限:この用語は、応力 - 伸縮曲線の線形部分に由来します。比例制限は、フックの法則に従って、ストレスと緊張が直接的な割合で増加するポイントです。通常、弾性制限と降伏強度の両方の前に発生します。この点を超えて、曲線は曲がり始めます。関係はもはや完全に線形ではありませんが、材料はまだ弾力性があります。 降伏強度に影響を与える要因 降伏強度は固定されたままではありません。いくつかの材料と環境要因に応じて変化する可能性があります。ここに最も一般的なものがあります: 材料組成(合金要素) 金属の構成は、その降伏強度に大きな影響を与えます。金属では、合金要素を追加すると、それらを強くすることができます。たとえば、炭素、マンガン、クロムなどの元素が添加されると、鋼は強度を獲得しますが、炭素が多い場合も脆弱になります。アルミニウム合金は、銅、マグネシウム、亜鉛などの元素から強度を得ます。これらの追加により、金属内に脱臼の動きをブロックする小さな障害物(プラスチック変形の原子レベルのキャリア)が生じ、降伏強度が高まります。簡単に言えば、金属の「レシピ」により、曲がりが難しくなり、簡単になります。そのため、ソーダ缶のアルミニウムは柔らかく柔軟であり、航空機の翼のアルミニウムは他の金属と混合しているため、降伏強度がはるかに高くなっています。 粒サイズ(微細構造) 一般に、穀物が小さいことはより高い強度を意味し、ホールとペッチの関係によって記述されている傾向です。その理由は、穀物の境界が転位運動の障壁として機能するため、より細かい粒子はより多くの障害物を生み出し、金属をより強くすることです。冶金学者は、制御された固化または熱機械処理を通じて穀物のサイズを改良します。たとえば、多くの高強度の鋼と超合金は非常に細かい穀物で設計されており、非常に大きな穀物を持つ金属がより簡単に収量する傾向があります。 熱処理 金属の加熱と冷却の方法は、その構造を変えることができ、したがってその降伏強度を変えることができます。アニーリング(遅い加熱と冷却)金属を柔らかくし、降伏強度を低下させ、内部応力を緩和することにより延性を引き出します。消光(水または油の急速な冷却)は、構造を硬くてストレスのある状態にロックし、降伏強度を大幅に増加させますが、金属を脆くします。バランスを回復するために、クエンチングの後に続くことがよくあります気性、タフネスを改善する中程度の再加熱ステップ。 適切な熱処理を選択することにより、メーカーはアプリケーションに応じて金属をより硬く、または柔らかくすることができます。たとえば、スプリングスチールは高降伏強度を達成するために処理されるため、変形せずに曲げることができますが、スチールワイヤーは最初にアニールされ、簡単な形をしてから後で強化します。 製造プロセス(コールドワーク) 材料が機械的にどのように処理されるかは、降伏強度を変えることもできます。コールドワーク(コールドローリングやコールドドローイングなど、室温で金属を変形させる)は、作業硬化と呼ばれるメカニズムを介して降伏強度を高めます。金属を卑劣に変形させると、その結晶構造に転位と絡み合いを導入します。これが、コールドロールスチールが通常、ホットロールされた(作業中ではない)状態で同じスチールよりも高い降伏強度を持っている理由です。 温度と環境 経験則として、ほとんどの金属は高温で降伏強度を失います。熱は金属を柔らかくするので、力を少なくして変形させることができます。非常に低い温度では、一部の材料はより脆くなります。粗末に変形する能力は減少するため、降伏応力は技術的な意味で増加する可能性がありますが、収量よりも骨折する可能性が高くなります。 腐食や放射線などの環境要因も材料を分解する可能性があります。腐食はピットを作成したり、断面積を減らしたりし、収量する前に構造が処理できる荷重を効果的に削減します。たとえば、錆びた鋼鉄の梁は、腐食されていない荷物よりも低い負荷の下で生成される可能性があります。これは、その有効厚さが減少し、錆からマイクロクラックがストレスを集中させる可能性があるためです。 異なる材料の降伏強度 ストレス - ひずみ曲線は、異なる材料が荷重にどのように反応するかを比較する簡単な方法を提供します。上の図では、4つの典型的な動作を見ることができます。応力が増加するにつれてそれぞれが異なって反応し、その降伏強度はそれらの違いを反映します。 脆性材料:ガラスやセラミックなどの脆性材料は、塑性変形がほとんどありません。彼らは突然骨折するまでほぼ直線に従います。彼らの降伏強度は、彼らが実際に「収量」していないからです。 強いが延性材料ではない:高強度鋼などの一部の材料は、高いストレスに耐えることができますが、延性が限られていることを示します。彼らは高降伏強度を持っています。つまり、永続的な変形によく抵抗しますが、壊れる前にあまり伸びません。 延性材料:軟鋼やアルミニウム合金などの金属は延性があります。それらは特定の応力レベルで屈し、その後、壊れる前に著しい塑性変形を受けます。彼らの降伏強度は、究極の引張強度よりも低く、エンジニアに設計するための安全な「バッファーゾーン」を提供します。 プラスチック材料(ソフトポリマー):ソフトプラスチックとポリマーの降伏強度は比較的低いです。それらは小さなストレスの下で簡単に変形し、明確な降伏点を示さない場合があります。代わりに、それらは骨折への鋭い移行を示すことなく着実に伸びています。 これらの一般的な行動は、実際の降伏強度値を見るとより明確になります。以下の表には、一般的なエンジニアリング材料と比較のための典型的な降伏強度が示されています。 材料降伏強度(MPA)鋼鉄〜448ステンレス鋼〜520銅〜70真鍮〜200+アルミニウム合金〜414鋳鉄〜130典型的な降伏強度値 現実世界で降伏強度が重要な理由 降伏強度は、荷重の下に形状を保持するために材料が必要なときはいつでも重要です。ここにそれが重要な役割を果たすいくつかの領域があります: 建設とインフラストラクチャ 建物や橋では、高降伏強度のために鋼鉄の梁やその他の金属部品が選択されているため、車両、風、さらには地震からの重い荷物を曲げたり、垂れ下げたりすることなく運ぶことができます。通常の使用中にビームが生成された場合、構造の安全性は危険にさらされます。そのため、エンジニアは常にストレスを降伏点をはるかに下回るマージンで設計します。 自動車の安全 現代の車は、衝突中に制御された方法で生成するように設計されたクランプルゾーンを使用します。衝撃力がフロントパネルまたはリアパネルの降伏強度を超えると、これらの領域は、完全な力を乗客に渡すのではなく、永久変形を通してエネルギーをしゃがみ、吸収します。同時に、キャビンは、居住者を保護したままにして、降伏に抵抗する高強度の材料で補強されます。 航空宇宙と輸送 航空機の着陸装置は、永久に曲がることなくタッチダウンの衝撃に耐える必要があります。胴体と翼は、材料が十分な降伏強度を欠いている場合に損傷を引き起こす繰り返しの加圧サイクルと空力的な力に直面します。強度と低重量のバランスをとるために、エンジニアはしばしばアルミニウムやチタンなどの高度な合金に目を向けます。同じ原則は、レールや船体の列車に適用されます。船体は、激しい使用の下で硬直し、永続的な曲がり角やへこみに抵抗する必要があります。 毎日の製品 レンチやドライバーなどの高品質のツールは、高利回りの強さの鋼で作られているため、通常の使用で曲がらないようにしますが、ストレスが降伏強度を超えると、より安価なツールはしばしば恒久的な曲がりを伸ばします。同じアイデアがシンプルなコートハンガーで見ることができます。軽い荷重が戻ってきますが、重い荷物や鋭い曲がりは降伏点を超えて押し進め、形状の永続的な変化を残します。降伏強度は、自転車フレームのような大きなアイテムの設計も導きます。これは、ライダーの重量を運ぶ必要があり、形を屈することなくバンプを吸収する必要があります。 Chiggoを使用して作業します 正確な降伏強度値を日常的なアプリケーションに要求する軽量航空宇宙コンポーネントを設計する場合でも、Chiggoはそれを実現するための専門知識と製造機能を提供します。私たちのチームはAdvancedを組み合わせていますCNC加工、3Dプリント、および深い材料の知識を備えた射出成形を使用して、あなたの部品が意図したとおりに正確に機能することを保証します。今すぐCADファイルをアップロードして、すぐに見積もりを取得してください!
エンジニアが「ストレス」について話すとき、それらは試験不安や仕事の圧力とは非常に異なるものを意味します。ここで、ストレスは材料内の単位面積あたりの内部力です。輪ゴムを伸ばすか、綱引きでロープを引っ張ると、緊張したストレスが動作しているのが見られます。 この記事では、引張応力が何であるか、圧縮応力や引張強度、重要な式、およびChiggoがこれらの考慮事項を現実世界の製造にどのように考慮するかとはどのように異なるかを説明します。 引張応力とは何ですか? 引張応力は、材料がそれを引き離そうとするときにどのように反応するかを説明します。それにより、材料が印加された荷重の軸に沿って伸びます。正式には、適用された力fを断面領域で割ったものとして定義され、その力に垂直です。 引張応力と圧縮応力 引張応力は、圧縮応力の反対です。力は、力がオブジェクトを伸ばすか延長するように作用するときに発生しますが、力はそれを絞ったり短くしたりするときに圧縮されます。固体の金属バーを想像してください:両端を引っ張ると、緊張したストレスが発生し、わずかに伸びます。まるでその長さに沿って押しつぶすようにするかのように、両端を押して、バーは圧縮されたストレス、短縮、または膨らみを経験します。 これらのストレスは、構造のさまざまな部分で同時に発生する可能性があります。たとえば、人や機械がコンクリートの床スラブを横切って移動すると、スラブの上面が圧縮に押し込まれ、底面が張力が伸びます。底部の引張応力が高すぎると、亀裂が現れる可能性があります。そのため、エンジニアは緊張に抵抗するために鉄の補強材を置きます。 引張応力と引張強度 引張応力材料は、単位面積あたりの力として表される特定の瞬間に経験されている荷重です。適用された力に応じて上昇し、落ちます。抗張力対照的に、固定された材料特性です。これは、材料が降伏または破損する前に処理できる最大引張応力です。 実際には、エンジニアは2つを常に比較しています。部分の実際の引張応力が引張強度を下回っている場合、部品はわずかに伸びますが、そのままのままです。ストレスが強度を超えると、障害が発生します。そのため、設計には常に安全マージンが含まれており、実世界のストレスが選択された材料の既知の強度をはるかに下回っていることを保証します。 引張応力式 引張応力は、材料が伸びるときに内部力を測定します。単純な式で計算されます。 σ= f / a どこ: σ=引張応力(Pascals、MPA、またはPSI) f =適用力(ニュートンまたはポンド) a =横断面積(mm²またはin²) この方程式は、引っ張り力がどれほど集中しているかを教えてくれます。より高い負荷またはより小さな断面積は、より高い応力を生成します。たとえば、薄いワイヤに吊り下げられた同じ重量は、厚いケーブルよりもはるかに多くのストレスを生成します。これが、エンジニアがケーブル、ロッド、または梁のサイズをサイズして、使用されている材料の安全な制限をはるかに下回るストレスを維持する理由です。 しかし、この式はストレスの数値を与えてくれますが、材料自体がどのように反応するかは明らかにしません。突然スナップしたり、永久に曲げたり、元の形状に戻ったりしますか?それに答えるために、エンジニアはストレスとひずみ曲線に依存しています。 ストレス - ひずみ曲線を理解する 応力 - ひずみ曲線を作成するために、テスト標本(多くの場合、ドッグボーン型)を引張試験機に配置します。マシンは各端をつかみ、徐々にそれらを引き離し、サンプルが壊れるまで伸びます。このプロセス中、適用された応力と結果のひずみ(元の長さに対する長さの変化)の両方が連続的に測定されます。 結果は、X軸にひずみとY軸にストレスをかけてプロットされます。この曲線では、いくつかの重要なポイントを特定できます。 弾性領域 最初は、ストレスとひずみは比例します。これは、Hookeの法則が適用される弾性領域(σ=e≤ε)です。この線形セクションの勾配はです弾性率(ヤングモジュラス)、剛性の尺度。この領域では、荷重が削除されると、材料は元の形状に戻ります。 降伏点 負荷が増加すると、曲線は直線から出発します。これは、弾性挙動が終了し、プラスチック(永久)変形が始まる降伏点です。この点を超えて、荷重が削除されていても、材料は元の形状を完全に回復することはありません。 究極の引張強度(UTS) 曲線はプラスチック領域に上方に続き、ピークに達します。この最高点は、究極の引張強度(UTS)です。これは、ネッキング(局所的な薄化)が始まる前に材料が耐えることができる最大応力を表します。 破壊点 UTSの後、曲線は標本の首が下に傾斜し、それほど多くの負荷を運ぶことができなくなります。最終的に、材料は破壊点で壊れます。延性材料の場合、骨折のストレスは通常、ネッキングのためにUTよりも低くなります。脆性材料の場合、骨折は弾性限界近くで突然発生する可能性があり、プラスチックの変形はほとんどまたはまったくありません。 引張応力の実際のアプリケーション 材料が引っ張られたり、ハングしたり、伸びたりする状況では、引張応力が負荷を安全に運ぶことができるか、失敗するかを決定します。いくつかの重要なアプリケーションと例を次に示します。 橋と建設 ゴールデンゲートブリッジのようなサスペンションブリッジを考えてください。塔の間に覆われた巨大なスチールケーブルは、一定の引張応力下にあり、道路と車両の重量を支えています。エンジニアは、これらのケーブルの高張力強度鋼を選択して、重い荷重に加えて風や地震などの余分な力を失敗させることなく処理できます。また、現代の建設は緊張を巧みに利用しています。たとえば、プリストレスのあるコンクリートでは、鋼腱が埋め込まれて伸びているため、ビームが荷重を安全に処理できるようにします。 ケーブル、ロープ、チェーン 多くの日常のシステムは、引張ストレスに直接依存しています。たとえば、エレベーターを取り上げます。そのスチールケーブルは一定の張力であり、車の重量だけでなく、加速または停止するときに余分な力を運びます。クレーンは同じ原則に基づいて動作し、高張力ケーブルを使用して重い荷重を安全に持ち上げて移動させます。ギターのような単純なものでさえ、引張ストレスが機能しています。チューニングペグをよりタイトにするほど、ひもの張力が大きくなります。 機械とボルト 機械工学では、引張応力も同様に重要です。飛行機または車のエンジンのボルトとネジは、わずかに伸びています。結果として生じる引張応力は、部品を保持するクランプ力を作成します。ボルトが過度にストレスをしている場合(締めたときにトルクが大きすぎる、または使用中の過剰な負荷)、それは降伏して失敗する可能性があり、潜在的にマシンがバラバラになります。そのため、ボルトは収量と引張強度を示すグレードによって評価され、重要なボルトが指定された緊張に引き締まる理由です。 引張ストレスをチグゴの製造サービスに統合します 引張ストレスの理論を知ることは1つのことですが、実際の負荷の下で実行される部品の設計も別です。チグゴでは、そのギャップを埋めます。 私たちのチームは、CNCの機械加工、射出成形、シートメタル、3D印刷であなたをサポートし、すべての段階に強度の考慮事項が統合されています。プロトタイプを開発するか、生産に合わせてスケーリングするかにかかわらず、適切な素材とプロセスを選択して、パフォーマンスの要件を満たし、費用のかかる障害を回避します。 材料の選択 障害に対する最初の保護手段は、適切な材料を選択することです。 Chiggoでは、リストされているすべての合金とポリマーには、サプライヤーデータに裏打ちされた引張と降伏強度などの検証済みの機械的特性があり、必要に応じて認定をテストします。 これは、エンジニアがコストや終了だけでなく、負荷の下で実証済みの強度でオプションを比較できることを意味します。たとえば、アルミニウム6061-T6と7075-T6を決定する場合、特にブラケット、ハウジング、またはその他の荷重含有コンポーネントの場合、引張強度は重要なフィルターになります。 CNC加工 […]
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