材料力学の基礎と強度設計への応用・事例

はじめに：製造業の現場で欠かせない「材料力学」とは

製造業に携わる人であれば「材料力学」という言葉を一度は聞いたことがあると思います。
しかし、その理解度や日々の業務への応用となると、意外と曖昧だったり、専門部署任せにしていることも多いのではないでしょうか。

実際、長年工場の現場や管理職として働いてきた立場から言うと、材料力学は決して設計や研究だけの知識ではありません。
調達購買から生産管理、品質管理、さらには工程改善や工場の自動化に至るまで、現場の“地に足のついた強度設計”を理解・実践できるかどうかが、QCDS（品質・コスト・納期・安全）全体の土台を作ります。

伝統的なアナログ思考が根強い製造業界だからこそ、現場目線で材料力学の基礎を再確認し、その知識をどのように実際の「強度設計」やバイヤー交渉、サプライヤー選定に活かせるのか、実践事例を交えて詳しくご紹介します。

材料力学の基礎知識：なぜ今あらためて必要か

材料力学の三大テーマ：引張、圧縮、せん断

材料力学とは、外力が加わったときに材料がどのように変形し、どこまでその力に耐えうるかを科学的・数値的に理解する学問です。
実際の現場では「引張（引っ張る力）」「圧縮（押しつぶす力）」「せん断（ずらす力）」の三大テーマを理解していることが、設計・調達・生産管理など、あらゆる場面での判断の軸となります。

最近ではCFRPや高機能樹脂、各種アルミニウム合金など新素材の登場もあり、単純な“経験則”だけで判断することが難しくなっています。
それでも、大部分の製品は想定される荷重（負荷）が静的または動的に加わることで壊れるかどうか、つまり“強度”が最重要判断基準であることに変わりありません。

応力・ひずみの概念と評価指標

材料力学では、応力（force per area = 加えられた力/面積）とひずみ（deformation/initial length = 変形量/元の長さ）が基本単位です。
そして、ヤング率や降伏点、破断点といったデータがカタログスペックとして各メーカーで用意されています。
この指標を材料選定の初期段階から正しく読み解くことが、設計の可否や購買コスト、品質保持の分岐点になっています。

設計現場と現場実務のギャップ

設計部門がシミュレーションで強度設計しても、実際の調達や現場生産ではロット間のばらつきや加工方法、温度影響、疲労破壊など、理論値だけではカバーしきれない現象が頻繁に現れます。

この現実的な「ギャップ」をどう埋めていくか。
現場経験者としては、ここに“昭和から続く勘と経験”が混ざりがちですが、材料力学を正しく把握し、数字・データに基づく根拠を現場全体で共有できる企業体質づくりが、実は競争力向上のカギとなります。

強度設計への実践的な応用方法

部品単体の強度設計から組立後の全体評価へ

図面上は十分な安全率を見込んで設計していても、調達品のグレード・ロット管理や加工条件の差異、現場での応力集中（角部、穴あけ部など）の見逃しで、思わぬクレームや不良発生点になることがよくあります。

組立工程やユニットごとの強度評価に材料力学を応用することで、
・板厚やボルトサイズ、溶接強度など最適な使用条件が明確化
・サプライヤーへの「なぜ、どこまでの強度が必要か」論理的な説明と要求仕様の明示
・現場からの「こんな使い方をしたら壊れた」「想定外の負荷で不具合」の事例収集とフィードバック

が可能となります。

現場目線での設計変更とコスト削減へのアプローチ

例えば、ある精密機械メーカーでは、従来は十分すぎるほどの高耐力鋼を使い安全サイドで設計していました。
ですが、材料試験結果と稼働データを突き合わせ、実使用荷重がほぼ設計値の30％と判明。
材料力学をもとに安全率と実荷重のバランスを再設計し、より安価な材質へ切り替えつつ十分な強度を確保。
生産コストを20％削減するとともに、材料グレード変更の根拠を品質管理・設計・調達で一致させたことにより、サプライヤーとのトラブルも激減しました。

バイヤー・調達側の視点から見た材料力学の実用性

多くのバイヤーが日常的に抱える課題の一つに、「なぜこの材料が必要か」「要求仕様を下げてコストダウンできないか」というエンジニアや取引先からの難問があります。

材料力学を“会話の共通言語”にできれば、
・ベンダーから提示された材質のスペック（降伏点、疲労限度など）を技術的根拠として交渉可能
・コストだけでなくリスク（品質低下・クレームリスク）も比較評価
・設計‐調達‐生産の情報共有による、付加価値の高いサプライヤー選定

といった、中長期的な調達最適化が現場で実現できます。

強度設計における材料力学の典型的トラブルと対策事例

トラブル１：ボルトの強度不足による破断

小型部品のコストダウン目的で規格外のボルトを調達したところ、数か月後に「破断」事故が多発。
調査した結果、設計上の最大応力値に対し、選定したボルト材の引張強さ・降伏点が明らかに不足していました。

対策としては、必ず設計上の最大荷重と安全率を算出し、スペックシート上でボルトの強度を確認する体制を確立。
取引先にも材料力学的観点による部品選定の基準を情報共有し、安易なコストダウン＝強度軽視の流れを断ち切りました。

トラブル２：アーク溶接部の応力集中によるクラック発生

急ぎのライン変更で溶接工程を追加した際、数か月後に応力集中部にクラックが多発しました。
従来設計の「全体強度」だけに注目し、「応力集中」部位の局所的な過負荷を見落としていました。

技能者と設計者が材料力学の「応力集中」の考え方（穴、角、急激な断面変化などで極端に応力が上がる）を共有し、溶接部の形状や補強方法を再検討。
現場の加工条件や実際の使い方をフィードバックする仕組みづくりに繋がりました。

トラブル３：海外サプライヤーとの仕様認識違い

グローバル調達で現地サプライヤーを起用した際、「同一材質」の名目で強度仕様が数割不足しているものが納入。
海外の規格（ASTM、JIS、DINなど）や生産プロセスが微妙に異なり、単純な材質名だけでは材料力学的な性能が担保されていなかったのです。

設計・調達・品質保証で「仕様書」の記載方法を材料力学の規格値ベースに見直し、“数字と言葉”の違いによるリスクを抜本的に排除しました。

昭和からのアナログ文化に挑む、現場起点の勉強法・DX活用

なぜ製造現場で材料力学が誤解されがちなのか

現場には「昔からこの材料で大丈夫だった」「設計が安全率を見ているんだから」といった思い込みがいまだ根強く残っています。
しかし昨今のグローバル競争や多品種少量生産の流れ、新素材の登場など、昭和的な“経験”だけでは通用しない場面が激増しています。

また、設計や技術部門だけが材料力学を独占する仕組みだと、現場の加工変動や調達の目利きが育ちません。
私自身、管理職時代には「現場で数字・データを元に会話できる文化」づくりを徹底してきました。

現場力を底上げするための勉強法・DX活用

・調達・生産・設計・品質のメンバーで「材料力学勉強会」や「強度設計トラブル事例ミーティング」を定期開催
・スマホやタブレットで現場から強度データや材質スペック、過去トラブル・ノウハウに即時アクセスできるDXツールの導入
・シミュレーションやCAE結果と実際の現場計測データを突き合わせ、乖離を見える化しながら現場ノウハウを積み上げるナレッジ化

このような現場起点のボトムアップこそが、日本の製造業がこれから競争力を維持・発展させるための突破口です。

まとめ：材料力学と強度設計力を、全社的な競争力の源泉に

材料力学は決して一部の技術者や設計者だけの知識ではなく、今や全ての製造現場・調達現場で通じる“共通言語”です。
正しい理論理解と現場データによるフィードバックサイクルを組み合わせることで、コストダウン・品質向上・サプライヤー選定・現場力アップといった「製造業の強み」を総合的に引き出すことができます。

長年の現場経験を活かした“実践的な材料力学”を、ぜひ自社のものづくり現場で活かし、新しい勝ちパターンを築いてください。

製造業の未来は、知識と現場力のハイブリッド化――「次の地平線」は、もう目の前です。