強度設計応力歪組合応力疲労破損防止開発例破損事例

はじめに：製造業における強度設計の重要性

製造業の現場では、モノづくりにおける品質や信頼性、コストダウンが常に求められます。

その中で、強度設計は安全性や製品寿命を保証し、最終的に企業の競争力に直結する重要な要素です。

しかし、実際の現場に目を向けると、昭和時代から続く「勘と経験」、「前例主義」が色濃く残っている会社も多く、強度設計や応力管理の標準化が進んでいないのが現状です。

そこで本記事では、強度設計、応力・歪み・組合応力、疲労破損防止の設計開発例、そして破損事故の事例を交えて、現場目線でその実態と改善策を掘り下げます。

バイヤーやサプライヤー、現場エンジニアにも役立つ内容となっていますので、ぜひ参考にしてください。

応力・歪・組合応力とは何か？

応力の基本：言葉では分かるが、現場ではどう扱うか

応力は、外部から力がかかったときに素材内部に発生する「内なる力」を指します。

設計図面やCAE解析（有限要素法解析）上では「MPa」や「N/mm2」などで定量化されています。

しかし、多くの現場経験者が口をそろえて言うのは、「机上の解析数値と実際の現象が一致するとは限らない」ということです。

その原因の一つが、鋳造やプレス加工、溶接など生産条件によるばらつき、また経年使用や組立工程で発生する残留応力など、設計段階では想定しづらい要因にあります。

歪みと組合応力の現場的解釈

「歪み」は応力が加わった結果、対象物がどのくらい変形したかを示します。

理論的にはフックの法則が有名ですが、実際の工場生産品では局所的な応力集中や、熱処理による成分変化、組立時の微妙なズレなどが複雑に絡み合います。

組合応力というのは、複数の力が異なる方向から同時にかかることで生まれる複合的な応力分布のことです。

現場では、設計上は「安全率2.0」としていても、荷重の加わり方や使用環境の変化によってその前提が大きく崩れる場面があります。

この現実的ギャップをどう埋めるかが、バイヤー・サプライヤー双方の信頼醸成に不可欠です。

疲労と破損のメカニズム：理論と現場のズレ

疲労破損とは何か？

疲労破損は、比較的小さな力が何度も繰り返し加わることで、材料内部に微小な亀裂が生じ、最終的に破断に至る現象です。

非破壊検査や外観検査では発見しにくく、サービスイン後に突発的トラブルとなることが多いのが特徴です。

自動車や鉄道車両、建設機械など、現場稼働率や安全性が最優先される分野で特に厄介な問題です。

昭和の設計思想とデジタルのギャップ

昭和期の設計現場では、とにかく「壊れて恥をかくな」「大きめ・厚めに作っとけ」という考えが根強くありました。

それはそれで保守的かつ安全側の設計なのですが、現代の競争環境ではコストや軽量化の要求が強く、アナログ全盛から脱却する必要があります。

一方で、デジタル設計ツールの導入だけでは全てを補えません。

工場での実測値によるフィードバック、製造現場・市場からリアルなインシデント情報を正しく吸い上げ、設計条件の見直しに活かすことが不可欠です。

現場の知見とデジタル技術の融合が、新時代の強度設計に必要なのです。

強度設計の開発現場で陥りがちなポイント

1. 社内分業の壁：情報の断絶

製造業では生産技術・設計・品質・調達など、一見協力し合うべき部門同士が縦割りになっている場合が少なくありません。

特に調達購買担当者は、コストや納期に主眼を置きがちですが、現場では「仕様通りだけど本当に使えるか？」という不安感がつきまといます。

サプライヤー側も「購入仕様だけを守ればよい」となりがちで、現場や市場環境での「生きたデータ」が設計へ十分フィードバックされていないことが多いです。

これが品質トラブルや想定外破損の温床となっています。

2. 過剰設計・過少設計のジレンマ

保守的になりすぎて部材を過大設計すればコスト増加や重量増加となり、他のパフォーマンスが損なわれます。

逆に、市場ニーズに応じて過度な軽量化やコストダウン推進とすると、設計強度ギリギリとなり、内部応力や疲労発生リスクが高まります。

理論値・CAE解析任せでは「現実と合わない」破損事故も多発します。

現場の不良・破損やその度合いを「見える化」し、設計根拠のリアルさをアップデートしていくPDCAサイクルが必須です。

業界に根付くアナログ発想からの脱却例

IoT・AI活用による応力・歪み監視事例

最近では、IoTセンサを使って設備や現品そのものの応力・歪みデータをリアルタイムで収集・解析する取り組みが進んでいます。

例えば、鉄道の車軸部品にストレンゲージを貼り付け、運行中の応力実測値を蓄積。

そのデータを元に保守メニューや設計値の見直しを行い、サービス実績と設計値のギャップを埋めています。

AIによる異常検知や寿命予測も徐々に現場に根付き始めています。

これにより、「昭和の勘頼み」から「データドリブン設計」への変革が進み、過剰な安全率や無駄を省きつつ、現場適応性のある設計が可能となっています。

調達・サプライヤー連携の新常識

バイヤーやサプライヤーの立場でも、単なる価格やスペック交渉から一歩進み、「現場のリスクデータ共有」による協調型開発体制が重要になっています。

たとえば、定期的な故障事例の情報交換会や、生産現場の実態見学を通じて、お互いの強度設計思想・実力を相互理解する場を設けています。

また、共同で疲労試験や破壊試験を実施することで、設計・生産間の信頼関係がより強固に築かれるケースも増えています。

こうしたファクトベースの連携が、仕様書だけでは見えない本質的な強度設計競争力を生み出す時代が到来しています。

現場での具体的な破損事例と開発対応

破損事例1：建設機械アームの溶接割れ

現場でよくあるのが、溶接部のマイクロクラックから始まるアーム部破断です。

設計上は強度十分としていたものの、実際には溶接部での応力集中と周辺材質の脆弱化、さらに反復荷重が加わることで、初期亀裂が徐々に進展していった結果発生しました。

原因究明では、組立工程での治具精度や溶接条件、応力除去焼鈍の未徹底なども関連していました。

対応策は、溶接工程の標準化・可視化、ストレンゲージによる現物応力測定、設計図面へのフィードバックなど。

地道で泥臭い“現場起点型”の強度設計サイクルがトラブル防止に直結した好例です。

破損事例2：自動車サスペンション部品の疲労折損

材質や形状最適化によりギリギリのコストダウンを行った結果、特定地域で急増した車両のサスペンション部破損。

調査の結果、道路条件（凹凸や塩害）、ユーザーの使用状況（積載重量オーバー）、そして雨天時の腐食加速など、市場でのリアルな使用環境変動が設計者の想定を超えていました。

再発防止策として、市場データの定量収集、ヒアリング主導型のフィールドリサーチを実施。

さらにはマルチエージェントCAEと実車応力測定を活用し、現場の実情に即した設計マージンを再設定するなど、DX時代ならではの現場フィードバック主導型設計体制へと進化しています。

現場目線で明日から実践できるポイント

・仕様書・設計図面だけで納得せず、現場や市場の実測・実態データを貪欲に活用する
・バイヤーは「安値発注」だけでなく、サプライヤーと共にリスクを見える化・共有することで、より良い強度設計を確立する
・現場に眠る破損・クレーム・ヒヤリハット情報を基礎データとして「設計見直しの宝」として扱う
・IoTやCAE等の最先端ツールと、ベテラン作業者の勘・経験値を組み合わせて「最適解」を追求する
・サプライヤーも自社の強み・弱みをバイヤーに積極発信し、設計共創のパートナーとなる意識を持つ

まとめ：強度設計と現場力の融合が未来を切り拓く

昭和のアナログ志向を残しつつも、デジタル起点の新しい強度設計が求められている今。

理論と現実、デジタルと現場力の両輪で、より安全で高品質・ローコストな製品づくりを目指すことが、バイヤー・サプライヤー・設計・工場と全てのプレイヤーに求められています。

失敗・破損から目を背けず、現実のデータを次世代設計にフィードバックすることこそ、日本のモノづくり復権のカギです。

製造業の現場で働く皆様が、「机上の設計」と「リアルな現場」をつなぎ、真の強度設計ノウハウを業界全体で醸成していくことを願っています。