詳細設計

荷重（方向）

引張、圧縮、せん断、曲げ、ねじり

荷重（速度）

静的荷重
動的荷重

荷重（分布様式）

分布荷重、集中荷重
サンブナンの定理を適用できる場合、区別不要

応力集中

応力集中係数 = 最大応力 / 基準応力

疲労

比較的小さな繰り返し荷重で、時間の経過とともに材料内部に微小な亀裂が生じ、破壊に至る現象
疲労限界以下の荷重であれば、無限に繰り返しても破壊しない
特に考慮すべき対象：サスペンション、航空機、鉄道レール、橋、ボルト、ネジなど
応力集中の回避、材料選定、表面処理が重要

クリープ

一定荷重をかけ続けるとひずみが徐々に増加する現象
一定温度下における最大荷重 = クリープ限度

破壊力学

特異点（亀裂先端）における応力場の研究
応力拡大係数（Stress Intensity Factor）:
\(K = \alpha \sigma \sqrt{\pi a}\)

許容応力

許容応力 = 基準強さ / 安全率
基準強さの例：
- 降伏点
- 引張り強さ
- 疲労限界
- クリープ限界
- 平面ひずみ破壊靭性

故障と損傷

信頼性：所定期間中に、要求どおり機能する能力
故障：機能喪失
損傷：物理的・化学的特性が望ましくない変化
故障の原因は、階層的に構造を分析することで、特定の部品の損傷に帰着する

信頼度

N個のアイテムのうち、時刻\(t\)までに\(n_f\)個が故障した場合：
\[R = 1 - F = 1 - \frac{n_f}{N}\]
単位時間あたりの故障確率（瞬間故障率）：

\(\lambda(t) = \frac{1}{n_s} \frac{dn_f}{dt}\)
\(R(t) = \exp \left(-\int_0^t \lambda(t) dt \right)\)
※ \(n_s = N - n_f\)
寿命曲線 → （※図などは省略）

システムの信頼度

直列構成：
\(R_s = R_1 \times R_2 \times \cdots\)
並列構成：
\(R_s = 1 - (1 - R_1)(1 - R_2) \cdots\)
直列の並列：
\(R_s = 1 - \left(1 - R_1 \cdot R_2 \cdots \right)^m\)
並列の直列：
\(R_s = 1 - (1 - R_1)^m\)

故障発生の抑制

冗長設計：壊れても予備がある → 信頼性高いがコスト増
Fool Proof（誤操作防止）：誤操作でも安全
Fail Safe（最小限の被害）：安全確保重視、設計が複雑に
損傷許容設計：損傷しても機能を維持

例：

フェイルセーフ：鉄道のブレーキは空気圧が失われると自動停止
フールプルーフ：電子レンジは扉が開いたままでは動作しない

精度

誤差の種類：

系統誤差（再現性あり）
偶然誤差
過失誤差
固有誤差（機器の限界）
計算誤差
精確さ = 正確（平均） + 精密（標準偏差）
合成標準不確かさ：
\(u_c = \sqrt{\sum u_i^2}\)
拡張不確かさ：
\(U = k \times u_c\)

公差

誤差：自然に発生するもの
公差：設計で許容する誤差範囲
普通公差：表題・注記で指定。ただし、機能に問題がなければ許容
サイズ公差の累積：
- ワーストケース法
- 二乗平方根法

精度とコスト

精度鈍感設計：部品精度が全体精度に影響しないように設計する
部品数の削減
誤差の平均化（摺動体を長くする）
アッベの原理の適用（読み取り誤差を減らす）
遊びの低減（バネで押し付ける）
力線の最短化（加工機と土台の関係）