技術・家庭 技術分野 テクノロジーに希望をのせて p40 「じょうぶな構造や部材」
投稿者 ：山口大学教育学部機械研究室 三吉遥斗 （R.7年度機械研ゼミ生）
学習指導要領との対応：A 材料と加工の技術
課題名 ：構造による製作物の強度の違いを理解する
教材の説明
この教材は、構造による製作物の強度の比較と、それを視覚的に捉えるための動画教材です。
使用する構造は開隆堂の教科書である「技術・家庭 技術分野 テクノロジーに希望をのせて P.40」の内容を深めるために設計しました。
構造解析機能を用いて構造にかかる水平方向からの荷重とそれに対する強さ、変形量を計算し、実際に検証した動画と合わせて表示した動画教材となっています。変形の過程を視覚的に捉えられるため、構造の比較をわかりやすく行うことができます。
構造解析を行うためのInventor用モデルデータ、レーザーカッター用DXFファイル、研究装置モデルデータを投稿しています。
以下に側板上部2箇所に125Nずつ合わせて250Nの水平荷重をかけた際の最大変位と最小安全率の値をまとめた表を示しています。
| 構造 | 最大変位 | 最小安全率 |
| フレーム「基本構造」 | 12.03 | 0.16 |
| フレーム「支柱構造：右」 | 1.797 | 0.26 |
| フレーム「支柱構造：左」 | 1.788 | 0.26 |
| フレーム「背板構造」 | 0.4472 | 1.08 |
| フレーム「補強構造」 | 6.276 | 0.16 |
また、以下に荷重と安全率を比較するために各構造に対して10Nから10Nずつ荷重を増加したときの安全率の値をまとめた表を示しています。（赤文字の部分が安全率が１を下回るときの値です）
荷重と安全率の比較（荷重：N 最小安全率：ul） |
||||
|---|---|---|---|---|
|
荷重 |
フレーム 「基本構造」 |
フレーム 「支柱構造：右」 |
フレーム 「支柱構造：左」 |
フレーム 「補強構造」 |
|
10N |
4.23ul |
6.55ul |
6.54ul |
4.03ul |
|
20N |
2.11ul |
3.27ul |
3.27ul |
2.02ul |
|
30N |
1.41ul |
2.18ul |
2.18ul |
1.34ul |
|
40N |
1.06ul |
1.64ul |
1.64ul |
1.01ul |
|
50N |
0.85ul |
1.31ul |
1.31ul |
0.81ul |
|
60N |
0.70ul |
1.09ul |
1.09ul |
0.67ul |
|
70N |
0.60ul |
0.93ul |
0.93ul |
0.58ul |
|
80N |
0.53ul |
0.82ul |
0.82ul |
0.50ul |
|
90N |
0.47ul |
0.73ul |
0.73ul |
0.45ul |
|
100N |
0.42ul |
0.65ul |
0.65ul |
0.40ul |
そして、以下に実際に破壊された時の荷重と構造解析で安全率が１を下回った際の荷重を比較した表を示しています。
|
構造 |
最大荷重（N） |
構造解析荷重（N） |
|
フレーム「基本構造」 |
15.19 |
50 |
|
フレーム「支柱構造：右」 |
33.81 |
70 |
|
フレーム「支柱構造：左」 |
58.31 |
70 |
|
フレーム「背板構造」 |
268.03 |
250 |
|
フレーム「補強構造」 |
34.79 |
50 |
使用するデジタルファブリケーション技術・材料（材料、３Dプリンタ機種、レーザーカッター機種等）
3DCAD、レーザーカッター
使用したCAD
Autodesk Inventor Professional 2022
ファイルの構造
フレーム①
├基本構造
│ ├レーザーカッター用（レーザーカッター用データ .dxf）
│ ├組立図（Inventorのアセンブリデータ .iam）
│ ├部品図（Inventorのパーツデータ .ipt）
│ └平面図（Inventorの図面データ .idw）
├支柱構造
│ ├レーザーカッター用（レーザーカッター用データ .dxf）
│ ├組立図（Inventorのアセンブリデータ .iam）
│ ├部品図（Inventorのパーツデータ .ipt）
│ └平面図（Inventorの図面データ .idw）
└研究装置
├組立図（Inventorのアセンブリデータ .iam
└部品図（Inventorのパーツデータ .ipt）
フレーム②
├背板構造
│ ├レーザーカッター用（レーザーカッター用データ .dxf）
│ ├組立図（Inventorのアセンブリデータ .iam）
│ ├部品図（Inventorのパーツデータ .ipt）
│ └平面図（Inventorの図面データ .idw）
└補強構造
├レーザーカッター用（レーザーカッター用データ .dxf）
├組立図（Inventorのアセンブリデータ .iam）
├部品図（Inventorのパーツデータ .ipt）
└平面図（Inventorの図面データ .idw）