[재료역학] 개념정리#1. 기본 용어

1. 재료역학

물질에는 기체, 액체, 고체, 세 가지 상태가 있습니다.

기체, 액체는

용기에 담겨 있지 않고서는 스스로 위치와 모양을 유지할 수 없습니다.

고체는

용기에 담겨 있지 않아도 스스로 위치와 모양을 유지합니다.

이처럼 고체의 가장 큰 특징은 스스로 자신의 위치와 모양을 유지할 수 있는 것이며, 

재료(고체)역학은 외부의 작용에 의한 고체의 위치와 모양의 변화, 그리고 이에 따른 모양의 유지가능 여부를 연구하는 분야입니다. 

재료(고체)역학에서 고체의 운동, 변형과 안정성을 표현할 때에는 변위, 변형률, 응력을 사용합니다. 

즉 재료(고체)역학은 여러가지 종류의 하중을 받는 재료에 나타나는 응력, 변형, 변형률 등을 고려하여 재료의 안전성 여부를 연구하는 것에 목적이 있습니다.

2. 하중

2-1 정의

기계, 기계구조물에 가하는 외력

SI단위(system international) : F=ma, 1N=1Kg x 1m/s2

중력단위 : W=m x g, 1Kgf=1kg x 9.8m/s2

	거리	질량	시간	힘	일	동력
SI단위	m	Kg	Sec	1N=1kg*m/s2	1J=1N x 1m	1W=1J/sec
중력단위	m	Kgf*s2/m	sec	kgf	Kgf*m	1ps=75kgf*m/sec

2-2 작용 방식 기준

(1) 축하중(axial load)

재료를 잡아당겨 늘리는 인장하중(tensile load)과 재료를 압축하여 줄어들게 하는 압축하중(compressive load)

(2) 전단 하중(Shearing load)

하중의 작용선이 재료의 축선과 수직하게 물체를 자르는 형태로 작용하는 하중

(3) 비틀림하중(twisting load)

축에 비틀림을 일으키는 하중 (비틀림모멘트가 작용)

(4) 굽힘하중(bending load)

재료의 축선에 수직으로 작용하여 굽힘을 일으키는 하중

2-3 분포 상태 기준

(1) 집중 하중 (concentrated load)

하중이 한 점에 집중하여 작용하거나 아주 짧은 거리에 모여 작용하는 경우

(2) 분포 하중 (distributed load)

하중이 일정한 길이 또는 면적에 분포되어 작용하는 경우

균일분포하중 - 어느 구간에 걸쳐서 하중이 균일하게 작용

비균일분포하중 - 어느 구간에 걸쳐서 하중이 불규칙하게 작용하는 하중

(3) 이동 하중 (movable load)

하중의 작용점이 시간에 따라 변하는 경우 (예 : 차량의 다리 위 이동)

3. 응력 (stress, σ)

3-1 정의

재료에 하중이 가해지면, 그 하중에 대응하는 내부 저항력(내력)이 발생하고 이 힘을 응력이라 합니다.

즉, 외부작용에 대해 재료가 모양을 유지하는데 요구되는 힘인 내부 저항력을 응력이라 하고, 재료의 강도적인 안전성을 평가하는 기준이 됩니다.

단면적이 A인 봉에 축방향의 하중 P가 작용하였을 때, 응력은 단위면적당 작용하는 힘으로 정의 됩니다.

# 단위

미터계 단위 : Kgf/mm2, Kgf/cm2

SI단위 : N/m2 (Pa), KPa, MPa

USCS단위 : lb/in2 (pound per squre inch, psi) 

# 압력=외력, 응력=내력

3-2 종류

(1) 인장응력

인장 하중에 의한 응력

(2) 압축응력

압축 하중에 의한 응력

(3) 축응력

축응력=수직응력=법선응력

축하중에 의한 하중으로 단면에 수직인 응력

(4) 단순응력상태

인장 또는 압축만을 받을 때 횡단면에는 균일한 수직응력이 생기며, 이 수직응력의 합력이 P가 되는 응력상태

4. 변형률 (strain, ε)

4-1 정의

외력 P에 의해 길이 l인 봉이 힘의 방향으로 δ만큼 늘어났다고 가정할 때

원래 길이 l에 대한 신장량 δ의 비 입니다.

즉, 원래의 길이에 대한 변화량 입니다.

변형률은 단위가 없는 무차원 수 입니다.

4-2 종류

(1) 인장변형률(tensile strain)

봉이 인장될 때의 변형률

(2) 압축변형률(compressive strain)

봉이 압축될 때의 변형률

(3) 수직변형률(normal strain)

수직응렬과 관계되는 변형률