구조해석이란?
구조해석이란 해석 대상 구조물에 하중이 가해짐에 따라 변화하는 물리량을 계산하고, 그 계산 결과를 바탕으로 평가, 분석하는 일련의 과정을 말합니다.
계산되는 물리량에는 변형량, 내력(응력) 열, 진동수 등이 있습니다. 구조해석을 하는 목적은 실제로 만들고자 하는 구조물 등을 만들기 전에 결과를 예측하여 실패할 위험을 줄이는 것입니다.
또한, 더 나은 구조물을 만들기 위한 힌트를 얻을 수 있습니다. 또한, 쉽게 실험할 수 없는 대규모 구조물에 대해서도 구조해석을 통해 결과를 예측할 수 있습니다.
구조해석의 사용 용도
구조해석이 많이 사용되는 분야로는 자동차 개발 및 생산, 건축 및 토목 분야, 금속 가공의 생산 검토, 고무 제품 개발 등이 있습니다.
1. 자동차
현재 자동차 개발에서 구조해석은 필수 불가결한 기술입니다. 운동성능 향상, 안전성 확보, 에너지 절약, 비용 절약를 위해 많은 부품에 대해 구조해석이 활용되고 있습니다.
2. 건축 및 토목 분야
건축 및 토목 분야에서 구조해석은 다양한 건축물의 강도, 내진, 내풍 성능, 내화 설계에 활용되고 있습니다. 건축에서는 기계 부품과 같은 시제품 제작이 거의 불가능합니다. 구조해석을 효과적으로 활용해야 합니다.
3. 금속 가공
금속 가공에는 소성가공과 프레스 가공이 있습니다. 과거에는 숙련된 경험에 의해 난이도가 높은 제품을 만들어 왔다. 현재는 구조해석을 효과적으로 활용함으로써 기술 전승과 함께 보다 고도화된 제품 제작이 가능해졌습니다.
4. 고무 제품
고무 제품은 하중을 받았을 때 변형이 크고, 변형 시 다른 제품과의 접촉을 동반합니다. 구조해석 중에서도 비선형 해석이 많이 사용됩니다.
구조해석의 원리
구조해석 작업은 해석 대상 도면 작성, 메쉬 절단, 모델링, 물리량 입력, 해석, 출력의 순서로 진행됩니다.
1. 측정 대상의 작도
CAD 등의 소프트웨어를 이용하여 해석 대상을 작도합니다. 주로 3D CAD를 사용합니다. 사용 중인 CAD가 있다면 CAD의 파일 형식이 사용하는 구조해석 소프트웨어와 호환되는지 알아보는 것이 좋습니다.
2. 메쉬를 자른다.
해석 대상을 메쉬라는 격자 형태로 분해합니다. 이 분해의 정확도에 따라 계산의 정확도와 속도에 영향을 미치므로 주의가 필요합니다.
3. 모델링
해석 대상을 모델링합니다. 메쉬별 경계면을 스프링으로 간주하는 것이 일반적입니다.
4. 물리량 입력
해석 대상의 영률, 비열, 팽창계수, 밀도 등을 입력합니다. 이 물리량은 사전에 실험 등을 통해 측정해 둡니다.
5. 해석
해석에는 몇 가지 종류가 있는데, f=kx라는 훅의 법칙을 기반으로 한 정적 해석, F=ma라는 뉴턴의 운동방정식을 기반으로 한 동적 해석이 있습니다.
동해석에는 시간의 개념이 존재하며, 비교적 쉬운 음해법과 복잡한 연립 1차 방정식을 푸는 양해법으로 나눌 수 있습니다.
6. 출력
대부분의 구조해석 소프트웨어는 해석 결과를 시각화할 수 있습니다. 시각화를 통해 해석 대상의 변위나 힘이 집중적으로 작용하는 곳을 발견할 수 있습니다.
구조해석의 종류
구조해석에는 다양한 종류가 있습니다. 대표적인 것은 다음과 같습니다.
1. 정적 해석
정적 해석은 구조물에 힘이 작용했을 때의 변형량과 응력을 계산합니다. 부품의 사용 용도에 적합한 형상을 만들기 위한 힌트를 얻을 수 있습니다.
2. 고유치 해석
고유치 해석은 물체의 고유치를 계산합니다. 고유치는 공진이 발생하는 주파수로, 고유치가 높으면 공진이 발생하기 어렵다고 판단할 수 있습니다.
정밀 장비의 가대에서는 진동이 기능에 영향을 미치기 때문에 고유치 해석을 통해 고유치가 최대한 높아지도록 형상을 결정합니다.
3. 열전달 해석
열전달 해석은 물체의 열 분포가 어떻게 되는지 계산합니다. 예를 들어, 히터 플레이트의 온도 분포를 계산하여 온도 균일성을 예측할 수 있기 때문에 부품 제작 없이도 최적 설계를 할 수 있습니다.
구조해석의 기타 정보
구조해석의 주의점
구조 해석은 전용 소프트웨어를 사용하지만, 실제 상태에 가까운 해석 결과를 얻기 위해서는 몇 가지 주의해야 할 사항이 있습니다.
1. 3D 모델 제작 방법
실제 형상과 똑같이 만들면 메쉬 처리에서 오류가 발생하거나 해석에 너무 많은 시간이 소요되어 해석 결과가 제대로 나오지 않을 수 있습니다. 모델은 무엇을 해석할 것인지에 따라 세밀하게 작성할 부분과 생략할 부분을 구분해야 합니다.
2. 해석 조건
조건에는 여러 가지가 있는데, 이 설정이 제대로 이루어지지 않으면 실제 값과 다른 해석 결과가 나올 수 있습니다. 해석 소프트웨어가 아무리 우수해도 모델이나 조건 설정이 잘못되면 현실에 가까운 결과를 얻을 수 없습니다.
해석 소프트웨어 회사의 세미나 등에 참석하여 소프트웨어에 맞는 방법을 사용하는 것이 중요합니다. 또한 실험이 가능한 경우에는 구조해석 결과와 실험결과를 맞추는 상관관계 분석(상관분석)도 중요한 기술이 됩니다.