경계조건이 틀리면 해석 자체가 의미 없다
재료도 맞고, 메시도 충분히 세밀하다. 그런데 결과가 실험값과 크게 다르다.
이 경우 원인을 따라가 보면 대부분 경계조건(Boundary Conditions)이 실제 구조와 다르게 설정되어 있다.
경계조건은 구조물이 어떻게 지지되고, 어떤 하중을 받으며, 부품 간 상호작용이 어떻게 이루어지는지를 정의하는 입력이다. 재료와 메시가 아무리 정확해도, 이 설정이 현실과 다르면 결과는 신뢰할 수 없다.
구속 조건 (Fixtures)
구속 조건은 구조물의 강체 운동(Rigid Body Motion)을 방지하고, 실제 지지 상태를 모델링하는 역할을 한다.
SOLIDWORKS Simulation에서 제공하는 주요 구속 조건은 다음과 같다.
| 구속 유형 | 설명 | 사용 예 |
|---|---|---|
| 고정 지오메트리 (Fixed Geometry) | 모든 자유도(변위 + 회전) 구속 | 완전히 고정된 구조 |
| 평행이동 구속(회전 자유) | 변위만 제한, 회전은 허용 (참조 형상 기반으로 구현) | 회전이 가능한 지지점 |
| 롤러/슬라이더 (Roller/Slider) | 면의 법선 방향만 구속, 면 내 이동 자유 | 슬라이딩 지지 |
| 고정 힌지 (Fixed Hinge) | 반경·축 방향 변위 구속, 회전만 허용 | 핀, 힌지 연결 |
| 대칭 (Symmetry) (고급) | 대칭 조건 적용 | 절반/1/4 모델 해석 |
| 참조 형상 사용 (Use Reference Geometry) (고급) | 특정 방향만 선택적으로 구속 | 실제 조건 정밀 반영 |
부분 구속(특정 방향만 제한)은 참조 형상 기반 구속으로 구현한다.
과구속(Over-constraint)의 문제
실제보다 강하게 구속하면 다음과 같은 문제가 발생한다.
- 반력이 비정상적으로 증가
- 응력이 과대 평가됨
- 변형이 과소 예측됨
특히 “일단 고정 지오메트리로 묶는” 방식은 결과를 왜곡하는 대표적인 원인이다. 구속 조건은 반드시 실제 체결 방식과 동일한 물리적 의미를 가져야 한다.
하중 조건 (External Loads)
하중은 구조물에 작용하는 외력을 정의한다.
SOLIDWORKS Simulation에서는 하중을 면, 엣지, 꼭짓점 또는 참조 위치에 적용할 수 있다.
| 하중 유형 | 설명 | 사용 예 |
|---|---|---|
| 힘/모멘트 (Force / Moment / Torque) | 힘, 굽힘 모멘트, 비틀림 하중 적용 | 집중 하중, 체결 토크 |
| 압력 (Pressure) | 면에 수직 방향 압력 | 유체 압력 |
| 중력 (Gravity) | 중력 가속도 적용 | 자중 고려 |
| 원심력 (Centrifugal) | 회전계에서 발생하는 관성 하중 | 회전체 |
| 원격하중/질량 (Remote Load/Mass) | 모델 외부 위치에서 하중/질량 전달 | 간접 하중 전달 |
| 분포질량 (Distributed Mass) | 모델에 없는 질량을 면에 분포시켜 관성 효과 반영 | 생략된 부품 질량 |
| 베어링 하중 (Bearing Load) | 원형 면에 비선형 분포 하중 | 핀, 볼트 구멍 |
하중 적용에서 중요한 점
같은 크기의 하중이라도 전달 방식이 다르면 결과는 완전히 달라진다.
- 면 전체 분포 → 실제 하중 전달과 유사
- 점/엣지 집중 → 인위적인 응력 집중 발생
즉, 하중의 크기보다 전달 경로와 분포 방식이 더 중요하다.
접촉 조건 (Contact / Connections)
어셈블리 해석에서는 부품 간 접촉 조건이 결과를 크게 좌우한다.
| 접촉 유형 | 설명 | 사용 예 |
|---|---|---|
| 본드 접촉 (Bonded) | 완전 결합, 상대 변위 없음 | 용접, 접착 |
| 접촉 (Contact) | 관통 금지, 분리 및 미끄럼 가능 | 일반 접촉 |
| 구속 없음 (Free) | 접촉 무시 | 빠른 선형 해석 |
| 끼워맞춤 (Shrink Fit) | 간섭 끼워맞춤, 초기 응력 생성 | 압입 조립 |
| 가상 벽 (Virtual Wall) | 모델 외부 경계를 평면으로 정의하여 접촉 적용 | 바닥, 벽 조건 |
반드시 확인해야 할 기본 설정
SOLIDWORKS Simulation은 접촉을 정의하지 않으면 모든 접촉을 기본적으로 본드 접촉(Bonded)으로 처리한다.
이 상태에서는:
- 구조 강성이 과대 평가되고
- 변형이 실제보다 작게 나오며
- 분리/미끄럼 거동이 반영되지 않는다
따라서 어셈블리 해석에서는 접촉 조건을 반드시 검토해야 한다.
접촉 해석의 현실적인 고려사항
- 접촉(비선형)은 계산 비용이 크다
- 수렴 문제가 발생할 수 있다
- 그러나 실제 거동을 반영하려면 필수적이다
즉, 접촉 정의는 항상 정확도와 계산 안정성 사이의 균형 문제다.
흔한 실수
모든 구속을 고정 지오메트리로 설정 → 실제보다 강한 구조로 해석됨
접촉 조건을 기본값(Bonded)으로 방치 → 강성 과대 평가
하중을 점으로 적용 → 비현실적 응력 집중 발생
중력(Gravity) 누락 → 대형 구조물에서 큰 오차 발생
원격하중 오용 → 강체 연결 가정으로 결과 왜곡 가능
마무리
경계조건은 입력값이 아니라, 구조물의 실제 거동을 정의하는 물리 모델링 과정이다.
핵심은 세 가지다:
- 구속 조건은 실제 지지 방식을 반영할 것
- 하중은 전달 경로와 분포를 고려할 것
- 접촉 조건은 기본값에 의존하지 말 것
한 줄 정리
재료와 메시가 계산의 정확도를 만든다면, 경계조건은 해석의 물리적 의미를 결정한다.
다음 편에서는 재료, 메시, 경계조건이 모두 갖춰진 상태에서 정적 구조해석을 처음부터 끝까지 따라가는 기본 워크플로우를 다룬다.
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