설계가 끝났다. 이제 버티는지 확인해야 한다
모델링이 완료됐다. 제품의 형상은 완성됐고, 이제 이 구조물이 실제 하중을 견딜 수 있는지 확인할 차례다.
과거에는 시제품을 제작해 실험으로 검증했다. 하지만 시제품 제작에는 시간과 비용이 수반된다. 설계 초기 단계에서 문제를 발견하지 못하면, 이후 수정 비용은 크게 증가한다.
SOLIDWORKS Simulation은 이 과정을 해석으로 수행할 수 있게 해준다.
FEA란 무엇인가
SOLIDWORKS Simulation의 핵심 엔진은 유한요소해석(FEA, Finite Element Analysis)이다.
FEA는 복잡한 구조물을 작은 요소(Element)로 분할(discretization)하고, 각 요소에 대해 지배 방정식을 수치적으로 풀어 전체 구조물의 거동을 계산하는 방법이다.
이를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
- 응력(Stress): 재료 내부에 발생하는 인장·압축·전단 응력 분포 (일반적으로 연성 재료에서는 Von Mises 기준 사용)
- 변형(Displacement): 하중에 의해 구조물이 변형되는 정도
- 안전율(Factor of Safety): 설정된 기준(항복 또는 파단 등) 대비 여유 수준
실험 없이 컴퓨터 상에서 구조물의 거동을 사전에 예측할 수 있다.
SOLIDWORKS Simulation의 위치
솔리드웍스(SOLIDWORKS)는 3D CAD 소프트웨어다. 여기에 Simulation 모듈이 통합되어 있어, 별도의 해석 소프트웨어 없이 설계 환경 내에서 구조해석을 수행할 수 있다.
이것의 핵심 장점은 설계와 해석이 하나의 흐름으로 이어진다는 점이다.
모델을 생성한 환경에서 바로 해석을 수행하고, 형상을 수정한 뒤 즉시 재해석할 수 있다. CAD에서 해석으로 넘어가는 과정에서 발생하는 전환 비용이 최소화된다.
어떤 해석을 할 수 있나
솔리드웍스 시뮬레이션(SOLIDWORKS Simulation)은 구조, 진동, 열, 피로, 최적화까지 다양한 해석 유형을 지원한다.
- 정적해석(Static): 일정 하중 조건에서의 응력 및 변형 분석
- 비선형해석(Nonlinear): 대변형, 소성, 접촉 등 비선형 거동 해석
- 좌굴해석(Buckling): 압축 하중에 따른 구조 안정성 평가
- 고유진동 해석(Frequency): 고유 진동수 및 모드 형상 도출 — 동적 해석의 기초
- 시간 이력 해석(Modal Time History): 시간에 따라 변하는 하중에 대한 동적 응답 (충격 하중 포함)
- 하모닉 응답해석(Harmonic): 주기 하중에 대한 정상상태 응답
- 랜덤진동해석(Random Vibration): PSD 기반 확률적 응답
- 내진해석(Response Spectrum): 지진 응답 스펙트럼 기반 평가
- 피로해석(Fatigue): 반복 하중에 의한 수명 및 누적 손상 평가
- 열해석(Thermal): 온도 분포 및 열전달 해석
- 모션해석(Motion): 기구 시스템의 동적 거동 분석 (FEA가 아닌 SOLIDWORKS Motion 모듈 기반)
- 파라미터 스터디(Design Study): 설계 변수 탐색 및 최적 조건 도출
- 위상최적화(Topology Optimization): 하중 경로 기반 재료 분포 최적화
설계 목적에 따라 적절한 해석 유형을 선택하고, 동일한 모델을 기반으로 다양한 조건을 검토할 수 있다.
마무리
SOLIDWORKS Simulation은 설계자가 별도의 전문 해석 툴 없이 구조 안전성을 검토할 수 있도록 지원한다.
설계 단계에서 문제를 발견하는 것과 시제품 단계에서 문제를 발견하는 것은 비용 구조가 다르다. FEA는 문제를 더 이른 시점에 발견할 수 있게 해주는 도구다.
다음 편에서는 SOLIDWORKS Simulation의 해석 유형 — 정적, 동적, 피로 — 을 어떤 기준으로 선택해야 하는지 살펴본다.