같은 형상, 다른 결과
형상이 동일하고 하중 조건도 같다. 그런데 해석 결과가 다르다.
원인을 추적하다 보면 재료 설정이 달랐던 경우가 적지 않다. 탄성계수가 다르거나, 항복강도 기준이 다르거나, 아예 잘못된 재료가 적용되어 있는 경우다.
SOLIDWORKS Simulation에서 재료 설정은 해석 결과의 정확도를 좌우하는 가장 기본적인 입력이다.
FEA에서 재료 물성치가 하는 역할
FEA는 구조물을 요소로 나누고, 각 요소에서 응력–변형률 관계(Constitutive Law)를 계산한다. 이 관계를 정의하는 것이 바로 재료 물성치다.
주요 물성치와 역할:
| 물성치 | 역할 |
|---|---|
| 탄성계수 (Young’s Modulus, E) | 재료의 강성(stiffness)을 결정 — 변형량에 직접 영향 |
| 포아송 비 (Poisson’s Ratio, ν) | 축방향 변형 시 횡방향 수축/팽창 비율 |
| 밀도 (Density) | 질량 및 관성 계산 — 동적해석·주파수해석에 필수 |
| 항복강도 (Yield Strength) | 소성 시작 기준 — 안전율 평가에 사용 |
| 인장강도 (Tensile Strength) | 파단 기준 평가에 사용 |
| 열팽창계수 (CTE) | 온도 변화에 따른 열변형 계산 |
특히 탄성계수는 결과에 직접적인 영향을 준다. 탄성계수가 10% 차이나면 변형 결과도 거의 같은 비율로 달라진다.
SOLIDWORKS Simulation의 재료 설정 방법
내장 재료 라이브러리 사용
SOLIDWORKS Simulation은 금속, 플라스틱, 복합재 등 다양한 재료 라이브러리를 제공한다. 일반적인 구조용 강재(AISI 1045, SS304 등), 알루미늄 합금(6061-T6 등)은 선택만으로 물성치가 자동 입력된다.
사용자 정의 재료 입력
실제 해석에서는 라이브러리 값 대신 데이터시트나 시험값을 사용하는 경우가 많다. 이 경우 물성치를 직접 입력하고 사용자 정의 재료로 저장해 재사용할 수 있다.
재료 모델 선택
해석 유형에 따라 재료 모델도 달라진다.
- 선형 탄성(Linear Elastic): 대부분의 정적해석 기본 모델
- 탄소성 모델(Elastic–Plastic, von Mises): 항복 이후 거동 포함
- 초탄성 모델(Hyperelastic): 고무, 엘라스토머 등 대변형 재료
해석 목적에 맞는 모델을 선택하지 않으면 결과 해석 자체가 의미 없어질 수 있다.
재료 설정에서 자주 발생하는 문제
라이브러리 값을 그대로 사용하는 경우 라이브러리 값은 “대표값”에 가깝다. 실제 재료는 열처리 조건, 제조 공정, 공급사에 따라 물성이 달라진다. 정확도가 중요한 해석이라면 데이터시트 기반 값이나 시험값을 사용하는 것이 필요하다.
동적해석에서 밀도를 간과하는 경우 주파수해석이나 진동 해석에서는 질량이 핵심 변수다. 밀도가 잘못 입력되면 고유진동수와 응답이 크게 달라진다. 특히 단위 오류(kg/m³ ↔ g/cm³)는 실제로 자주 발생하는 문제다.
단위 불일치 SOLIDWORKS Simulation은 단위 시스템 전환이 자유롭다. 하지만 물성치 입력 시 단위를 확인하지 않으면 치명적인 오류가 발생한다.
- MPa ↔ psi
- kg/m³ ↔ lbm/in³
이런 변환 실수는 결과 전체를 무효화할 수 있다.
재료 데이터 관리의 중요성
재료 설정은 단순 입력 작업이 아니다.
- 어떤 출처의 데이터인지
- 어떤 조건에서 측정된 값인지
- 언제 수정되었는지
이 정보가 함께 관리되어야 해석 결과를 신뢰할 수 있다.
같은 팀 내에서 서로 다른 재료 값을 사용하고 있다면 결과 비교도, 재현도 불가능해진다.
재료 데이터 관리와 이력 추적은 해석 품질 관리의 출발점이다.
마무리
SOLIDWORKS Simulation에서 재료를 잘못 설정하면 아무리 정교한 메시와 하중 조건을 적용해도 결과를 신뢰할 수 없다.
재료 물성치는 해석의 시작점이다. 출처가 명확한 값을 사용하고, 팀 내에서 일관된 기준을 유지하는 것이 필수다.
다음 편에서는 해석 정확도를 좌우하는 또 다른 핵심 요소인 메시(Mesh)를 다룬다.