흩어진 설정을 하나의 순서로
지금까지 재료, 메시, 경계조건을 각각 다뤘다. 이제 이 요소들이 실제 해석에서 어떤 순서로 맞물리는지를 정리할 차례다.
정적 구조해석(Static Analysis)은 SOLIDWORKS Simulation에서 가장 기본이 되는 해석 유형이다. 구조물에 정적인 하중이 작용할 때 발생하는 응력, 변위, 변형률을 계산한다. 대부분의 강도 검토는 여기서 시작한다.
이 글은 개별 설정의 세부 기능보다, 처음부터 끝까지 이어지는 전체 흐름과 각 단계에서 놓치기 쉬운 판단 지점을 다룬다.
정적 구조해석의 전제부터 확인한다
본격적인 절차에 들어가기 전에, 정적 구조해석이 어떤 가정 위에 서 있는지 먼저 확인해야 한다. 이 전제를 벗어나면 워크플로우를 정확히 따라도 결과는 신뢰하기 어렵다.
기본적인 선형 정적해석은 다음을 가정한다.
- 정적 하중 — 하중이 천천히 작용해 관성·감쇠 효과를 무시할 수 있다
- 선형 탄성 — 재료가 항복하지 않고, 응력과 변형률이 비례 관계를 유지한다
- 소변형 — 변형이 작아 구조 형상 변화가 강성에 큰 영향을 주지 않는다
충격이나 진동처럼 시간에 따라 변하는 하중, 항복 이후의 소성 변형, 좌굴과 같은 구조 안정성 문제는 일반적인 선형 정적해석의 범위를 벗어난다. 이런 경우에는 동적해석, 비선형해석, 좌굴해석 등 목적에 맞는 다른 해석 유형을 검토해야 한다.
정적해석을 시작하기 전, “이 문제가 정말 정적·선형·소변형 가정 안에 있는가”를 먼저 확인해야 한다.
전체 워크플로우 — 6단계
정적 구조해석은 보통 다음 순서로 진행된다.
| 단계 | 작업 | 핵심 질문 |
|---|---|---|
| 1 | 스터디 생성 | 정적해석이 맞는 해석 유형인가? |
| 2 | 재료 적용 | 물성치가 실제 재료와 일치하는가? |
| 3 | 경계조건 설정 | 구속·하중·접촉이 실제 거동을 반영하는가? |
| 4 | 메시 생성 | 응력 집중부가 충분히 세밀하게 표현되는가? |
| 5 | 해석 실행 | 계산이 정상적으로 완료되었는가? |
| 6 | 결과 확인 | 결과가 물리적으로 타당한가? |
이 순서에는 이유가 있다. 재료와 경계조건이 정의되어야 해석 모델이 성립하고, 그 모델을 요소로 나누는 메시가 생성되어야 계산이 가능하다. 해석이 완료된 뒤에는 결과값뿐 아니라 변형 형상과 반력까지 함께 검토해야 한다.
1단계 — 스터디 생성
먼저 해석의 종류를 선택한다. 정적해석, 진동해석, 열해석 등 여러 스터디 유형 중 목적에 맞는 것을 골라야 한다. 강도와 강성 검토가 목적이라면 정적해석(Static)을 선택한다.
이 선택은 앞서 설명한 정적·선형·소변형 가정을 기본으로 받아들이겠다는 의미다. 해석 유형을 잘못 선택하면 이후 재료, 메시, 하중 조건을 아무리 정확히 설정해도 결과의 의미가 달라질 수 있다.
해석 유형 선택의 자세한 기준은 〈정적해석, 동적해석, 피로해석 — 어떤 걸 선택해야 하나〉에서 다뤘다.
2단계 — 재료 적용
각 부품에 재료를 지정한다. 정적해석에서 결과에 직접 영향을 주는 핵심 물성치는 탄성계수(영률)와 포아송비다. 안전율을 평가하려면 항복강도 또는 기준 강도도 필요하다.
재료 라이브러리의 값이 실제 사용하는 소재의 등급, 열처리 상태, 공급사 사양과 일치하는지 확인해야 한다. 같은 “강철”이라도 등급과 처리 조건에 따라 항복강도는 크게 달라질 수 있다.
재료 설정이 결과를 좌우하는 이유는 〈재료 설정 — 해석 결과를 결정하는 첫 번째 입력〉에서 자세히 다뤘다.
3단계 — 경계조건 설정
구조물이 어떻게 지지되고, 어떤 외력을 받으며, 부품 간에 어떻게 상호작용하는지를 정의한다.
- 구속(Fixtures) — 실제 지지 방식과 같은 물리적 의미를 가져야 한다. “일단 고정”은 과구속으로 이어질 수 있다
- 하중(Loads) — 크기뿐 아니라 전달 경로와 분포 방식이 중요하다. 점 하중은 인위적인 응력 집중을 만들 수 있다
- 접촉(Contact) — 어셈블리에서는 기본값인 Bonded를 그대로 두지 말고 실제 접촉 상태와 맞는지 확인해야 한다
이 단계는 해석의 물리적 타당성을 결정하는 가장 중요한 부분이다.
SOLIDWORKS Static Study에서도 접촉 조건을 정의할 수 있다. 다만 No Penetration과 같은 접촉 조건은 비선형적 거동을 포함하므로, 계산 시간이 늘거나 수렴 문제가 발생할 수 있다. 접촉이 복잡하거나 대변형, 소성 거동까지 포함된다면 비선형해석을 별도로 검토해야 한다.
구속·하중·접촉의 종류와 함정은 〈경계조건 설정 — 고정, 하중, 접촉 조건〉에서 상세히 다뤘다.
4단계 — 메시 생성
연속체인 구조물을 유한한 요소로 나눈다. 메시가 조밀할수록 국부 거동을 더 잘 표현할 수 있지만, 계산 비용도 함께 증가한다.
전 영역을 똑같이 세밀하게 만들 필요는 없다. 응력이 집중될 가능성이 높은 필렛, 구멍, 노치, 하중 작용부, 접촉부에 메시 컨트롤을 적용해 국부적으로 조밀화하는 것이 효율적이다.
해석 전에는 메시 품질도 확인해야 한다. 요소 종횡비, Jacobian 등 품질 지표를 확인해 지나치게 찌그러진 요소가 없는지 점검한다.
메시 크기와 품질이 결과에 미치는 영향은 〈메시(Mesh)란 무엇인가〉에서 다뤘다.
5단계 — 해석 실행
설정이 끝나면 해석을 실행한다. 선형 정적해석은 보통 비교적 빠르게 완료된다. 하지만 접촉 조건이 포함되거나 모델 규모가 크면 계산 시간이 늘고, 경우에 따라 수렴 문제가 발생할 수 있다.
해석이 중간에 실패한다면, 대개 다음 중 하나가 원인이다.
- 강체 운동 미구속 — 구속이 부족해 모델이 공간상에서 움직일 수 있는 상태
- 접촉 정의 불완전 — 어셈블리 부품이 실제로는 연결되어야 하는데 해석 모델에서는 떨어져 있는 상태
- 메시 생성 실패 또는 품질 문제 — 형상이 복잡하거나 작은 피처로 인해 요소 생성이 불안정한 경우
SOLIDWORKS에서는 이런 문제가 특이 행렬, 모델 불안정, 과도한 변위, 접촉 수렴 실패 등 다양한 형태로 나타날 수 있다.
해석 실패는 단순한 계산 오류가 아니라, 모델 설정이 물리적으로 불완전하다는 신호일 수 있다. 실패 메시지를 무시하고 같은 조건으로 반복 실행하기보다, 구속·접촉·메시를 먼저 점검해야 한다.
6단계 — 결과 확인
해석이 끝나면 응력(von Mises), 변위, 변형률, 안전율 등을 확인한다.
이 단계에서 가장 먼저 할 일은 결과가 물리적으로 말이 되는지를 보는 것이다.
- 변형 형상이 예상한 방향으로 나타나는가?
- 최대 응력이 하중 작용부나 구속부, 형상 변화가 큰 부근에 합리적으로 나타나는가?
- 반력의 합이 외부 하중과 균형을 이루는가?
- 최대 응력이 특이점이나 지나치게 작은 형상에서만 발생하고 있지는 않은가?
숫자를 읽기 전에 형상과 경향을 먼저 보는 습관이 잘못된 설정을 조기에 잡아낸다.
응력·변위·안전율을 구체적으로 읽는 법은 다음 편에서 다룬다.
흔한 실수
해석 유형을 잘못 선택 → 동적·비선형·좌굴 문제를 단순 정적해석으로 풀어 결과가 왜곡된다
한 번의 메시로 결과를 확정 → 메시 의존성을 확인하지 않아 응력값을 과소 또는 과대 평가할 수 있다
해석 실패를 설정 점검 없이 재실행 → 같은 원인으로 반복 실패한다
결과 숫자만 보고 형상 검증 생략 → 명백히 비물리적인 결과를 놓칠 수 있다
마무리
정적 구조해석의 워크플로우는 단순한 버튼 순서가 아니다. 각 단계는 앞 단계의 가정 위에 쌓이며, 한 곳이 틀어지면 그 뒤의 모든 결과가 흔들린다.
핵심은 세 가지다.
- 시작 전 전제를 확인할 것 — 정적·선형·소변형이 성립하는 문제인가
- 순서대로 모델을 완성할 것 — 재료 → 경계조건 → 메시 → 실행
- 결과는 숫자보다 물리적 타당성을 먼저 볼 것
한 줄 정리
정적 구조해석은 설정을 얼마나 많이 넣었는지가 아니라, 각 단계의 물리적 의미를 얼마나 정확히 반영했는가에 따라 신뢰도가 달라진다.
다음 편에서는 이 해석의 결과물인 응력, 변위, 안전율을 어떻게 읽고 판단하는지를 다룬다.
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