정적해석, 동적해석, 피로해석
— 어떤 걸 선택해야 하나

“어떤 해석을 돌려야 하죠?”

솔리드웍스(SOLIDWORKS)로 해석을 처음 시작하는 엔지니어가 가장 자주 하는 질문이다.

SOLIDWORKS Simulation에는 정적해석, 비선형해석, 주파수해석, 좌굴해석, 동적해석, 피로해석, 열해석 등 다양한 Study 유형이 있다. 문제는 어떤 상황에 어떤 해석을 적용해야 하는지 처음에는 직관적으로 판단하기 어렵다는 점이다.

해석 유형을 잘못 선택하면 결과는 나올 수 있지만, 그 결과는 설계 판단에 사용할 수 없다.

하중의 성격이 해석 유형을 결정한다

해석 유형 선택의 핵심 기준은 하중이 어떤 성격을 가지는가다.

하중이 일정하거나 준정적이다 → 정적해석

가장 기본적인 해석이다. 중력, 볼트 체결력, 내압처럼 시간에 따른 변화가 크지 않은 하중 조건에서 응력과 변형을 계산한다.

재료가 선형 탄성 거동을 한다고 가정하며, 대부분의 초기 구조 검토는 정적해석으로 시작한다.

재료 비선형·대변형·접촉이 중요하다 → 비선형해석

고무·플라스틱과 같은 비선형 재료 거동이 있거나, 구조물이 크게 변형되어 형상 변화가 하중 분포에 영향을 미치는 경우에 사용한다.

또한 조립체에서 접촉 조건이 중요한 문제(간섭, 접촉 압력, 마찰 등)에서도 필요하다. SOLIDWORKS Simulation에서는 Bonded, No Penetration 등의 접촉 조건과 마찰을 정의할 수 있으며, 이러한 문제는 일반적으로 비선형해석으로 다루게 된다.

정적해석보다 계산 비용은 크지만, 실제 거동을 보다 현실적으로 반영할 수 있다.

압축 하중으로 안정성이 문제다 → 좌굴해석

얇은 판재나 슬렌더 구조물에 압축 하중이 작용할 때, 항복 이전에 구조물이 급격히 불안정해지는 좌굴이 발생할 수 있다. 정적해석만으로는 이 현상을 충분히 평가하기 어렵다.

좌굴해석은 임계 하중 배율(Load Factor)을 계산하여, 현재 하중 대비 좌굴 위험도를 판단한다.

시간에 따라 하중이 변한다 → 동적해석 계열

하중이 시간에 따라 변하거나, 진동·충격이 포함된 경우에는 동적해석이 필요하다.

시간 이력 해석, 하모닉, 랜덤진동, 응답스펙트럼 해석은 SOLIDWORKS Simulation Premium의 Linear Dynamics Study에 포함된다. 이들 해석은 대부분 주파수해석(고유진동 해석)을 선행해야 수행할 수 있다.

반복 하중이 누적된다 → 피로해석

구조물이 단일 하중에는 문제가 없더라도, 반복 하중이 누적되면 피로 균열이 발생할 수 있다. 피로해석은 응력 범위와 반복 횟수를 기반으로 수명을 예측한다.

특히 진동 환경이나 반복 하중이 있는 구조에서는 정적해석만으로는 충분하지 않다.

온도가 구조 거동에 영향을 준다 → 열해석

열원이 존재하거나 온도 변화가 중요한 경우 열해석을 수행한다. 온도 분포 결과를 구조해석과 연계하면, 재료의 열팽창계수(CTE)를 기반으로 열변형과 열응력을 함께 평가할 수 있다. 특히 구조물이 구속된 상태에서는 자유팽창이 제한되면서 열응력이 발생한다.

해석 유형 선택 흐름 요약

하중이 시간에 따라 크게 변하지 않는가?
├─ Yes → 정적해석
│        └─ 비선형 거동(재료/대변형/접촉) 포함 시 → 비선형해석
└─ No
   ├─ 반복 하중 누적 → 피로해석
   ├─ 압축 안정성 문제 → 좌굴해석
   ├─ 진동·충격 → 동적해석 계열
   │   ├─ 고유 특성 → 주파수
   │   ├─ 시간 응답 → Time History
   │   ├─ 주기 하중 → Harmonic
   │   ├─ 랜덤 → Random
   │   └─ 지진 → Response Spectrum
   └─ 온도 영향 → 열해석

마무리

해석 유형 선택은 결과의 신뢰성을 결정하는 첫 번째 단계다.

하중의 성격, 재료 거동, 그리고 해석 목적을 명확히 하면 선택 기준은 자연스럽게 정리된다.

다음 편에서는 해석 결과의 정확도를 좌우하는 또 다른 핵심 요소인 재료 설정을 살펴본다.