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임의 물체를 전자 현미경으로 확대해 보면 무수히 많은 작은 입자들이 서로 결합되어 있는 것을 볼 수 있다. 이처럼 모든 물체는 그 물체를 구성하는 기본 입자들의 결합체이다.
한편, 임의 물체의 질량은 외부로부터 힘을 받았을 때 물체의 위치나 속도의 변화에 저항하려는 정도를 나타낸다. 질량이 클수록 물체는 외부로부터 힘을 받았을 때 위치나 속도 변화에 대한 저항력이 비례적으로 증가한다. 그리고 한 물체의 질량은 그 물체를 구성하는 모든 입자들의 질량의 총 합과 같다. 따라서 한 물체의 질량은 그 물체 내부에 연속적으로 분포되어 있다. 집중질량은 물체 내부의 특정 영역에 분포되어 있는 입자들을 이 영역 내 임의 한 점에 모여있다고 가정하고, 그 지점에 집중시킨 가정한 가상적인 질량이다.
한편, 물체를 이루는 전체 입자들을 물체 내 임의 한 지점에 모여있다고 가정하면, 물체는 이 지점에 집중된 질량을 갖는 하나의 점으로 표현된다. 집중질량은 물체의 운동이나 힘 그리고 모멘트 등의 계산을 매우 편리하게 해 준다. 하지만, 물체 내부에 연속적으로 분포되어 있는 질량을 물체 내 임의 한 점 혹은 다수의 지점으로 집중시키기 때문에 물체의 운동이나 힘 그리고 모멘트 등의 계산에 있어서 정확도는 떨어진다.
집중질량을 적용할 때 고려해야 할 중요한 조건은 집중시킨 질량의 총 합은 집중시키지 않은 물체의 원래 질량과 같아야 한다는 점과, 집중시킨 질량의 정적 그리고 동적인 효과는 집중시키지 않은 경우와 큰 차이를 나타내지 않아야 한다는 점이다.
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IGES는 컴퓨터를 이용한 형상 모델링 및 설계, 즉 CAD(computer-aided design)에 사용되는 Data 양식에 대한 표준을 정의하는 규정으로서 Initial Graphics Exchange Specification의 약자이다. 이러한 표준은 CAD Data 파일을 서로 주고 받을 때 아무런 문제없이 호환될 수 있도록 하기 위하여 제정되었다. 다시 말해 A라는 사람이 자신이 사용하고 있는 CAD 프로그램에서 생성한 Data 파일을 B라는 사람이 건네 받아 자신이 사용하고 있는 유형이 다른 CAD 프로그램에서 아무런 문제없이 작업을 수행할 수 있도록 하기 위함이다.
IGES 표준에는 circuit 다이어그램, 와이어 프레임(wireframe), 형상모델 표현 등과 같은 형상 모델링 작업뿐만 아니라 도면 작업 그리고 해석을 위한 모델생성 및 제작을 위한 Data에 형식에 이르기 까지 제반사항에 대한 기준을 정의하고 있다. IGES는 1980년 미국 표준청(US National Bureau of Standards)에 의해 DRCPDD라는 공식적인 명칭으로 출판되었으며, 미국 기계학회의 ASME Y14.26M으로 언급되었었다.
IGES 표준화 사업은 미국의 보잉사, GE, Xerox 등과 같은 업체와 미국 표준청 및 미국방성(DoD: US Department of Defense) 그리고 CAD 사용자 그룹에 의해 1979년에 최초로 시작되었다. 1980년에 초기 표준이 출판된 이후 표준에 대한 보완이 지속적으로 이루어 지고 있다.
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유한요소 해석을 위해 대상이 되는 물체의 기하학적 영역을 여러 개의 작은 세부 영역들로 쪼개는 작업을 요소망(mesh)을 생성한다고 말한다. 그리고 각각의 세부 영역들을 유한요소(finite element)라고 부르는데, 이와 같이 요소망을 생성하는 이유는 구하고자 하는 물체의 거동을 근사하기 위해 사용되는 기저함수(basis function)를 아무리 물체의 형상이 복잡하더라도 체계적이고 효과적으로 정의하기 위함이다. 그리고 유한요소법이라는 이름이 붙여지게 된 근원이 바로 여기에 있다.
각각의 요소는 절점(node)이라 불리는 특정한 점들을 가지고 있는데, 이 절점들에서 물체의 거동값을 계산하여 요소망 전체에 걸친 거동의 전체 분포를 최종적으로 표현(근사)한다. 한편, 각 절점에서의 물체의 거동값은 물체 거동을 계산하기 위해 수치적으로 변환시킨 행렬 방정식의 미지수, 즉 자유도(degree of freedom)에 해당된다.
한 절점이 가지게 되는 미지수의 개수를 절점 자유도(nodal degree of freedom)라고 부르며, 풀고자 하는 물체 거동의 유형에 따라 달라진다. 요소 자유도란 한 요소내 각 절점에서의 자유도를 모두 합한 자유도를 의미한다. 예를 들어 절점 자유도가 3인 4개의 절점으로 구성되어 있는 사각형 요소의 요소 자유도는 12가 된다.
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어떤 재료가 균질하다는 것은 재료 내 각 지점에서 재료의 물성치가 동일하다는 것을 의미한다. 엄밀한 의미에서 균질한 재료는 존재하지 않는다. 왜냐하면 재료를 전자현미경으로 들여다 보면 구성 입자들의 형상, 크기 그리고 결합되어 있는 조직이 일정하지 않기 때문이다. 하지만 재료를 균질하다고 가정하는 것은 이러한 미세한(micro) 구성 입자 수준을 의미하는 것이 아니라, 재료의 물성이 거시적(macro)인 측면에서 측정하였을 때 그 값들이 재료 내 각 지점에서 거의 동일하다는 것을 의미한다. 단일 재질로 구성되어 있는 대부분의 금속, 플라스틱, 유리 등은 균질한 재료로 가정한다. 균질하지 않은 대표적인 재료로는 두 가지 이상의 재질로 구성되어 있는 복합재를 들 수가 있다.
참고로 균질성과 함께 재료를 크게 구분하는 용어에는 등방성(isotropy)과 이방성(anisotropy)이 있다. 이 용어는 재료의 물성치가 위치에 따라 균일한가 아닌가를 판단하는 것이 아니라, 방향에 따라 재료 물성치(material property)가 불변인가 그렇지 않은가를 구분하기 위해 사용된다.
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물체는 힘이나 열과 같이 외부로부터 자극을 받으면 그 형상이 변하는 변형(deformation)을 일으킨다. 물체는 외부로부터 자극을 받으면 변형에 저항하려는 성질과 변형을 그대로 유지하려는 두 가지 상반된 성질을 나타낸다. 전자를 탄성 (elasticity)이라고 부르고 후자를 소성(plasticity)이라고 부른다.
탄성은 외부로부터 받은 자극이 제거되면 물체를 원래 형상으로 복원시키려는 성질인 반면, 소성은 외부의 자극이 제거되어도 변형을 그대로 유지하려는 성질이다. 모든 물질은 이 두 가지 성질을 지니고 있으며, 외부 자극의 크기에 따라 두 성질 중 어느 것이 우세한지가 좌우된다.
일반적으로 외부 자극이 커질수록 소성이 증가한다. 이 특성을 이용한 대표적인 것이 금속 판을 구부리거나 찍어서 원하는 형상의 제품으로 가공하는 것이다. 자동차를 위시한 대부분의 조립체를 구성하는 부품들은 소성을 이용하여 원하는 형상으로 변형시켜 가공한 것들이다.
참고로 외부 자극이 커질수록 소성이 증가하지만, 미소한 량의 탄성은 여전히 남아있다. 그래서 물체에 변형을 가하여 원하는 형상으로 만들었다고 하더라도 외부 자극을 제거하면 어느 정도 원래 모양으로 복원하려는 스프링 백(spring back) 거동을 나타낸다. 따라서 소성변형을 이용하여 부품을 제작하고자 할 경우, 이 스프링 백 량을 미리 예측하여 구부리거나 찌그러뜨리는 량을 결정해야 한다.
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