목차
Part 1. 고체 역학과 유한 요소 해석의 기본 개념
고체 역학(Solid Mechanics)는 외부 하중의 작용에 의한 고체의 변형과 운동, 응력을 연구하는 학문입니다. Part 1.에서는 구조 해석을 수행하기 위해 반드시 알고 있어야 하는 고체 역학의 필수 개념에 대해서 소개합니다. 구조 해석을 수행하는 엔지니어는 고체 역학에서 설명하는 변형률(Strain), 응력(Stress), 탄성계수(Elastic modulus), 안전율(Factor of safety) 등의 용어를 이해해야만 합니다.
일반적으로 구조 설계는 구조물의 안전성과 파손 여부를 판단하기 위해 항복(Yeilding)의 발생 여부와 실제 인장 시험으로 측정한 항복 응력과 실제 응력 계산에 관심을 가지고 제품의 안전성을 판단하고 평가합니다.
유한요소법(Finite Element Method)은 모델을 우리가 계산할 수 있도록 유한 개의 요소 단위로 분할하고 개별 요소 단위의 특성을 계산한 후 전체 요소의 특성을 모두 조합하여 전체 모델의 특성을 근사적으로 계산하는 방법입니다. 구하고자 하는 미지수가 위치의 함수로 정의되는 장(Field) 문제의 해를 계산하는 수치적인 근사해법으로 미분 방정식을 연립대수 방정식(Ku=F 행렬식)으로 변환하여 계산합니다.
구조 해석을 수행하기 위해 사용하는 요소의 종류(1D, 2D, 3D, 기타), 요소 생성 방법, 해석 수행 시 유의점 등을 소개합니다.
Part 2. 해석 모델, 하중/경계 조건, 결과 분석의 올바른 사용
해석 모델은 엔지니어가 관심을 갖는 대상 영역을 의미합니다. 해석 목적과 원하는 결과에 따라 적절하게 선택하여 유한 요소 모델로 표현해야 합니다. 이때, 해석 모델의 움직임과 변형을 유발하는 원인을 하중으로 정의하고 해석 모델의 움직임과 변형을 제한(억제)하는 조건을 경계 조건으로 정의합니다.
Part 3. 구조 해석의 분류와 올바른 해석 종류의 선택
구조 해석은 진동학(Mechanical vibration) 학문에서 찾아 볼 수 있는 운동방정식을 기반으로 문제를 정의합니다. 이때 운동 방정식의 각 항(관성력, 감쇠력)의 포함과 사용 방법에 의해 구조 해석의 종류를 결정해야 합니다. 일반적으로 해석 종류는 관성력과 감쇠력을 고려하지 않는 정적인 상황에 대한 계산을 실행하는 정적해석(Static analysis)와 그렇지 않은 경우에 대한 계산을 수행하는 동해석(Dynamic analysis)으로 나뉩니다.
Part 4. 선형 정적, 모드, 피로 해석의 기초 이론과 결과 분석
해석을 수행하는 엔지니어는 구조물의 거동에 대해 몇 가지 가정에 의해 후크의 법칙(Hook's law)을 따라 거동하는지, 후크의 법칙이 성립하지 않는 영역에 따라 거동 하는지 고려해야 합니다. 이로 인해 해석 종류는 선형, 비선형으로 나뉘게 됩니다. 모드 해석은 구조물의 고유진동수를 계산하고 각 고유진동수에서 구조물의 변형 형상을 계산합니다. 피로 해석은 피로(Fatigue)에 의한 구조물의 파손 발생 여부와 반복 하중을 받는 구조물의 사용 수명을 예측할 수 있습니다.
