기계설계를 하면서 도면만으로는 알 수 없는 것이 하나 있습니다. 바로, **실제로 이 구조가 하중을 견딜 수 있을까?**라는 물음이죠. 이러한 물리적 문제를 수치적으로 해결해주는 대표적인 기법이 바로 FEM(유한요소법, Finite Element Method)입니다. FEM은 구조물의 응력, 변형, 안전율 등을 해석하여 설계가 타당한지 미리 검증할 수 있게 해주며, CAD와 연동해 사용하는 경우도 많습니다. 이번 글에서는 FEM의 개념부터 해석 절차, 실무 적용 사례까지 핵심 내용을 알기 쉽게 정리했습니다.
1. FEM(유한요소법)이란?
복잡한 구조를 작게 나눠 푸는 해석 방법
FEM은 전체 구조를 수많은 작은 요소(Element)로 분할한 뒤, 각 요소에서의 물리적 거동을 계산하고 전체 구조의 해석 결과를 얻는 방법입니다. 직접 계산이 어려운 복잡한 형상을 수치적으로 처리할 수 있는 장점이 있습니다.
FEM은 어디에 사용될까요?
- 기계 부품 응력/변형 해석 - 자동차 충돌 해석 - 항공기 날개 구조 해석 - 플라스틱 금형 변형 예측 - 열 해석 및 진동 해석 등 다양한 물리 영역에 적용
2. FEM 해석 절차 요약
1) 모델링
CAD 도면을 기반으로 해석 가능한 3D 형상을 준비합니다. 불필요한 디테일은 단순화하는 것이 일반적입니다.
2) 메쉬 생성
모델을 수많은 작은 요소(삼각형, 사각형 등)로 나누는 과정입니다. 요소가 작을수록 정밀하지만 계산 시간은 늘어납니다.
3) 물성치 입력
재료의 탄성계수, 포아송비, 밀도 등을 입력합니다. 이 데이터는 해석 정확도에 큰 영향을 줍니다.
4) 경계조건 설정
- 고정 조건(Fixed), 구속 방향 지정 - 외력, 압력, 하중, 토크 등 작용 조건 설정
5) 해석 실행
소프트웨어가 자동으로 방정식을 구성하여 해를 구합니다. 결과는 응력 분포, 변형량, 안전율 등으로 확인됩니다.
6) 결과 해석
- 응력 집중 부위 파악 - 허용응력과 비교해 구조 안전성 판단 - 필요시 재설계 및 반복 해석
3. FEM의 주요 해석 결과
1) 등가응력(Von Mises Stress)
재료가 항복되는지를 판단하는 기준으로 가장 많이 보는 결과입니다. 허용응력보다 작아야 안전합니다.
2) 변위(Displacement)
외력을 받았을 때 부품이 얼마나 움직이는지를 나타냅니다. 너무 크면 기능 이상 또는 파손 가능성이 생깁니다.
3) 안전율(Safety Factor)
허용값 대비 실제 응력 비율로 계산되며, 일반적으로 1.5~3 이상이면 안정적이라고 봅니다.
4. FEM의 장점과 한계
장점
- 시제품 없이 설계 검증 가능 - 시뮬레이션을 통한 구조 최적화 가능 - 다양한 하중 조건을 빠르게 테스트
한계
- 재료 비선형, 접촉, 피로 해석 등은 고급 설정이 필요 - 해석 결과는 설정 조건에 따라 달라질 수 있음 → ‘절대적 진실’이 아님 - 계산 리소스와 시간도 고려 필요
5. 실무에서 자주 쓰는 FEM 소프트웨어
- SolidWorks Simulation: CAD 통합형, 기초 구조 해석에 적합
- ANSYS: 고정밀, 열/진동/비선형 해석 가능
- ABAQUS: 접촉 해석, 충격 해석에 강점
- Fusion 360 Simulation: 클라우드 기반 해석 포함
마무리하며
FEM은 단순한 해석 툴을 넘어서, 제품의 성능과 신뢰성을 사전에 확보할 수 있는 강력한 설계 도구입니다. 처음엔 어려워 보일 수 있지만, 기본 원리를 이해하고 간단한 모델부터 해석을 시도해보면 충분히 익숙해질 수 있습니다. 설계 단계에서 FEM을 적절히 활용하면 비용을 줄이고 실패 없는 제품 개발이 가능해집니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
1. FEM 해석을 꼭 해야 하나요?
모든 설계에 필수는 아니지만, 구조적 안정성이 중요한 부품이나 외력이 큰 제품일수록 해석이 권장됩니다.
2. 메쉬는 무조건 촘촘할수록 좋은가요?
메쉬가 너무 촘촘하면 계산 시간이 급증하며, 효과가 크지 않은 경우도 많습니다. 중요한 부위만 정밀하게 분할하는 게 효율적입니다.
3. 해석 결과가 실제 제품과 100% 일치하나요?
FEM은 이상적인 조건에서 시뮬레이션한 결과이므로, 실제 환경과 오차가 있을 수 있습니다. 보수적으로 해석하고 시험 결과로 보완하는 것이 일반적입니다.