설계자 및 엔지니어가 설계 단계에서 설계에 대한 검증을 수행하기 위한 유한 요소 해석은 더 이상 선택이 아닌 필수가 되고 있다. 설계자 및 엔지니어가 설계 검증도구로 활용할 수 있는 솔리드웍스 시뮬레이션은 3D CAD와 유한 요소 해석을 위한 통합 환경을 제공해 설계자가 신속하게 결정을 내릴 수 있도록 도와준다.

■ 조윤태 | 다쏘시스템코리아의 차장으로 솔리드웍스 기술영업을 담당하고 있다.

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설계자는 제품을 설계할 때 하나의 설계안에 대해서만 고려하지 않는다. 매우 다양한 형태로 설계 시나리오를 구상하고 그렇게 설계했을 때 제품의 요구 조건 및 성능조건을 만족하는지에 대해서 확인한다. 과거의 경험이나 데이터를 활용하기도 하고, 간단한 수식을 이용하여 해당 설계에 대해서 요구 조건의 만족 여부를 파악한다. 하지만 이런 방법들은 불확실성과 위험성을 많이 포함하고 있으며, 문제가 복잡해질 경우 계산하기 어려워진다. 과거에 경험했던 것과 유사한 형태의 모델이라면 문제가 없겠지만, 신규 개발 모델이라면 과거의 경험이나 데이터가 존재하지 않기 때문에 시제품 제작 후 물리 테스트를 진행하여 검증해야 한다.

이 과정에서 시제품 제작 비용 뿐만 아니라 테스트를 위한 비용이 발생하게 된다. 그리고 이 테스트를 진행할 때 발생할 수 있는 여러 가지 오류와 오차에 대해서 어떻게 처리할 것인지 고민해야 한다. 시간도 많이 필요한 과정이지만 설계자들에게는 언제나 충분한 시간이 주어지지 않는다는 문제에 당면하게 된다. 불확실성과 위험성을 배제하면서 자신의 설계에 대해서 확신을 가지고 신속하게 결정을 내릴 수 있도록 도와주는 도구가 필요하다. 이러한 도구가 있다면 설계가 진행되는 동안에 설계자가 직접 자신의 설계에 대해서 검증할 수 있고 설계에 더 집중할 수 있으며 확신을 가지고 설계를 신속하게 진행할 수 있을 것이다.

솔리드웍스 시뮬레이션(SOLIDWORKS Simulation)은 이러한 고민을 가지고 있는 설계자, 엔지니어 등 제품 개발 및 설계 관련 업무에 종사하는 사람이라면 누구나 쉽게 적용할 수 있는 유한 요소 해석(FEA : Finite Element Analysis) 소프트웨어이다. 솔리드웍스 시뮬레이션은 설계 단계에서 설계 작업이 진행되는 동안에 3D CAD 데이터를 이용하여 가상 공간에서 설계에 대한 검증이 가능하다. 이를 통해 설계가 진행되는 동안 설계 검증이 진행되는 동시 병행 엔지니어링(Concurrent Engineering)을 구현하여 제품 개발 비용 및 기간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 엔지니어링 도구로 활용할 수 있다.

솔리드웍스 시뮬레이션 제품은 3개의 패키지로 구성되어 있는데 패키지별로 수행할 수 있는 해석의 종류에 차이가 있다.

솔리드웍스 시뮬레이션 스탠더드(SOLIDWORKS Simulation Standard)는 가장 기본적인 구조 해석 중 하나인 선형 정적 해석을 수행할 수 있으며, 빠르게 제품의 응력 분포와 변위를 파악하여 설계를 개선할 수 있는 정보로 활용할 수 있다. 시간 기반 모션 시뮬레이션은 시간에 따라서 순차적으로 발생하는 구동 메커니즘에 대한 검증 용도로 활용 가능하다. 지속적으로 반복하여 작용하는 하중에 의한 제품의 수명을 예측하기 위해서 사용되는 피로 해석 또한 포함되어 있다.

솔리드웍스 시뮬레이션 프로페셔널(SOLIDWORKS Simulation Professional)은 스탠더드보다 더 다양한 종류의 해석을 수행할 수 있는 패키지이다. 전도, 대류, 복사와 같은 열 전달 메커니즘을 모두 고려하여 제품의 전체적인 온도 분포를 확인하고 제품을 개선할 수 있도록 도와주는 열 전달 해석 기능이 포함되어 있다. 제품의 고유진동수를 계산하여 공진을 회피할 수 있는 정보를 제공해주는 고유진동수 해석을 수행할 수 있다. 길고 가느다란 구조물에서 많이 발생하는 좌굴의 발생 가능성에 대해서 판단할 수 있는 정보를 획득하여 좌굴이 발생하지 않도록 설계를 개선할 수도 있다. 제품이 일정 높이 및 각도로 강체 혹은 유연체 바닥과 충돌하는 순간에 제품에서 발생하는 응력 분포를 확인할 수 있도록 도와 주는 낙하 테스트 또한 포함되어 있다.

솔리드웍스 시뮬레이션 프로페셔널에서 사용 가능한 이벤트 기반 모션 시뮬레이션은 특정 조건을 만족시켰을 때 다음 이벤트가 발생하도록 설정하여 시뮬레이션함으로써 시간 기반 모션 시뮬레이션보다 더 실제와 유사한 시뮬레이션이 가능하다. 다양한 하중이 적용되어 해석이 까다로운 압력 용기에 대해서는 하중을 여러 형태로 구분하여 별도로 해석을 수행한 후 응력 선형화 기법을 적용하여 여러가지 형태의 하중을 고려한 해석 결과를 빠르게 구할 수 있다. 

형상 및 재질에 대한 최적화가 가능한데 변수, 구속 조건, 최적화 목표를 설정하면 솔리드웍스 시뮬레이션이 여러 가지 설계 시나리오를 작성하고 해석을 자동으로 수행한 후 구속 조건을 만족시키면서 최적화 목표와 근사한 값을 갖는 설계안을 사용자에게 제시해준다. 하위 모델링(Submodeling) 기능을 이용하면 전체 모델에 대한 해석을 수행한 후 사용자가 원하는 영역을 보다 세부적으로 해석을 수행하여 해석의 정확도를 향상시키면서 빠르게 해석 결과를 얻을 수 있다. 

솔리드웍스 시뮬레이션 프리미엄(SOLIDWORKS Simulation Premium) 패키지에는 동적 해석과 비선형 해석이 포함되어 있다. 관성력과 감쇠력을 고려하여 해석을 수행하는 동적 해석 뿐만 아니라 기하, 재질, 경계조건 비선형을 고려한 비선형 모델에 대한 해석도 수행 가능하다. 여러 가지 재질을 일정 두께 및 방향으로 적층하여 제작되는 복합재에 대한 해석도 가능하도록 구성되어 있다.