3D 기계 설계에서는 기본적인 강도 계산을 합니다만, 아무래도 강도 부족으로 인한 결함은 없어지지 않습니다. 개별 부품의 강도를 완벽하게 계산하지 않는 이유입니다. 그러나 설계자가 계산을 잊은 것은 아니며 계산할 수 없었습니다. 그 대책으로서 3D CAD를 사용하면 부품의 강도를 의식한 기계 설계를 할 수 있습니다.
목차
부품의 강도란?
강도의 정의는 재료가 가지는 변형이나 파괴에 대한 저항력입니다. 간단히 말하면 수지 부품은 손으로 구부릴 수 있지만 같은 형상의 철제 부품은 손으로 구부러지지 않기에 강도가 있다고 할 수 있습니다. 기계 설계에 관련된 학문에 “재료역학”이 있으며 강도에 관련된 요소로서 “응력”과 “변형”이 있어 계산 방법도 확립하고 있습니다.
강도를 계산할 수 없는 이유
기계를 구성하는 부품에서 완벽하게 강도 계산되는 것은 적습니다. “기어”, “볼트”, “보” 등입니다. 이유는 재료 역학의 공식으로 간단하게 계산할 수 있는 단순 형상이기 때문입니다. 그러나 다른 부품 형상은 단순하지 않으므로 공식을 사용할 수 없습니다. 거기서 설계자는 경험과 감으로 강도를 추측하여, 마지막 시험 제작 실험으로 추측이 맞는지 검증하는 것입니다. 그 결과, 추측을 잘못할 때마다 설계 변경이 필요하게 되어 개발 기간이 늘어납니다.
아래 그림의 예에서 설명하면 왼쪽 판금 부품은 단순 형상이므로 공식으로 계산할 수 있지만 홀이 있는 2개의 판금 부품은 강도를 계산할 수 없습니다. 그렇다면 이 부품의 중앙에 하중이 가해지면 홀이 한 개의 경우와 두 개의 경우 중에 어느 강도가 높습니까?
홀이 적은 쪽이, 면적이 크고 강도가 높다고 추측할 수 있지만 확신합니까? 설계자는 매일 이러한 판단을 경험과 감에 근거하여 실시합니다.
실제의 강도를 CAE로 해석한 응력 분포를 아래에 기재합니다.
홀이 한 개인 판금 부품이 응력이 높은 부분(색이 짙은 부분)이 많아 강도가 낮다는 것을 알았습니다. 실은 추측과는 반대의 결과였던 것입니다.
3D CAD로 강도를 시각화
경험과 감에 의한 강도 검토는, 대면에서의 진찰만으로 체내의 병소를 말하는 것과 같습니다. 실제 의사는 엑스레이, MRI 등을 이용하여 체내의 병소를 시각화하여 정확하게 진단을 실시합니다.
3D CAD에서는 CAE라고 하는 해석 툴을 이용할 수 있어 위 그림과 같은 부품의 응력 분포를 시각화할 수 있습니다. 이것으로 경험과 감에 의지하지 않고 정확하게 진단을 할 수 있으므로, 강도를 의식한 설계가 가능하게 됩니다.
항상 강도를 의식한 설계
설계 도중 부품 형상은 매일 변합니다. 3D CAD와 연동한 CAE는 부품의 변화에 맞추어 강도를 시각화할 수 있기에 설계자는 항상 강도를 의식한 설계를 할 수 있으며 재작업의 삭감과 품질 향상에 의해 개발 기간을 단축할 수 있습니다.
＊현재의 CAE는 설계자가 계산기 대신에 이용할 수 있을 만큼 조작이 간단하게 되었기 때문에 설계자에게 적극적으로 이용되는 설계자 CAE라고 불립니다.
