디자인 검증을 위한 CFD(유체역학 해석)와 FEA(유한 요소 해석)의 차이와 이해

제품 설계 과정에서 성능을 평가하고 개선하는 중요한 단계가 바로 디자인 검증입니다.

이를 위해 엔지니어들은 “CFD(유체역학 해석)”과 “FEA(유한 요소 해석)”이라는 두 가지 해석 기법을 주로 활용합니다.

이 두 가지 방법은 모두 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물리적 현상을 예측하는 방식이지만, 다루는 대상과 분석 방법에서 큰 차이가 있습니다.

이번 글에서는 CFD와 FEA의 차이점을 이해하고, 각 방법이 디자인 검증에서 어떤 역할을 하는지 자세히 알아보겠습니다.

 

 

CFD(유체역학 해석)란?

CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)는 유체(액체, 기체)의 흐름을 분석하는 시뮬레이션 방법입니다. CFD는 복잡한 유체의 운동과 그로 인한 현상을 수치적으로 계산하여 예측하는 방식으로, 유체가 제품에 미치는 영향이나 유체 속에서 제품이 어떻게 작동하는지를 평가할 때 사용됩니다.

 

CFD의 주요 활용 사례

• 공기역학 설계: 자동차, 항공기, 드론 등의 설계에서 공기 저항을 줄이기 위해 CFD를 사용하여 흐름을 시뮬레이션하고 최적의 형상을 찾아냅니다.
• HVAC(냉난방, 환기): 건물 내 공기 흐름을 예측해 효율적인 냉난방 설계를 할 수 있습니다.
• 열 전달 분석: 전자제품에서 발열 부품이 어떻게 열을 발산하고, 냉각 효율을 높이기 위해 열이 어떻게 흐르는지 분석할 때 사용됩니다.
• 유체 흐름 제어: 파이프, 밸브, 펌프 등의 내부에서 유체가 어떻게 흐르는지를 분석해 최적의 설계를 도출할 수 있습니다.

 

CFD의 핵심 원리

 

CFD는 “나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)”이라는 유체 역학 방정식을 기반으로 유체의 속도, 압력, 밀도 등을 계산합니다. 이 방정식은 유체의 운동을 기술하는 중요한 수학적 모델입니다. 유체의 흐름은 매우 복잡한 난류와 층류로 나뉘며, CFD는 이러한 흐름을 수치적으로 해결하여 유체가 물체에 미치는 영향을 분석합니다.

CFD의 시뮬레이션 과정은 다음과 같습니다:

1. 모델 생성: 분석할 제품의 3D 모델을 CAD로 설계하고, 그 주변의 유체 영역을 정의합니다.
2. 메시(mesh) 생성: 유체 영역을 작은 셀로 나누어 계산할 수 있는 단위로 분할합니다. 이 메시가 세밀할수록 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
3. 경계 조건 설정: 유체의 입구, 출구, 속도, 압력 등의 조건을 설정하여 현실적인 환경을 시뮬레이션합니다.
4. 시뮬레이션 실행: 나비에-스토크스 방정식을 풀어 유체의 운동을 계산하고, 그 결과를 시각화하여 분석합니다.

FEA(유한 요소 해석)란?

FEA(Finite Element Analysis, 유한 요소 해석)는 구조물의 기계적 성능을 분석하는 기법입니다. FEA는 물체에 가해지는 응력, 변형, 진동, 열 등을 계산하여 물체가 외부 힘이나 하중에 어떻게 반응하는지를 평가합니다. 이 기법은 물체를 작은 유한 요소로 나누어 각각의 요소가 받는 물리적 현상을 계산하고, 이를 종합하여 전체 구조물의 거동을 예측합니다.

 

FEA의 주요 활용 사례

• 기계 부품 설계: 기어, 베어링, 프레임 등 부품에 가해지는 하중에 대해 응력과 변형을 분석하여, 설계가 안전한지 검증합니다.
• 건축 구조물 분석: 빌딩, 다리, 터널 등의 구조물에 가해지는 하중과 진동을 평가하여 구조적 안정성을 보장합니다.
• 열 응력 분석: 전자제품, 터빈 등의 설계에서 열에 의한 응력과 변형을 평가해, 온도 변화에 대한 안전성을 검증할 수 있습니다.
• 피로 및 파괴 분석: 부품이 반복적인 하중을 받을 때 발생하는 피로와 그로 인한 파괴 가능성을 예측해, 제품의 수명을 평가합니다.

 

FEA의 핵심 원리

 

FEA는 물체를 수학적으로 작은 요소들로 분해한 후, 각 요소에서 발생하는 물리적 현상을 계산하여 전체 물체의 거동을 분석합니다. 이 계산은 주로 응력-변형 관계와 뉴턴의 운동 법칙을 바탕으로 하며, 시뮬레이션을 통해 힘이 어떻게 분산되고 물체가 어떻게 변형되는지를 예측합니다.

FEA 시뮬레이션의 단계는 다음과 같습니다:

1. 모델 생성: 분석할 구조물의 3D 모델을 CAD로 생성합니다.
2. 메시 생성: 구조물을 작은 유한 요소로 분할하여 계산 단위로 나누고, 이 요소들이 서로 연결된 형태를 만듭니다.
3. 하중 및 경계 조건 설정: 물체에 가해지는 외부 하중과 고정된 경계 조건을 설정합니다.
4. 해석 실행: 요소별로 응력, 변형, 변위 등을 계산하고, 전체 물체의 거동을 예측합니다.

 

CFD와 FEA의 차이점

1. 대상 분석 영역

• CFD는 유체(액체, 기체)의 흐름을 분석하는 데 중점을 두며, 물체가 유체 내에서 받는 영향을 시뮬레이션합니다. 주로 유체가 고체 물체에 미치는 압력, 속도, 열 전달 등을 평가합니다.
• FEA는 구조물에 가해지는 응력, 변형, 진동 등 기계적 성능을 분석하는데 초점을 맞춥니다. 고체 물체가 외부 하중에 어떻게 반응하는지를 평가하고, 그로 인해 발생하는 물체의 변형과 응력을 계산합니다.

2. 물리적 해석 방식

• CFD는 유체의 운동 방정식을 풀어 유체가 시간에 따라 어떻게 움직이는지를 계산하며, 나비에-스토크스 방정식이 핵심입니다.
• FEA는 구조물 내부의 응력과 변형을 계산하는데, 이는 선형 및 비선형 구조 해석 방정식을 통해 수행됩니다. FEA는 물체의 고정된 형상에서 발생하는 변형을 분석하는 데 중점을 둡니다.

3. 분석하는 물리적 요소

• CFD는 주로 속도, 압력, 유동, 온도 등의 유체 특성을 시뮬레이션합니다.
• FEA는 응력, 변형, 진동, 변위, 열 응력 등을 계산하여 구조물의 안전성을 평가합니다.

4. 적용 분야

• CFD는 공기역학, 유체 흐름 최적화, 열 전달 분석 등 유체가 중요한 역할을 하는 분야에서 사용됩니다.
• FEA는 기계 부품 설계, 건축 구조물 안전성 평가, 전자기기 열 응력 해석 등 구조물의 기계적 성능을 평가하는 데 적합합니다.

 

도표정리

 

CFD와 FEA의 특징 비교

특징	CFD(유체역학 해석)	FEA(유한 요소 해석)
분석 대상	유체(액체, 기체) 흐름	구조물의 기계적 성능
핵심 원리	나비에-스토크스 방정식	응력-변형 관계 해석
분석 요소	속도, 압력, 온도, 유동	응력, 변형, 진동, 변위
적용 분야	공기역학, 열 전달, 유체 흐름	기계 부품, 건축 구조물, 열 응력
해석 방식	유체의 운동 방정식 해석	고체 구조물의 하중 반응 해석
결과물	유체의 흐름 시각화, 온도 분포, 유동 패턴	응력 분포, 변형량, 안전성 평가

 

CFD와 FEA를 결합한 통합 해석

최근에는 CFD와 FEA를 통합한 해석을 사용하는 경우도 많습니다. 예를 들어, CFD로 유체가 물체에 미치는 압력과 힘을 계산하고, 그 데이터를 FEA로 넘겨 물체가 그 힘에 어떻게 반응하는지를 평가할 수 있습니다. 이러한 통합 해석은 더욱 정밀하고 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 해 줍니다.

 

2줄 요약

CFD와 FEA 두 해석 기법은 서로 다른 물리적 현상을 다루지만, 모두 디자인 검증 과정에서 중요한 역할을 합니다.

 

결론

둘 다 공부하자