FEA(Finite element analysis)는 잠재적인(또는 존재하는) 구조적 또는 성능상의 문제를 찾고 해결하기 위한 목적으로 가상 환경에서 제품 및 시스템을 모델링하는 것입니다. FEA는 엔지니어와 과학자들이 매우 복잡한 구조, 유체 및 복합 문리적 문제를 수학적으로 모델링하고 수치적으로 해석하기 위해 사용하는 FEN(Finite Element Method)의 실용적인 활용입니다. FEA 소프트웨어는 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있지만, 항공, 생화학 및 자동차 산업 등에서 가장 널리 이용되고 있습니다.

FE(Finite Element) 모델은 설계의 형상을 만드는 "노드"라고 불리는 포인트 시스템으로 구성되어 있습니다. 이들 노드에 연결된 것은 유한 요소 그 자체로서 유한 요소 메시(mesh)를 형성하며 모델의 재료 및 구조적 속성을 포함하여 특정 조건에서 어떻게 반응하는지를 정의합니다. 유한 요소 메시의 밀도는 특정 영역의 응력 수준 내 예측된 변경에 따라 재료 전반에 걸쳐 차이가 있을 수 있습니다. 응력에 대한 많은 변경을 경험한 지역은 일반적으로 응력 변동을 거의 또는 전혀 경험하지 않은 지역보다 높은 메시 밀도를 요구합니다. 관심 지점은 이전에 테스트된 재료의 파손 지점, 필렛(fillets), 코너, 복합 세부 사항, 고응력 영역 등이 포함될 수 있습니다.

FE 모델은 1차원(1D 빔), 2차원(2D 쉘) 또는 3차원(3D 솔리드) 요소를 이용하여 생성될 수 있습니다. 솔리드 요소 대신 빔(beam) 및 쉘(shell)을 이용함으로써 정확성을 저하시키지 않고 보다 적은 수의 노드를 이용하여 표현 모델을 만들 수 있습니다. 각 모델링 체계는 다음과 같이 다양한 속성을 정의하도록 요구합니다.

• 단면 영역(Section areas)
• 관성 모멘트(Moments of inertia)
• 비틀림 상수(Torsional constant)
• 금형판 두께(Plate thickness)
• 휨 강도(Bending stiffness)
• 횡 전단(Transverse shear)

FEA 내에서 실제 작업 환경에 미치는 영향을 시뮬레이션하기 위해 다음과 같이 다양한 하중 유형이 FE 모델에 적용될 수 있습니다.

• 노달(Nodal): 힘, 운동, 변위, 속도, 가속도, 온도 및 열 흐름
• 자연(Elemental): 분산 하중, 응력, 온도 및 열 흐름
• 가속 물체 하중(중력)

해석의 유형은 다음과 같습니다.

• 선형 정적(linear statics) 정적인 하중 및 제약 조건을 적용한 선형 해석
• 비선형 정적 및 동적: 접점(모델의 한 파트가 다른 파트와 만나는 지점), 비선형 재료 정의(가소성, 탄성 등) 및 대규모 변위(선형 해석 접근 방식을 제한하는 소규모 변위 이론을 능가하는 변형)로 인한 영향
• 정규 모드(normal modes) 진동의 자연 주파수
• 동적 응답(dynamc response) 시간 및 빈도가 다른 하중 또는 동작
• 버클링(buckling) 구조가 불안정해지는 임계 하중
• 열전도(heat transfer) 전도, 방사 및 상 변화(phase change)

솔버를 이용해 계산한 일반적인 결과에는 다음이 포함됩니다.

• 절점 범위(Nodal displacements), 속도 및 가속도
• 자연력, 변형율 및 응력

FEA의 이점

FEA는 새로운 제품을 설계하거나 기존 제품을 개선하는 데 사용되어 해당 설계가 제조 단계로 넘어가기 전에 사양대로 실행될 수 있도록 보장합니다. FEA를 통해 다음과 같은 이점을 실현할 수 있습니다.

• 제품 성능 및 안정성의 예측 및 향상
• 물리적 프로토타입 제작 및 테스트 감소
• 다양한 설계 및 재료 평가
• 설계 최적화 및 재료 사용량 감소

FEA Software

FEA 소프트웨어 애플리케이션의 예는 다음과 같습니다.

NX NastranNX Nastran 은 응력, 진동, 구조적 오류/내구성, 열 전달, 음향/소음 및 플러터/공력 탄성을 해석하는 유한 요소 솔버입니다.

Femap은 첨단 엔지니어링 FEA를 위한 CAD 독립적인 Windows 기반 pre/post-processor입니다. 이 제품은 가장 복잡한 작업이라도 쉽고 정확하고 경제적으로 처리할 수 있는 FEA 모델링 솔루션을 엔지니어 및 애널리스트에게 제공합니다.

Solid Edge Simulation은 설계 엔지니어들이 Solid Edge 환경 내에서 디지털 방식으로 파트와 어셈블리 설계를 검증할 수 있도록 돕는 기본 내장된 FEA 입니다. 입증된 Femap 유한 요소 모델링 기술을 기반으로 하고 있는 Solid Edge Simulation은 물리적 프로토타입의 필요성을 크게 줄여 재료와 테스트 비용을 절감하는 한편 설계 시간을 단축시켜줍니다.

FEA 소프트웨어 개발자들은 다음과 같은 소프트웨어 컴포넌트를 애플리케이션을 위한 토대로서 사용하고 있습니다.

The NX Nastran SDK는 다양한 기업 환경에서 소프트웨어 개발자들이 NX Nastran의 위력과 기능을 활용할 수 있도록 돕는 소프트웨어 개발 키트입니다.

Parasolid는 3D 지오메트리 모델링 컴포넌트 소프트웨어로서 Parasolid 기반 제품의 사용자들이 복잡한 파트와 어셈블리를 모델링할 수 있도록 지원합니다. 이는 수백 여 개의 다양한 CAD, CAM 및 CAE 애플리케이션에서 지오메트리 엔진으로 사용됩니다.