기구 엔지니어에게 재료역학의 의미

기구 엔지니어와 재료역학

기구 엔지니어라면 재료역학은 중요합니다. 누군가 어떤 역학이 제일 중요하다라고 묻는다면 모든 역학이 중요하다고 답할 것 같습니다. 하지만 기구 엔지니어에게 가장 범용적으로 필요한 역학이 무엇이냐고 묻는다면 재료역학이라고 답할 것 같습니다. 그 이유는 재료역학은 움직이지 않는 고정된 물체의 응력을 계산하는 역학이기 때문입니다.

따라서 대부분 움직이지 않고 고정적인 부품들을 설계할 때는 재료역학적 고려가 들어가야 합니다.

재료역학적 고려라고 하여 거창하게 생각할 필요는 없습니다. 학부에서 배웠던 것처럼 심오한 계산을 사용하는 것은 아닙니다. 현업에서 응력 계산이 필요할 때 노트를 펴서 손으로 계산하지 않습니다. 정말 계산이 필요하다면 CAE 툴을 사용하여 계산을 합니다. CAE 툴이 너무 뛰어나서 복잡한 계산을 직접할 필요가 없습니다. 소요되는 시간도 짧습니다. 간단한 계산이라면 결과값이 몇 분내로 나옵니다. 길어야 몇 시간 넘지 않습니다. 물론 난이도에 따라서 시간은 정해집니다. 다시 주제로 돌아가겠습니다. 재료역학적 계산을 직접할 필요는 없지만 개념은 가지고 있어야 합니다. 왜냐하면 기구 엔지니어는 설계를 할 때 직관적으로 판단할 일이 많습니다. 형상을 설계하는 방법은 전 세계 인구수와 동일할 것입니다. 그 말은 정해진 하나의 정답은 없습니다.

누가 설계하느냐에 따라 다양한 형상이 나올 수 있습니다.

모든 것이 다 정답일 수 있습니다. 기구 엔지니어의 설계는 백 퍼센트 정답을 원하는 것이 아닙니다. 기준에 따라 80퍼센트 혹은 90 퍼센트일 수도 있습니다. 설계는 모든 것을 만족하는 정답을 추구하는 것이 아닙니다. 그렇다고 하여도 정말 아닌 답도 있습니다. 그런 답들은 재료역학적 고려가 담기지 않은 설계일 것입니다. 재료역학을 고려한 설계라는 것은 힘의 취약부를 사전에 고려하는 것입니다. 기계공학을 전공하고 역학을 충실히 배웠다면 어느 부위가 응력 집중이 발생할지 알 수 있습니다. 물론 역학을 배우지 않은 일반인들도 본능적으로 알 수 있습니다. 다만 역학을 체계적으로 배웠다면 형상을 보고 판단할 수 있는 틀을 가지고 있을 것입니다. 거기에 현업에서 경험이 많이 쌓으면 당연히 설계에 대한 감도 생깁니다. 재료역학적 고려가 중요한 이유는 문제를 미리 판단할 수 있다는 데에 있습니다.

설계를 하다보면 중요한 것 중 하나는 바로 강도입니다.

제품은 모든 사용환경을 고려할 수 없습니다. 따라서 정말 비정상적 환경에 놓일 때도 있습니다. 어떤 사용자가 사용하느냐에 따라서 정말 이상한 환경에서 제품이 동작할 경우도 있다는 의미입니다. 그런 경우 동작을 하지 않을 수도 있습니다. 그렇다 하더라도 최소한 제품의 파손은 일어나지 않아야 합니다. 육안으로 보이는 파손이 발생한다면 제품에 대한 신뢰 뿐만 아니라 소비자 피해도 발생할 수 있습니다. 따라서 기구 엔지니어라면 제품의 강도를 항상 생각해야 합니다. 이렇나 강도를 생각할 때 재료역학적 고려가 필요합니다. 이러한 개념을 가지고 있다면 설계할 때 어느 부위가 취약할지 판단할 수 있습니다. 판단을 하는 것이 중요합니다. 하지만 판단만 하는 것은 아무런 의미가 없습니다. 대책이 들어가야 합니다. 예를 들어 한 부위가 약할 것 같다는 생각이 들었다면 그 부위를 보강해주어야 합니다. 어떻게 보강할 수 있을까요? 보강 방법은 다양합니다. 살 두께를 늘려주는 것도 방법입니다. 하지만 애초에 강도가 약한 부위라면 특별한 이유가 있어서 살 두께가 얇아졌을 가능성이 있습니다. 그렇다면 공간 제약이 있는 방향이 아닌 방향으로 살을 늘려주어야 합니다. 혹은 다른 부품이 강도가 약한 부위를 치는 문제가 있다면 막아주는 것도 방법입니다. 두 부품 사이에 다른 것을 끼우든 아니면 사이를 멀게 해서 닿지 않도록 해야 합니다. 위험을 미리 판단할 수 있는 능력과 개선할 수 있는 것이 중요합니다. 이러한 것을 할 수 있는 기초에는 재료역학적 고려가 있다고 생각합니다. 굳이 재료역학적 고려라고 하였지만 현업에서 일을 하면서 의식하는 것은 아닙니다. 하지만 학부 4년 동안 했던 공부가 분명히 기본이 될 것이라 생각합니다.

강도 보강할 때 배웠던 내용을 적용할 수도 있습니다.

형상 설계를 하다보면 얇은 판 형태를 설계할 때도 있습니다. 하지만 시중에 나와있던 어떤 제품을 보더라도 부품이 얇은 판 형태로만 되어있는 것은 없습니다. 리브라고 하여 뒷면에 살을 만들어 줍니다. 수직으로 얇은 판을 버텨주는 형상을 세우는 것입니다. 이런 형상을 어떻게 세우는 것이 기구 엔지니어의 능력에 달려 있습니다. 형상을 설계하기 전에는 계산할 수 없습니다. 설계된 결과물이 있어야 CAE 계산을 할 수 있습니다. 그래서 어떤 형상이 더 강한 힘을 버틸 수 있는지 상대 비교를 할 수 있습니다. 그런 결과물을 내기 전에 기구 엔지니어는 판단을 해야 합니다. 어떤 형상이 힘을 더 잘 버틸 수 있을지를 결정해야 합니다. 그럴 때 재료역학에서 배웠던 구조물을 적용할 수 있삽니다. 벌집 구조라든지 단순 사각형이라든지 어떤 형상을 세워도 상관없습니다. 본인이 판단하기에 가장 적절한 형상을 세우면 됩니다. 벌집 구조가 가장 강한 힘을 버틸 수 있다고 하더라도 실제로는 적용되지 않을 수 있습니다. 왜냐하면 부품의 질량이 커질 수도 있습니다. 너무 촘촘한 살을 세우면 말이죠. 그러면 부품의 단가가 올라갑니다. 많은 레진을 사용하기 때문입니다. 이렇듯 강도만 생각한다면 가장 강하게 만드는 것이 정답이지만 제품 설계 개발이라는 것은 한 가지 관점으로 진행하는 것이 아닙니다. 이럴 때 개인의 능력과 경험에 따라 형상을 정하게 됩니다. 책에서 배웠던 구조를 적용할 수 있는 것입니다. 아무 것도 없는 백지 상태라면 설계를 하기 힘듭니다. 참고할 것이 없기 때문입니다. 그럴 때는 학부에서 배웠던 내용부터 시작하면 됩니다. 하지만 가장 좋은 것은 이미 회사 내에 개발 완료된 제품을 참고하는 것입니다. 선배들의 조언을 얻는 것도 좋은 방법입니다.