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대형 광학 테이블 하중 해석: 10톤 하중에서 허니콤 브레드보드는 얼마나 처지는가
광학 테이블은 "튼튼해 보이는가"가 아니라 "몇 마이크로미터 처지는가"로 평가됩니다. 7m × 1.5m DVIO 광학 테이블에 10톤 하중을 올렸을 때의 변위와 응력을 유한요소 해석으로 검증한 과정과, 허니콤 코어를 직접 모델링해야 하는 이유를 다룹니다.
DAEIL SYSTEMS 기술연구소읽는 시간 6분
- 해석 대상 테이블 크기
- 7m × 1.5m
- 설계 여유 하중
- 10t
- 최대 변위 (장비 배치 하중)
- 83μm
- 항복강도 대비 안전율
- ≈ 8
1. 왜 대형 광학 테이블은 하중 해석이 필요한가
7m급 광학 테이블은 카탈로그 제품이 아닙니다. 광학 벤치, 시준기, 기준 평면경, 탑재체 지그처럼 수 톤짜리 장비가 상판 위 특정 위치에 놓이고, 그 배치는 고객마다 다릅니다. 이때 설계자가 답해야 하는 질문은 두 가지입니다. 상판이 허용치 이내로 처지는가, 그리고 구조 부재의 응력이 재료 항복강도 대비 충분한 여유를 갖는가.
두 질문에 경험이나 여유 두께로 답하면 테이블은 불필요하게 무거워지고, 반대로 과소 설계하면 정렬된 광학계가 하
중 변화에 따라 틀어집니다. DAEIL SYSTEMS는 대형 DVIO 구성에 대해 출하 전 유한요소 해석으로 변위와 응력을 확
인하고, 그 결과로 상·하판 두께 같은 설계 변수를 확정합니다. 이 노트는 그 절차를 실제 사례로 보여줍니다.
2. 해석 대상과 조건
해석 대상은 리지드 서포트 테이블(Rigid Support Table) 위에 허니콤 브레드보드 두 장이 이어 올라간 7m × 1.5
m DVIO 구성입니다. 고객 요구는 총 10톤 이상의 여유 하중이었고, 상·하판 두께를 보강해야 하는지가 판단 대상이었
습니다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 구성 | Rigid Support Table + 허니콤 브레드보드 (7m × 1.5m) |
| 브레드보드 상·하판 | 두께 9mm 스틸, 3D 솔리드 요소 |
| 허니콤 코어 | 두께 0.25mm 스틸 포일, 2D 셸 요소 |
| 서포트 테이블 | 스틸, 3D 솔리드 요소 |
| 해석 종류 | 선형 정적 해석 (midas NFX) |
| 구속 조건 | 서포트 테이블 하단 고정 |
하중 조건은 두 가지를 두었습니다.
| 구분 | 조건 A: 균등하중 | 조건 B: 실제 장비 배치 |
|---|---|---|
| 총 하중 | 10t | 약 9.5t |
| 분포 | 상판 전면 등분포 | 광학 벤치 2,000kg · 탑재체 2,000kg · 시준기 3,500kg · 기준 평면경 1,500kg 등 장비별 안착 위치 |
| 부여 방법 | 상판 전면 압력하중 | 장비 접지 영역 절점에 집중하중 |
조건 A는 사양서의 숫자이고, 조건 B는 테이블이 실제로 겪을 하중입니다. 총량은 B가 더 작지만, 집중 하중이 지지점 사이 스팬 중앙에 놓이면 국부 처짐은 오히려 커질 수 있습니다. 두 조건을 모두 보는 이유입니다.
3. 허니콤을 직접 모델링하면 무엇이 달라지는가
브레드보드 해석의 관행은 내부 허니콤을 무시하고 코어를 꽉 찬 솔리드로 단순화한 뒤, 등가 탄성계수를 조정해 강성을 맞추는 방식입니다. 계산은 빠르지만, 코어의 전단 거동이 실제와 얼마나 다른지는 모델이 말해 주지 않습니다.
이번 해석에서는 0.25mm 허니콤 포일을 2D 셸 요소망으로 직접 반영했습니다. 허니콤 벽 위치를 상·하판에 임프린트해 절점을 일치시키고, 셸–솔리드 절점을 병합해 코어와 스킨을 연결한 뒤, 모달 해석으로 강체 모드 6개가 정상 분리되는지 확인해 모델 연결 상태를 검증했습니다. 연산량을 다루기 위해 허니콤의 곡선 단면은 직선으로 선형화했고, 요소 수는 130만 자유도 규모에서 약 800초 연산으로 수렴했습니다.
차이는 결과에 그대로 나타났습니다.
| 모델 | 하중 조건 | 최대 변위 | 최대 응력 |
|---|---|---|---|
| 균일 탄성계수 솔리드 (관행) | 10t 균등 | 5μm | 3MPa |
| 허니콤 2D 직접 모델링 | 10t 균등 | 52μm | 29MPa |
| 허니콤 2D 직접 모델링 | 실제 장비 배치 | 83μm | 28MPa |
등가 솔리드 모델은 변위와 응력을 약 10배 과소평가했습니다. 코어 강성을 과대평가한 것입니다. 절대값은 여전히 작지만, 10배 차이는 "안전율이 80인가 8인가"의 차이이고, 설계 변수를 확정하는 근거로 쓰기에는 전자가 아니라 후자가 맞습니다.
등가 솔리드 모델은 처짐을 5μm라고 했고, 허니콤을 직접 모델링한 결과는 52
μm였습니다. 둘 다 "충분히 작다"지만, 설계를 확정할 숫자는 하나뿐입니다.
4. 결과: 10톤 균등하중과 실제 장비 배치
조건 A(10t 균등): 최대 변위 52μm, 최대 응력 29MPa. 변위는 두 브레드보드 각각의 스팬 중앙에서 최대가 되는 전형적인 분포입니다.
조건 B(실제 장비 배치): 최대 변위 83μm, 최대 응력 28MPa. 총 하중은 A보다 작지만, 3,500kg 시준기 같은 집중 하중이 지지점 사이에 놓이면서 국부 처짐이 커졌습니다. 응력은 A와 같은 수준입니다.
두 조건 모두 최대 응력은 약 29MPa로, 일반 구조용 강재(SS400) 항복강도 245MPa 대비 안전율 약 8을 확보합니다. 최대 변위 83μm는 7m 전체 길이 대비 매우 작은 값으로, 허용치 대비 충분한 여유가 있습니다. 허니콤 곡선 단면을 선형화한 영향으로 코어 전단강성이 실제와 다소 다를 수 있으나, 현재 여유 수준을 감안하면 판정에 영향을 주지 않습니다.
5. 설계 판정과 시사점
판정은 명확합니다. 10톤 균등하중과 실제 장비 배치 하중 모두에서 변위와 응력이 허용치 대비 충분한 여유를 가지므로, 상·하판 두께 보강은 불필요합니다. 해석 없이 보수적으로 두께를 올렸다면 테이블은 더 무겁고 비쌌을 것이고, 성능은 나아지지 않았을 것입니다.
이 사례가 남긴 것은 숫자보다 절차입니다. 허니콤 코어를 2D 셸로 직접 반영하고, 임프린트 → 절점 병합 → 모달 검증
순으로 모델을 연결하는 방식은 DAEIL SYSTEMS의 대형 브레드보드 해석 표준 절차가 되었습니다. 대형 광학 테이블
이나 특수 하중 배치를 검토 중이라면, 장비 배치도와 하중 정보를 보내 주십시오. 같은 절차로 변위·응력을 확인해 드
립니다.
참고문헌
[1] Gibson, L. J. & Ashby, M. F., Cellular Solids: Structure and Properties, 2nd ed., Cambridge University Press, 1997. — 허니콤 코어의 등가 강성과 전단 거동
[2] KS D 3503, 일반 구조용 압연 강재 (SS400). — 항복강도 245MPa 기준