국립창원대학교와 한국원자력연구원(KAERI)이 함께 원전을 비롯한 첨단 구조물의 파손 과정을 컴퓨터로 정확히 예측하는 새로운 구조해석 기술을 개발해 국제 저명 학술지에 게재하는 성과를 거뒀다.
국립창원대학교 GAST-기계공학대학 스마트제조융합공학 김재민 교수 연구팀(전산 고체역학 및 구조공학 연구실)은 한국원자력연구원 경수로핵연료기술연구부 이동화 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 '재료가 갈라지는 균열'과 '물체가 서로 맞닿아 눌리는 접촉'을 하나의 계산 틀에서 동시에 해석하는 차세대 구조해석 기법을 개발했다고 7일 밝혔다.
이번 연구는 대학과 정부출연연구기관이 함께 협력해 이룬 학·연 공동 성과 사례로, 지역 혁신 연구 모델의 대표적인 성과로 평가받고 있다. 해당 연구 결과는 전산역학 분야 국제 저명 학술지 'Finite Elements in Analysis and Design'(JCR Top 1.3%)에 게재됐다.
국립창원대 김재민 교수 연구팀에 따르면 기계시스템이나 원전구조물에서는 '두 물체가 서로 눌리는 접촉'과 '재료에 금이 가서 갈라지는 균열'이 동시에 일어나는 경우가 매우 많다. 단단한 물체로 무언가를 세게 누르면 눌린 자리에 힘이 집중되어 금이 가고, 그 금이 점점 자라나 결국 부서지는 것이 대표적이다. 그런데 이 두 현상은 성격이 완전히 달라, 지금까지 컴퓨터로는 각각 따로 계산해야 했다. 특히 두 물체가 '언제, 어디서, 얼마나' 닿는지를 매 순간 일일이 찾아내는 과정이 매우 복잡했고, 균열이 자라면서 새로운 맞닿는 면이 계속 생겨나기 때문에 두 현상을 한꺼번에 정확히 모사하는 일은 오랫동안 풀기 어려운 숙제였다.
이번 기술의 핵심은 접촉과 균열을 모두 '부드럽게 번지게 하는' 방식으로 바꿔 하나의 계산 틀에서 동시에 다룬 데 있다. 균열은 칼로 자른 듯 날카로운 선 대신 흐릿하게 번진 손상 영역으로 표현하고, 두 물체 사이의 빈틈은 눈에 보이지 않는 부드러운 가상의 쿠션으로 채워 둔다. 두 물체가 가까워지면 이 쿠션이 눌리면서 자연스럽게 밀어내는 힘을 만들어 내므로, 컴퓨터가 접촉 지점을 따로 찾지 않아도 알아서 계산할 수 있다. 덕분에 균열이 자라며 새로 생기는 맞닿는 면까지 복잡한 추가 작업 없이 자동으로 반영된다.
연구팀은 이 기술을 실제 시험 상황에 적용해 정확성을 확인했다. 특히 원판형 시편을 위아래에서 눌러 깨뜨리는 '브라질리언 디스크 시험 (Brazilian disk test)'에서, 누르는 면이 점점 넓어지는 과정까지 자연스럽게 계산되면서 누르는 자리 근처에서 부스러지듯 생기는 2차 파손까지 그대로 재현해 냈다. 이는 실제 실험에서는 늘 관찰되지만 기존의 단순한 계산 방식으로는 잡아낼 수 없던 현상으로, 새 기술의 우수성을 잘 보여 준다.
김재민 교수는 "이번 연구는 그동안 따로 다뤄 온 접촉과 균열을 하나의 틀에서 동시에 정확히 해석할 수 있는 구조 설계/해석 기반을 마련한 것"이라며 "앞으로 한국원자력연구원과 함께 소형모듈원자로(SMR) 등 차세대 원전의 핵연료봉 구조 건전성 평가에 이 기술을 확장할 계획"이라고 설명했다. 이번 논문의 공저자로 참여한 김국헌 학부연구생은 복잡한 해석 결과의 시각화와 데이터 분석을 맡았으며 "어려운 고체역학 이론이 실제 시뮬레이션으로 구현되어 눈에 보이는 결과로 이어지는 과정을 직접 경험할 수 있어 큰 보람을 느꼈다. 대학원에 진학해 전산역학과 전산구조공학 연구를 계속 이어가고 싶다"고 전했다.
이번 성과는 대학과 정부출연연구기관이 협력해 첨단 해석 기술을 개발한 모범 사례로, 한국원자력연구원이 보유한 원자력 응용 현장의 노하우와 국립창원대의 전산역학·구조해석 역량이 결합해 실제 연구 성과로 이어졌다는 점에서 의미가 크다. 이 연구는 국립창원대 2026년 학술연구지원사업, 교육부가 지원하는 글로컬대학 프로젝트 및 지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 사업, 한국에너지기술평가원(KETEP)과 기후에너지환경부의 지원을 받아 수행되었다.
한편 김재민 교수 연구팀(CMSS)은 구조 설계/해석 인재 수요가 높은 제조업 중심지 창원에서 유한요소해석(FEM)/전산역학/디지털 트윈 분야에 관심 있는 대학원생(석/박사과정)을 모집하고 있다.(*문의: 김재민 교수, jaeminkim@changwon.ac.kr)
#논문 보기=https://doi.org/10.1016/j.finel.2026.104590
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