[FEA 해석] 솔리드웍스 시뮬레이션으로 검증한 손흥민 선수의 카본 마스크 안전성 축구 경기 중에는 강력한 슈팅을 머리로 받아내는 헤딩, 선수 간의 거친 몸싸움으로 인한 안면 충돌 등 다양한 충격 조건이 발생합니다. 특히 안면 골절 부상을 입은 상태에서 경기를 뛰어야 했던 손흥민 선수에게 마스크는 단순한 보호장구가 아닌, 추가 부상을 막아주는 유일한 방패였습니다.이번 글에서는 솔리드웍스 시뮬레이션(SOLIDWORKS Simulation)을 활용하여 안면 구조와 카본 마스크 모델을 기반으로 진행된 구조 해석 과정을 엔지니어링 관점에서 살펴보겠습니다. 1. 소재 정의: 왜 카본(Carbon, 탄소섬유)인가?해석을 진행하기에 앞서 마스크의 물성치를 정의해야 합니다. 영상에서는 고성능 스포츠 용품에 널리 쓰이는 카본 소재를 적용했습니다.엔지니어링 측면에서 카본(CFRP)은 다음과 같은 뛰어난 기계적 특성을 가집니다. 높은 비강도(Specific Strength): 스틸이나 알루미늄에 비해 무게는 매우 가벼우면서도 인장 강도가 매우 뛰어납니다. 우수한 탄성 및 충격 흡수력: 외부 충격 에너지를 분산하고 원래의 형태로 돌아오려는 성질이 강해 안면으로 전달되는 충격을 최소화합니다. 내식성 및 성형성: 땀과 같은 수분에 부식되지 않으며, 선수의 안면 굴곡에 맞춘 맞춤형 설계(유선형 구조)가 가능합니다. [소재별 기계적 특성 비교 경향] 스틸(Steel): 강도는 높으나 무게가 매우 무거워 스포츠 마스크로 부적합. 알루미늄(Aluminum): 무게는 보통이나 항복 강도가 낮아 영구 변형(소성 변형) 우려가 있음. 티타늄(Titanium): 강도와 무게 면에서 우수하지만 가공 및 단가 문제가 있으며 카본에 비해 유연성이 떨어짐. 카본(Carbon): 매우 우수한 강도, 극도로 가벼운 무게, 우수한 탄성으로 최적의 선택. 2. 시뮬레이션 모델링 및 해석 조건 (Setup)해석은 사람의 안면 형상 3D 데이터(Human Head Model) 위에 손흥민 선수가 착용한 마스크 형상을 유기적으로 정렬하여 진행되었습니다. 기하학적 형상(Geometry): 안구와 코, 광대뼈 라인을 보호하는 비대칭형 유선형 마스크 모델링을 적용했습니다. 메시 생성(Meshing): 마스크의 두께가 얇은 특성을 고려하여, 쉘(Shell) 요소 또는 정밀한 솔리드(Solid) 테트라 메시를 생성하여 응력 집중 부위를 정확히 추적할 수 있도록 했습니다. 경계 조건(Boundary Conditions): 마스크가 얼굴에 밴드로 고정되는 접촉 부위 및 안면에 닿는 패드 부위에 고정/접촉 조건을 부여했습니다. 하중 조건(Loading): 경기 중 발생할 수 있는 축구공의 강한 타격 상황을 가정하여, 마스크 전면부에 순간적인 외력(충격 하중)을 인가했습니다. 3. 해석 결과 분석 (Results)솔리드웍스 시뮬레이션의 정적/동적 해석을 통해 폰 미세스 응력(Von-Mises Stress)과 변위(Displacement) 플롯을 도출했습니다. 응력 분산 효과 (Stress Distribution): 해석 결과, 외부 충격이 가해졌을 때 마스크 전면의 유선형 형상을 따라 응력이 고르게 분산되는 패턴을 확인할 수 있었습니다. 특정 부위에 응력이 집중되어 마스크가 파손되는 현상을 방지하도록 형상 최적화가 이루어졌음을 보여줍니다. 안전율(Safety Factor) 및 변형량: 카본 소재의 높은 항복 강도 덕분에 충격 하중 하에서도 마스크는 안전율 범위 내에서 거동했습니다. 즉, 마스크가 과도하게 찌그러져 안쪽의 골절된 부상을 다시 타격하는 '2차 접촉 변형'이 발생하지 않고 외력을 차단해 주었습니다. 축구골대와 축구공의 CAE비선형해석 관계▶
