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국립창원대 김재민 교수 연구팀, 국제 저명학술지 ‘Thin-Walled Structures’ 논문 게재! ‘점탄초탄성 얇은 쉘의 대변형·시간의존 응답 해석’ 
국립창원대학교는 기계공학부 전산 고체역학 및 구조공학(Computational Mechanics of Solids and Structures, CMSS) 연구실 김재민 교수(교신저자)와 유효민 학생(제2저자) 연구팀이 수행한 ‘점탄초탄성 얇은 쉘의 대변형·시간의존 응답 해석’ 연구가 국제 저명 학술지 ‘Thin-Walled Structures’에 <An isogeometric finite element implementation of visco-hyperelastic Kirchhoff–Love shells for large deformation and transient analysis>라는 제목으로 최근 온라인 게재됐다고 밝혔다. (*논문 보기=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263823125013801)
연구팀에 따르면 쉘(Shell) 구조 해석 기술은 조선, 항공우주, 원자력 등 기계공학 설계·해석 분야 전반에서 가장 널리 활용되는 핵심 기반 기술이다. 특히 기존 유한요소해석(FEA)은 주로 요소 경계에서 변위만 연속인 C⁰ 연속성 기반 저차 요소를 사용해 쉘 굽힘(bending) 문제에서 이론적·수치적 한계가 있었다. 이번 연구의 핵심은 고차유한요소해석(Isogeometric Finite Element Analysis, IGA)을 도입해 NURBS 기반의 C¹ 이상 고차 연속성을 확보함으로써 점탄초탄성(visco-hyperelastic) 재료로 구성된 얇은 쉘 구조의 대변형·시간의존 거동을 정밀하게 예측할 수 있는 새로운 Kirchhoff–Love Shell 구조해석기술을 제시한 데 있다.
연구팀은 쉘 두께 방향 인장을 이론적으로 소거해(condensed) 쉘 중간면(mid-surface)의 변형률과 곡률으로 쉘의 운동(kinematics)을 기술하고, 내부 상태변수(state variable)를 도입해 점탄성(visco-hyperelastic) 에너지 소산을 모사함으로써, C⁰ 연속 요소에 기반한 기존 쉘 요소의 한계를 보완하는 한편 Kirchhoff–Love 이론에 요구되는 고차 연속성을 만족하는 보다 물리적으로 타당하고 수치적으로 안정적인 해석 모델을 구현했다.
연구팀은 고무 풍선 팽창 및 평판 쉘 팽창 예제 등을 통해 제안된 해석 기법의 정확도와 수렴성을 검증하고, 전단계수와 이완시간 등 점탄성 재료 파라미터 변화가 하중–처짐 응답과 응력 분포에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 이를 통해 대변형(Large deformation)을 겪는 고무·폴리머 부품, 풍선형 구조물, 생체막 등 다양한 공학·의학 응용에서 시간의존 재료 특성을 정밀 반영한 설계·해석이 필수적임을 제시했다.
국립창원대 김재민 교수는 “이번 연구는 3차원 점탄초탄성 재료모델을 얇은 쉘 구조 해석에 직접 적용할 수 있는 계산 틀을 마련했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 의료용 풍선 카테터나 인공혈관, 선박·해양 구조물, 고무·폴리머 기반 첨단 부품 설계 등에서 디지털 트윈 기반 구조 건전성 평가와 최적 설계 도구로 확장해 나갈 계획”이라고 설명했다.
또한 제2저자인 유효민 학생은 학부 연구생으로 참여해 IGA 기반 쉘 요소의 수치 구현과 예제 문제 해석을 주도적으로 수행했으며, “기계·구조 해석 이론을 실제 코드 구현과 시뮬레이션으로 연결해 볼 수 있는 소중한 경험이었다. 향후 대학원 진학 후에도 고급 유한요소해석과 디지털 트윈 기술 연구를 계속 이어가고 싶다”는 소감을 전했다.
한편 이번 연구는 2025년 국립창원대–삼성창원병원 공동연구지원사업의 지원을 받았으며, 교육부·경상남도·RISE센터가 지원하는 지역혁신중심 대학지원체계(RISE)사업 및 글로컬대학사업 프로젝트의 일환으로 수행됐다. 조선해양 구조물 응용 연구는 산업통상자원부 조선해양기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다. 
*붙임: 국립창원대 기계공학부 김재민 교수(왼쪽)-유효민 학생 사진 및 연구팀의 연구성과 개념도와 논문 게재 표지 사진 각 1부. 끝.
내용 문의 : 기계공학부 스마트제조융합전공(055-213-3627)
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