기계공학 기초 면접 질문

응력은 단위 면적당 작용하는 내부 힘으로 하중을 단면적으로 나눈 값이고, 단위는 MPa를 씁니다. 변형률은 원래 길이에 대한 변형량의 비율로 무차원입니다. 훅의 법칙은 탄성 구간에서 응력이 변형률에 비례한다는 법칙이고, 그 비례상수가 탄성계수, 즉 영률입니다. 강의 경우 약 200GPa 수준입니다. 다만 비례한도를 넘어서면 선형 관계가 깨지므로 훅의 법칙은 탄성 영역에서만 유효하다는 점이 중요합니다.

가장 큰 차이는 파단 전 소성변형량입니다. 연성 재료는 저탄소강처럼 명확한 항복점이 있고 항복 이후 큰 소성변형을 거쳐 넥킹이 발생한 뒤 파단하므로 연신율이 크고 파단면이 컵-콘 형태로 거칠게 나타납니다. 반면 주철이나 세라믹 같은 취성 재료는 항복 없이 거의 탄성 구간 직후 파단하고 파단면이 하중 방향과 수직으로 매끈합니다. 설계 관점에서는 연성 재료는 항복강도를, 취성 재료는 인장강도를 기준으로 안전율을 잡습니다.

안전율은 기준강도를 허용응력으로 나눈 값으로, 재료가 견딜 수 있는 강도와 실제 설계에서 허용하는 응력 사이의 여유를 의미합니다. 연성 재료는 항복강도, 취성 재료는 인장강도를 기준강도로 씁니다. 안전율을 정할 때는 하중 조건의 불확실성, 재료 물성 편차, 해석 모델의 단순화 오차, 부식이나 마모 같은 환경 요인, 그리고 파손 시 인명 피해 정도를 고려합니다. 다만 과도한 안전율은 중량과 원가 증가로 이어지므로 관련 설계 기준과 규격을 근거로 적정 수준을 잡아야 합니다.

제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 계에 들어온 열에서 계가 한 일을 뺀 값이 내부에너지 변화와 같다는 것입니다. 에너지의 양적 관계를 다루죠. 제2법칙은 에너지 이동의 방향성과 질을 다루며, 열은 스스로 저온에서 고온으로 흐르지 않고 실제 과정에서는 엔트로피가 증가한다는 내용입니다. 설비 관점에서 1법칙은 열 및 일 수지 계산의 근거가 되고, 2법칙은 열효율이 100%가 될 수 없고 카르노 효율이 상한이라는 한계를 알려주기 때문에 폐열 회수나 손실 저감 설계의 이론적 기준이 됩니다.

베르누이 정리는 유선을 따라 압력에너지, 운동에너지, 위치에너지의 합이 일정하다는 유체의 에너지 보존식입니다. 압력수두, 속도수두, 위치수두의 합이 일정하다고 표현하기도 합니다. 적용 가정은 정상유동, 비압축성 유체, 점성에 의한 마찰 손실이 없는 비점성 유동, 그리고 같은 유선상이라는 조건입니다. 실제 배관에서는 마찰과 부속류 손실이 있으므로 손실수두 항을 추가한 확장 베르누이식을 쓰고, 펌프가 있으면 펌프 수두를 더해 계산합니다.

응력과 압력은 모두 단위 면적당 힘이므로 SI 단위는 파스칼, 즉 N/m^2이고 값이 크기 때문에 보통 MPa를 씁니다. 동력은 단위 시간당 일이므로 W, 즉 J/s이고 N·m/s와 같습니다. 감각적으로 1MPa는 약 10bar, 약 10kgf/cm^2이고 대기압이 약 0.1MPa입니다. 자동차 타이어 공기압이 대략 0.2MPa 수준이고, 일반 구조용 강의 항복강도는 200~300MPa 정도입니다. 동력은 1kW가 약 1.36PS 정도로 환산됩니다.

제2법칙은 물체에 작용하는 알짜힘이 질량과 가속도의 곱과 같다는 것으로, 회전계에서는 토크가 관성모멘트와 각가속도의 곱으로 대응됩니다. 예를 들어 모터로 대형 회전체를 가동할 때 관성모멘트가 크면 같은 각가속도를 내기 위해 더 큰 기동 토크가 필요합니다. 제3법칙은 작용과 반작용이 크기가 같고 방향이 반대라는 것으로, 펌프나 배관에서 유체 방향이 바뀔 때 엘보에 반력이 생겨 서포트 설계에 반영해야 하고, 프레스 가공 시 가공력만큼 프레임에 반력이 걸리는 것도 같은 원리입니다.

S-N 선도는 가로축에 파단까지의 반복 횟수를 로그 스케일로, 세로축에 응력진폭을 표시해 반복하중 크기와 수명의 관계를 나타낸 선도입니다. 응력진폭이 작아지면 수명이 길어지고, 탄소강 같은 강재는 보통 10의 6~7승 부근에서 곡선이 수평이 되는 피로한도가 나타나 그 이하 응력에서는 사실상 무한수명으로 봅니다. 반면 알루미늄이나 비철금속은 명확한 수평 구간이 없어서 계속 수명이 감소하므로, 10의 7승이나 10의 8승 같은 특정 반복 횟수 기준의 피로강도로 설계합니다. 그래서 알루미늄 부품은 수명 기준을 정해 유한수명 설계를 하는 것이 일반적입니다.

같은 하중이라도 지지 조건에 따라 처짐과 모멘트가 크게 달라집니다. 집중하중 P가 걸릴 때 외팔보는 자유단 처짐이 PL³/3EI, 고정단에서 최대모멘트 PL이 발생합니다. 단순지지보에 중앙 집중하중이 걸리면 처짐은 PL³/48EI, 최대모멘트는 PL/4로 중앙에서 생깁니다. 즉 같은 길이와 하중이면 외팔보 처짐이 단순지지보의 16배로 훨씬 불리합니다. 공통적으로 처짐은 길이의 3승에 비례하고 EI에 반비례하므로, 스팬을 줄이거나 단면2차모멘트를 키우는 것이 처짐 저감에 가장 효과적입니다.

좌굴은 세장한 부재가 압축을 받을 때 재료의 압축강도에 도달하기 전에 횡방향으로 급격히 휘어 불안정해지는 현상입니다. 오일러식으로 임계하중은 π²EI를 유효길이 KL의 제곱으로 나눈 값이며, 강도가 아니라 강성 EI와 길이, 지지조건이 지배합니다. 따라서 대책은 첫째 단면2차모멘트를 키우거나 중공 원형·박스 단면처럼 최소 단면2차모멘트를 균형 있게 확보하는 것, 둘째 중간 지지나 브레이싱으로 유효길이를 줄이는 것, 셋째 양단 구속을 강화해 K값을 낮추는 것입니다. 재료를 고강도강으로 바꿔도 E가 비슷하면 효과가 없다는 점이 중요합니다.

전도는 푸리에 법칙으로 q=kA·dT/dx, 즉 열전도율과 면적, 온도구배에 비례하고 두께에 반비례합니다. 대류는 뉴턴의 냉각법칙으로 q=hA(Ts-T∞)이며, 대류열전달계수 h가 유속과 유체 물성, 강제·자연대류 여부에 따라 크게 달라집니다. 복사는 스테판-볼츠만 법칙으로 q=εσA(Ts⁴-Tsur⁴)이라서 절대온도의 4승에 비례하고 방사율이 중요합니다. 결과적으로 저온에서는 전도와 대류가 지배적이고, 노나 고온 배관처럼 온도가 높아지면 복사 비중이 급격히 커집니다.

NPSH는 펌프 흡입구에서 액체가 증발하지 않고 남아 있는 여유 수두입니다. 시스템이 제공하는 NPSHa는 흡입측 절대압 수두에서 포화증기압 수두와 흡입 손실, 흡입 리프트를 뺀 값이고, 펌프가 요구하는 값이 NPSHr입니다. NPSHa가 NPSHr보다 충분한 마진을 두고 커야 캐비테이션을 피할 수 있습니다. 대책으로는 펌프를 액면에 가깝게 또는 낮게 설치해 흡입양정을 줄이고, 흡입 배관을 짧고 굵게 하며 엘보와 밸브 등 저항 요소를 최소화하고, 유체 온도 상승을 막아 포화증기압을 낮게 유지하는 것입니다. 필요하면 회전수를 낮추거나 양흡입 펌프를 적용합니다.

구름베어링은 볼이나 롤러의 전동으로 하중을 받아 기동 마찰이 작고 규격품이라 교체와 정밀도 확보가 쉽지만, 전동체 접촉면의 반복 응력 때문에 전동피로에 의한 L10 수명 개념으로 설계하고 충격과 이물에 약합니다. 미끄럼베어링은 유막으로 하중을 지지해 유체윤활이 형성되면 마찰이 매우 낮고 진동 감쇠와 충격 흡수에 유리하며 이론적으로 반영구적입니다. 다만 기동 시 경계윤활 구간이 있고 강제 급유 설비가 필요합니다. 그래서 터빈이나 대형 압축기처럼 고속·고하중 연속운전에는 저널베어링이나 틸팅패드를 쓰고, 일반 감속기나 모터처럼 기동정지가 잦고 정비성이 중요한 곳은 구름베어링을 선정합니다.

담금질은 오스테나이트 영역에서 급냉해 마르텐사이트를 만들어 경도를 높이는 처리인데, 이 조직은 매우 단단하지만 취약하고 잔류응력이 커서 그대로 쓰면 균열이나 갑작스러운 파손이 생깁니다. 그래서 A1 이하에서 재가열하는 뜨임으로 잔류응력을 완화하고 경도를 약간 희생하는 대신 인성을 회복시켜 사용 가능한 강도-인성 균형을 맞춥니다. 풀림은 충분히 가열 후 서냉해 조직을 연화시키고 가공성을 높이며 응력을 제거하는 것이 목적이고, 불림은 공랭으로 조직을 미세하고 균일하게 만들어 주조·단조 이력의 편차를 없애 기계적 성질을 안정화하는 것이 목적입니다.

먼저 전체 진동값과 함께 FFT 스펙트럼을 확보해 지배 주파수를 확인합니다. 회전주파수 1X 성분이 크면 불평형, 2X가 크고 축방향 진동이 동반되면 커플링 미스얼라인먼트, 베어링 결함주파수나 고주파 성분이면 베어링 손상을 의심합니다. 다음으로 회전수를 변화시켜 특정 rpm에서만 진폭이 급증하는지 확인해 공진 여부를 판별하고, 필요하면 타격시험으로 구조물 고유진동수를 측정합니다. 기초 볼트 풀림이나 배관 반력 같은 지지강성 변화도 함께 점검한 뒤 원인별 대책을 수립합니다.

대책은 크게 세 방향입니다. 첫째, 고유진동수를 가진 주파수에서 떨어뜨리는 것으로, fn이 √(k/m)에 비례하므로 리브나 브레이싱으로 강성을 올려 fn을 높이거나 질량을 부가해 낮춥니다. 둘째, 가진력 자체를 줄이는 방법으로 밸런싱, 정렬 수정, 운전 rpm 변경이 있습니다. 셋째, 감쇠를 부가하거나 방진 마운트로 절연하는 방법인데, 절연은 가진주파수/고유진동수 비가 √2보다 충분히 커야 효과가 있고 그 이하에서는 오히려 증폭됩니다. 강성 보강은 중량과 비용이 늘고, 감쇠재는 고온에서 성능이 떨어지는 한계가 있습니다.

파단면의 거시 형태와 소성변형 흔적을 먼저 봅니다. 피로 파괴는 표면 응력집중부에서 시작된 기점과 그 주위로 퍼지는 매끈한 비치마크 영역, 그리고 마지막에 거칠게 찢어진 최종 파단부가 함께 나타나며 전체적인 넥킹은 거의 없습니다. 반면 과하중 파괴는 단면 전체에 소성변형과 넥킹, 전단립이 관찰되고 연성재라면 미세하게 딤플 파면이 보입니다. 이후 하중 이력과 사용 응력을 재계산해 S-N 선도상 예상 수명과 비교하고, 재질 성분과 경도, 가공 흠, 부식 흔적을 확인해 근본 원인까지 확정합니다.

용도에 따라 나눕니다. 상대운동이 필요한 저널이나 슬라이딩 부시는 윤활 간극을 확보하는 헐거운 끼워맞춤, 회전토크를 마찰로 전달하거나 반복하중에서 미끄러지면 안 되는 베어링 내륜, 기어 보스는 억지 끼워맞춤, 위치결정용 핀이나 분해가 필요한 부위는 중간 끼워맞춤을 씁니다. 일반 가공은 구멍기준식 H7을 기준으로 축 공차를 조합해 IT 등급을 정합니다. 억지 끼워맞춤은 죔새로 발생하는 접촉면압과 후프 응력이 허용치를 넘지 않는지, 압입력 또는 열박음 온도가 현실적인지, 운전 온도차와 원심력으로 죔새가 풀리지 않는지를 반드시 확인해야 합니다.

먼저 최종 간극에 기여하는 치수 사슬을 그려 스택업을 계산합니다. 최악조건법과 통계적 RSS법을 함께 보고, 실제 측정 데이터로 어느 부품의 산포가 지배적인지 파악합니다. 그 다음 데이텀이 부품마다 달라 기준이 옮겨지는 문제가 없는지, 기하공차로 관리해야 할 직각도·평행도가 누락되지 않았는지 확인합니다. 모든 공차를 조이면 가공·검사 비용이 급격히 올라가고 불량률도 커지므로, 기여도가 큰 소수 치수만 강화하고 나머지는 완화하는 것이 합리적입니다. 필요하면 심이나 조정나사 같은 조정 요소, 선별 조립을 도입해 설계로 흡수합니다.

우선 단면 형상부터 손댑니다. 재료를 중립축에서 멀리 배치해 단면 2차 모멘트를 키우면 같은 무게로 굽힘 강성을 크게 올릴 수 있어, 중공화나 리브 배치, 하중경로 정리가 1순위입니다. 다음으로 알루미늄이나 복합재처럼 비강성 E/ρ가 유리한 재료를 검토하되, 알루미늄은 영률이 강의 약 3분의 1이므로 두께를 늘리지 않으면 강성과 고유진동수가 떨어집니다. 고강도강으로 판 두께만 줄이는 방식은 강도는 확보되지만 강성은 그대로이고 판의 국부 좌굴과 고유진동수 하락, 용접부 피로가 문제가 되므로, 강성·좌굴·NVH·비용을 함께 놓고 판정합니다.

네 가지를 확인합니다. 첫째 메시 품질과 수렴성으로, 요소 크기를 단계적으로 줄여가며 관심 부위 응력이 수렴하는지 봅니다. 샤프 코너의 응력은 메시를 줄일수록 무한히 커지는 특이점이므로 필렛을 반영해 해석해야 합니다. 둘째 경계조건과 하중이 실제 구속·체결 상태를 반영하는지, 과도한 완전구속으로 응력이 왜곡되지 않는지 검토합니다. 셋째 재료 물성과 해석 종류가 적절한지, 항복을 넘는다면 소성 해석이나 피로 해석이 필요한지 판단합니다. 마지막으로 간단한 보 이론 손계산이나 시험 데이터와 비교해 오차 수준을 확인한 뒤 결과를 신뢰합니다.