안녕하세요! 이거DAM?의 Liunner입니다.
이번 포스팅에서는 오토데스크의 PDMC 제품에 포함되어 있는 Inventor Nastran 에 대해서 알려드려고 합니다.
AutoCAD와 인벤터를 함께 사용할 수 있으면서 상대적으로 합리적인 가격에 구매할 수 있기 때문에 많은 분들이 PDMC 제품을 사용하고 있을 겁니다. 혹시 PDMC를 구매하면, 인벤터 환경 내에서 구조 해석을 할 수 있는 Inventor Nastran 도 사용할 수 있는 걸 알고 있으셨나요?
구조 해석(Structural Analysis)는 CAE(Computational Aided Engineering)의 한 분야인데요. 실제 제품을 제작하기 전 현실 세계에서 테스트 환경을 구현하기 어렵거나 비용 또는 시간적인 측면 등 다양한 문제로 직접 테스트하기 어려운 시험을 컴퓨터의 가상 공간 상에 구현하여 다양한 환경 및 조건에서 제품의 구조적 성능을 예측할 수 있는 기술입니다.
이미 구조 해석이 무엇인지 아시는 분들도 있으시겠지만, 어떻게 사용해야 하는지, 어떤 결과를 얻을 수 있는지 등의 정보를 얻기는 쉽지 않았을 겁니다. 그래서 앞으로 Inventor Nastran 을 활용해 다양한 예제를 다뤄볼 예정입니다. 관심 있으신 분들은 회원 가입 또는 즐겨찾기를 하셔서 자주 방문 부탁드립니다.
Inventor Nastran 의 첫 예제로 가장 기초적인 선형 정적(Linear Static) 예제를 수행해보겠습니다.
* Inventor Nastran 을 비롯한 CAE 관련 소프트웨어의 언어는 영어로 사용하는 것을 권장드립니다. Inventor Nastran 의 소프트웨어와 Help의 한글화가 잘 되어 있지 않아 오히려 이해하는 데에 불편하며, 추가적으로 필요한 자료를 인터넷에 검색할 때도 영문으로 검색하는 것이 더 유리하기 때문입니다.
Inventor Nastran 선형 정적 해석 과정 요약
예제 B1 : 피팅 모델의 선형 정적 해석
01. Autodesk Inventor Nastran 사용자 인터페이스
02. 모델 해석 과정에 필요한 기본 단계 설명
03. 정적 해석에서의 다중 하중 케이스 활용
04. 해석 결과의 표시 및 후-처리 (Post Processing)를 통한 결과 분석
05. 예제 브라켓의 재료는 Alloy Steel이며, 뒷 면은 고정되고 하중은 첫 번째 홀에 적용
06. 해석 단위계 SI(MKS; 미터, 킬로그램, 초)이며, 이 때의 중력 효과는 무시될 수준이므로 고려하지 않음
p.s. Inventor Nastran 의 단위계 변경은 비교적 편리한 편입니다. 해석을 실행하고 설정되 있는 기본 (Default)단위는 CAD 시스템에서 모델링으로 설정했던 글로벌 단위이지만, 해석 환경에서 이 단위계는 언제든 변경 가능합니다.
해석 모델 불러오기
01. Autodesk Inventor 을 실행하고 파일을 불러온 후, Inventor Nastran 을 실행합니다.
02. 아래 경로 상에 위치하고 있는 fitting.ipt 파일을 엽니다.
(C:\사용자\공용\공용 문서\Autodesk\Inventor Nastran 2025\Tutorial\en-us\Inventor 2025)
03. 해당 파일을 추후 재사용하기 위해, File을 클릭하고 파트를 Bath Fitting.ipt로 다른 이름 저장하여 원본 파일를 보전합니다.
04. Environments > Autodesk Inventor Nastran 을 클릭합니다.
05. 해당 파일의 단위계를 변경하는 방법은 2가지입니다.
– Inventor CAD 환경 단위계 변경: Tools > Document Settings > Units으로 이동해 단위를 meter와 kilogram으로 설정합니다.
– Inventor Nastran 환경 단위계 변경: 트리에서 Units를 더블클릭하고 meter와 kilogram으로 설정된 단위계를 선택합니다.
전처리 과정(Pre-process)
재료 물성치(Material Properties) 설정 및 메쉬(Mesh) 정의
01. 화면의 좌측에 있는 모델 트리를 확장한 후, Materials를 우 클릭하고 New를 선택합니다.
02. 팝업된 도구상자에서 Select Material을 클릭합니다.
03. Material DB 도구상자에서 Load Database를 클릭합니다.
04. 아래 경로에 위치한 ADSK_materials.nasmat 파일을 엽니다.
(C:\Program Files \Autodesk \Inventor Nastran 2025 \In-CAD \Materials)
05. 도구상자에서 Steel 트리를 확장하여 (+버튼을 클릭) 아래 그림처럼 16-25-6 Stainless Steel를 선택합니다.
혹시 아래처럼 경고창이 뜬다면 일단 무시합니다. 이는 Allowable 섹션 문제로, 안전율 계산 시 St(인장 강도) 또는 Sy(항복 강도)의 입력 여부에 따라 프로그램이 각각 Principal Stress 또는 Von Mises Stress로 파괴 이론 유형을 자동으로 변경하면서 표시되는 경고창이기 때문입니다.
06. 모든 선택이 끝난 후에 OK를 클릭하여 재질 DB 도구상자를 닫습니다.
07. Sy(항복 강도)에 2.5e+008을 입력하면 Failure Theory(파괴이론)은 von Mises Stress (폰-미세스 응력)로 설정됩니다.
09. 모든 입력이 끝난 후에 OK를 클릭하면, 16-25-6 Stainless Steel이 Materials 목록에 추가됩니다.
10. 모델 트리의 Idealization 하위의 표준 카테고리(Solids, Shells, Beams 등)로 정의되어 있던 Solids에 Generic이라는 명칭으로 정의된 재질이 있다면, 우 클릭하고 Del을 눌러 제거합니다.
12. 모델 트리의 Idealization 하위의 Solids를 우 클릭하고 New를 선택합니다.
13. Idealization 도구상자에서 Name에 Solid Property를 입력하고, Type은 Solid Elements를 선택한 후, Material로 좀 전에 생성했던 16-25-6 Stainless Steel를 설정합니다.
* Property (속성)의 이름을 변경하는 것은 필수가 아니지만, 나중에 여러분들이 수행했던 해석 파일을 다시 열어보고 당시 속성 설정을 짐작하는데 많은 도움이 될 것입니다. 가능하다면 습관을 들여놓는 것이 해석을 처음 하는 초기 단계에 중요합니다.
14. OK를 클릭하면 Idealization 목록에 Solid Property가 추가됩니다. 트리 변화는 다음과 같습니다.
15. Mesh Model을 우 클릭하고 Generate Mesh를 선택합니다. Parabolic tetrahedron(포물선 사면체) 요소를 갖는 솔리드 메쉬가 생성되며 메쉬의 사이즈는 객체 크기에 기반하여 지정됩니다. 메쉬 생성, 형태 등의 내용은 추후에 따로 다뤄보겠습니다.
16. 완성된 메쉬 모델은 아래와 같습니다. 혹시라도 메쉬가 보이지 않는다면 트리 창의 빈 공간에 우 클릭하고 Default Settings를 선택해 Display Options로 이동해 Mesh Model의 박스를 체크합니다.
구속(Constraints) 및 하중(Loads) 조건 설정
01. 브라켓의 사각 뒷 면을 고정합니다. 뒷 면 뷰를 명확하게 보기 위해서 View Cube를 적절히 활용합니다. (Inventor 사용자라면 누구나 잘 아시겠죠?)
Subcase 1 하위의 Constraints을 우 클릭하고 New를 선택해서 새로운 구속 조건을 생성합니다. 이렇게 사용자가 생성하는 모든 개체 (Entity)들은 트리의 아래에 위치하고 있는 Model 트리의 개체 목록에도 추가되며, 해석 모델링 과정에서 이를 언제든 다시 적용 가능합니다. 이런 Model 트리의 개체들은 한 번 만들면 서로 다른 subcase들에도 쉽게 추가 적용할 수 있어 매우 편리한 도구입니다.
(더불어 Model 트리에도 이 구속 조건이
추가되어 다른 Subcase에도 적용 가능)
02. Constraint 도구상자가 나타나면 브라켓의 뒷 면을 선택합니다.
* 실제 브라켓을 다른 부재에 고정할 때는 아마도 볼트/너트 구조가 적용된다는 것을 추정할 수 있습니다. 실제 현상을 최대한 구현해야 높은 정확도의 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있습니다. 하지만 여러분과의 첫 해석이기 때문에 실제와 맞진 않지만 편의상 면 전체를 선택하여 진행하겠습니다. (이로 인한 해석 결과는 실험과 분명히 큰 차이가 있을 것입니다.)
03. 구속 조건 도구상자의 Name으로 Fixed Back Face를 입력합니다. 구속조건 도구상자의 Display Options 섹션에서 구속 심볼의 크기, 밀도, 색상등을 조정할 수 있습니다.
* 이런 개체의 이름 지정은 해석을 처음 접하는 사용자라면 꼭 습관을 들여두시길 권장합니다.
04. Subcases에서 Subcase 1을 선택하고 OK를 클릭합니다. 구속 조건은 Subcase 1에 자동으로 적용됩니다.
* 구속 조건은 실제 브라켓과 결합되는 벽면 모델링을 대체할 수 있습니다.
05. Subcase 1 하위의 Loades를 우 클릭하고 New를 선택합니다. 음(-)의 X 방향으로 브라켓의 첫 번째 볼트 구멍에 100 kN의 힘을 적용하는 하중을 생성합니다.
06. Name 영역에 Axial Loading으로 입력합니다.
07. 뒷 면과 가장 멀리 떨어진 첫 번째 볼트 구멍의 내측 서피스를 선택하고 Fx에 100e3를 입력합니다.
* 참고 : 하중 도구상자의 Display Options에서 파트에 표시되는 하중 심볼의 크기, 색상, 밀도등을 조정할 수 있습니다.
08. Subcases 목록에서 Subcase 1을 선택합니다.
* 아마도 홀 피쳐의 형상을 추정해봤을 때, 핀 형태의 부재를 추가하여 하중이 적용된 것을 추정해볼 수 있습니다. 실제 핀이 있다면 핀의 상하 끝 단면에 하중을 절반씩 적용했을 때와 지금의 조건은 결과 차이가 발생할 것입니다. 하지만 이 부위의 변형과 응력분포를 사용자가 어느정도 타협하고 브라켓 전체 모델에 대한 거시적 결과가 더 중요하다면 핀 형상을 면에 직접 하중을 가하는 형태로 변환하는 것도 충분히 타당합니다.
09. 모든 설정을 마친 후 OK를 클릭합니다.
*트리 뷰에서 다른 개체들을 드래그 & 드롭할 수도 있습니다. 예를 들어 (Subcases에서 Subcase 1 하위가 아닌 Model 트리에서 생성했다면) Axial Loading 하중과 Fixed Back Face 구속조건을 Subcase 1 위로 드롭할 수도 있습니다.
하중과 구속 조건 심볼을 숨길 수 있습니다. 리본 메뉴의 System 패널에서 Default Settings를 선택하고 Display Options를 클릭해서 Loads와 Constraints 박스를 체크 해제합니다. 또는 트리에서 해당 Subcase의 Loads 및 Constraints을 우 클릭하고 Hide All을 클릭합니다.
10. 트리 뷰에서 Analysis 1을 우 클릭하고 Edit을 선택합니다.
11. Name에 Linear Static Analysis를 Title에 Axial Loading을 입력하고 해석의 Type으로 Linear Static을 선택합니다.
12. Nodal Output Control 하위의 Displacement와Elemental Output Sets 하위에 Stress가 체크되어 있는지 확인한 후, OK를 클릭합니다.
후처리 과정(Post-process)
결과 검토
01. 트리에서 Linear Static Analysis를 우 클릭하고 Solve in Nastran을 실행합니다.
02. Bath Fitting.NAS로 해석 파일을 저장하고 해석을 실행합니다.
03. 모델의 해석을 실행하면 그 과정은 Autodesk Nastran Output 창에서 표시됩니다.
04. 솔루션이 완료되면 아래처럼 메시지가 표시됩니다. OK를 클릭합니다.
해석이 완료된 후, 결과가 자동으로 로딩됩니다. 솔루션이 완료된 후, Subcase 1 하위의 Results 노드에 4개의 등고(Contour) 플롯들이 배치됩니다. 이 플롯들은 기본 등고 템플릿 설정으로, (Model 트리에서) Plot Templates 아래 배치됩니다. 이런 각 템플릿은 새로운 등고 플롯을 생성하기 위해 원하는 subcase에 드래그 & 드롭하여 활용할 수 있습니다.
05. Subcase 1 하위의 Displacement 플롯을 더블 클릭합니다. 변형된 기하 형상의 총 변위 결과가 표시됩니다.
06. Displacement를 우 클릭하고 Edit을 선택합니다. Visibility Options 탭을 선택한 후, Element Edges 버튼을 눌러 Off 상태로 전환합니다. 이는 메쉬 또는 요소의 경계 라인 등을 숨겨줍니다.
모델 영역의 하단에는 등고 플롯에 대한 유용한 정보가 표시됩니다. 첫 줄에 등고 유형이며, 이 경우 총 변위입니다. 두 번째 줄은 변형 벡터의 상세 정보이며, 이 경우 총 변형량 (최대 0.0004m)입니다.
등고 플롯 추가
01. 트리의 Results를 우 클릭하고 New를 클릭합니다.
02. 기본 템플릿 옵션은 아래와 같으며, 플롯의 이름을 지정하고 좌측에 있는 다양한 표시 옵션을 조정할 수 있습니다.
Contour Options 탭에서 표시되는 Result Data를 선택할 수 있으며, Data Min/Max 값은 Specify Min/Max 체크박스를 클릭해서 조정할 수 있습니다. Deform Options 탭에서 표시되는 다양한 변형 Vector 옵션을 선택할 수 있습니다. Deformation Scale은 Percent 또는 Actual로 설정할 수 있습니다.
03. 상단 좌측에 Name에 Total Deformation으로 입력한 후, OK를 클릭합니다.
von Mises 응력 결과 표시
01. von Mises 플롯을 더블 클릭합니다.
02. 모델 트리의 Plot Template에 있는 Criterion Contour 템플릿을 Results로 드래그 & 드롭합니다.
03. Subcase 1 아래 Results 하단에 해당 탬플릿이 배치됩니다.
04. 새로운 템플릿을 우 클릭하고 플롯에서 몇 가지 설정을 변경하기 위해 Edit을 클릭합니다.
05. 설정을 아래 그림처럼 변경합니다.
결과 보고서 생성
* 이런 결과 보고서 자동 생성 기능의 사용을 권장하지 않습니다.
소프트웨어가 사용자의 정확한 의도와 중요 지점 및 결과 값 등을 정확하게 파악하고, 이를 반영하여 표현하는 데에 한계가 있기 때문입니다. 여러분이 왜 해석을 하는지 스스로의 의도를 파악하여 직접 보고서를 작성하는 연습이 필요합니다.
01. 트리 뷰에서 해석의 이름인 Linear Static Analysis를 우 클릭하고 Generate Report를 선택합니다.
02. 설정에 따라 아래 메시지가 표시될 수도 있습니다. 예(Y)를 클릭합니다.
03. 모델 트리에서 Parameters를 더블 클릭합니다.
04. 매개변수 창이 표시되면 Geometry Processor Parametes를 선택하고 아래 좌측 코너에서 Advanced Settings 체크박스를 선택합니다. PARTGEOMOUT, PARTMASSOUT, ELEMENTGEOMOUT이 자동으로 ON 상태가 됩니다. 창을 닫기 위해 OK를 클릭합니다.
05. 해석 이름인 Linear Static Aanalysis를 우 클릭하고 Solve in Nastran을 클릭합니다.
06. 트리 뷰에서 다시 Linear Static Analysis를 우 클릭하고 Generate Report를 클릭합니다.
07. Report Wizard – Cover 창이 표시되면 다음 정보들을 편집합니다.
– Title: Linear Static Analysis Report
– Author: Your Name
08. 보고서 생성 마법사의 요약 및 가정에 대한 창이 표시되며, Assumptions (가정) 창 안에 해석의 가정들을 작업자가 상황에 맞게 입력합니다. Next를 클릭합니다.
09. Report Wizard – Glossary (생성 보고서에 사용된 용어 정의) 창이 표시될 때까지 Next를 클릭한 후, 보고서 생성을 위해 마침 (Finish)를 클릭합니다.
10. 보고서를 Analysis Report라는 이름으로 저장합니다.
11. Report 도구상자에서 View Report를 클릭하고 생성된 HTML 파일을 엽니다.
마치며…
지금까지 Inventor Nastran 을 활용하여 브라켓의 구조 특성을 확인하는 예제를 진행해 보았습니다. 선형 정적 해석은 구조 해석 중에서도 가장 기본적인 유형 중 하나로, 이것만 알더라도 제품 개발 단계에서 많은 시간적, 금전적 비용을 아낄 수 있습니다.
불과 몇 년 전만 하더라도 CAE는 전문 엔지니어의 고유한 영역이었지만, 간단한 해석은 설계 엔지니어가 직접 진행하는 방향으로 트랜드가 바뀌고 있습니다. 그래서 과거에는 설계 엔지니어의 경험에 의한 설계가 주로 이루어졌다면, 최근에는 설계 엔지니어의 경험에 CAE를 활용한 결과를 더해 더 나은 제품 개발 프로세스를 가져가고 있습니다.
CAE 분야가 어렵기만 한 분야는 아니지만, 알아야 하는 내용이 많기 때문에 쉽다고 할 수도 없습니다. 이번 포스팅만으로 선형 정적 해석, 단 하나의 유형도 이해하기 어려운 것이 사실입니다. 그렇기 때문에 어느 정도 수준이 되기까지 꾸준한 공부가 필요하죠.
저희가 ZW3D를 기준으로 제작한 구조 해석 온라인 교육이 있는데요. 소프트웨어가 달라 사용 방법 또는 기능의 위치만 상이할 뿐, 적용하는 개념과 프로세스는 동일하기 때문에 한 번쯤 수강하는 것도 좋습니다.
앞으로 올라갈 Inventor Nastran의 예제 시리즈의 반응이 좋다면 ZW3D처럼 온라인 교육을 만들 계획도 있으니 많은 호응 부탁드립니다.
또, 추가적으로 더 궁금한 점 또는 도움이 필요한 부분이 있다면 댓글 또는 1:1 문의를 통해 알려주세요.
감사합니다 🙂
