이번 포스팅에도 오토데스크의 PDMC 제품에 포함되어 있는 Inventor Nastran을 활용한 전처리 과정 팁을 알려드리고자 합니다. 혹시 지난 포스팅을 보지 않으신 분들은 읽고 오시는 것을 권장해 드립니다.

이번 포스팅에서는 전처리 과정 중 3D 모델을 구조 해석에 적합하도록 수정하는 클린업(Clean-up) 작업과 그 해석 대상을 요소(Element) 나누는 메쉬(Mesh) 작업에 활용할 수 있는 팁입니다. 바로 라인 요소(Line Element)입니다.

라인 요소(Line Element)는 H 또는 I 빔(Beam) 등 길이 방향으로 얇고 일정한 단면적을 가지는 구조물로 이루어진 해석 대상의 메쉬를 생성하는 경우 많이 사용합니다. 라인 요소는 1D 요소(1D Element)라고도 하며, 지난 포스팅에서 알려드렸던 쉘 요소(Shell Element)와 마찬가지로, 3D 모델링의 차원을 낮춰서 해석에 사용하는 메쉬의 수를 최소화하면서도 최적의 결과를 얻을 수 있는 전처리 기법 중 하나인데요.

지금부터 Inventor Nastran에서는 라인 요소를 어떻게 사용하는지, 라인 요소가 무엇인지 알아보겠습니다.

예제 목표

빔과 바 요소를 활용해서 트레일러 프레임의 선형 정적 해석을 수행해보겠습니다.

01. 빔 (Beam) 과 바 (Bar) 요소 소개

02. 트레일러 프레임은 빔 요소 구성되어 있습니다.

03. 사용 단위는 인치, 파운드, 초입니다. 중력 효과를 고려합니다.

^{* Inventor Nastran을 비롯한 CAE 관련 소프트웨어의 언어는 영어로 사용하는 것을 권장드립니다. Inventor Nastran의 소프트웨어와 Help의 한글화가 잘 되어 있지 않아 오히려 이해하는 데에 불편하며, 추가적으로 필요한 자료를 인터넷에 검색할 때도 영문으로 검색하는 것이 더 유리하기 때문입니다.}

해석 모델 불러오기

01. Autodesk Inventor를 실행하고 아래 경로 상에 위치하고 있는 Trailer frame a.ipt 파일을 불러옵니다.
(C:\사용자\공용\공용문서\Autodesk\Inventor Nastran 2025\Tutorial\en-us\Inventor 2025)

02. 원본 파일을 보전하기 위해, File > Save as를 클릭하여 Beams Trailer Frame a.ipt로 다른 이름 저장합니다.

03. Environments > Autodesk Inventor Nastran을 클릭합니다.

04. 해석에 사용할 단위계를 설정합니다.
– Inventor CAD 환경 단위계 변경: Tools > Document Settings > Units으로 이동해 단위를 inch, lbmass (pound)로 설정합니다.
– Inventor Nastran 환경 단위계 변경: 트리에서 Units를 더블클릭하고 inch, lbmass (pound)로 설정된 단위계를 선택합니다.

전처리 과정(Pre-process)

재료 물성치(Material Properties) 설정

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 AISI Carbon Steel 304를 선택하고 OK를 클릭합니다.

06. OK를 클릭합니다.

07. 화면의 좌측에 있는 모델 트리를 확장한 후, Idealization을 우 클릭하고 New 선택합니다.

08. Name을 Beam Cross Section Property로 변경하고, Type에서 Line Element를 선택합니다.
^{* 다양한 종류의 라인 요소들이 있습니다. 소프트웨어에 따라 다르지만 대체적으로 빔 (Beam), 바 (Bar), 파이프 (Pipe)로 크게 분류되며, 같은 라인 요소이지만 다른 방식으로 정의되는 스프링 (Spring), 로드 (Rod), 케이블 (Cable) 요소등이 있습니다. 향후 다른 예제에서 조금씩 다뤄보겠습니다.}

​10. Line Element Type 드롭-다운 메뉴에서 Beam을 선택합니다. 여기서 Beam은 절점당 6개의 자유도를 갖는 1D 요소입니다.

​11. Add to Analysis를 선택하고 Material은 AISI Carbon Steel 304로 설정합니다.

​12. Input Type 그룹 박스에서 Cross Section을 선택하고 Define 버튼을 클릭합니다.

13. Beam 요소의 기하형상 정보 혹은 횡단면을 정의하려면 몇 가지 속성이 필요합니다. 이를 입력하려면 다음과 같은 방법으로 물리적 속성을 수동으로 값을 할당할 수 있습니다. 이 때 Shape에서 미리 만들어진 요소 라이브러리를 사용하는 것이 편리합니다. 참고로 이런 라이브러리는 최대 응력 계산을 위해 PBEAML과 PBARL 요소 매개변수로 생성하고 추가로 이런 개별 단면을 저장하여 재사용할 수 있습니다. 그럼 이제 Shape (형상)으로 Box를 선택하고 아래처럼 치수를 정의합니다. 속성 검토를 위해 Draw End A를 클릭합니다.

14.​ OK를 클릭합니다.

15. Associated Geometry를 체크 해제합니다. 이는 모델 내 각각의 스케치 세그먼트들이 단면 속성을 갖는 단일 메쉬를 생성하게 해줍니다.

16. OK를 클릭합니다.

메쉬(Mesh) 정의

01. 트리에서 Mesh Model을 우 클릭하고 Edit을 선택합니다.

02. Element Size에 4를 입력하고 Element Order는 Linear로 변경합니다.

03. Generate Mesh를 클릭해 메쉬를 생성합니다.

04. Part 트리에서 Element를 우 클릭하고 정의된 단면을 보기 위해 Display Cross Section을 선택합니다.

구속(Constraints) 설정

01. 트리에서 Constraints을 우 클릭하고 New를 선택합니다.

02. Name을 Fixed Beams로 변경하고, 아래 이미지를 참고하여 고정할 엣지를 선택합니다.

03. Subcase 목록에서 Subcase 1을 선택하고 나머지는 기본 설정을 유지합니다.

04. OK를 클릭합니다.

하중(Loads) 설정

01. 트리에서 Loads를 우 클릭하고 New를 선택합니다.

02. Name을 Gravity Load로 변경합니다.

03. Type을 Gravity로 선택합니다. Magnitude 아래 Fy에 –386.4을 입력합니다.

04. OK를 클릭합니다.

구조 해석 설정 및 연산

01. 트리에서, Analysis 1을 우 클릭하고 Edit을 선택합니다.

​02. Element Output Control 탭의 Output Sets에서 Force를 체크합니다.

03. OK를 클릭합니다.

​04. 지금까지 모든 작업을 저장합니다.

​05. 트리에서 Analysis 1을 우 버튼으로 클릭하고 Solve in Nastran을 클릭합니다.

후처리 과정(Post-process): 결과 검토

01. 연산이 완료되면 결과가 자동으로 로딩되며, 트리에서 Results 아래 von Mises를 우 클릭하고 Edit을 선택합니다.

​02. Contour Options 탭에서 Result Data은 Stress를, Type은 BEAM VON MISES STRESS를 선택합니다.

​03. Contour Options과 Deform Options가 선택되었는지 확인한 후, OK를 클릭합니다.

04. Results를 우 클릭하고 New를 클릭합니다.

​07. Contour Options 탭에서 Result Data은 Beam Diagram, Type은 BEAM FORCE END A-Y PLANE 1을 선택합니다.

​08. Name에 Beam Force End를 입력합니다.

​09. 도구상자의 좌측 Beam Diagrams에서 Select Plot Orientation이 Y-Dir로 설정되게 선택되었는지 확인합니다.

​10. Deform Options 탭을 체크 해제하고 OK를 클릭합니다.

라인 요소(Line Element)의 추가 설명

앞서 잠깐 설명해 드렸던 라인 요소(Line Element)의 종류가 있는데 그 중 Bar와 Beam을 예로 들어보겠습니다.

위 그림에서 Xelement(X 방향)은 Grid Point A와 B이며, 트리의 Element를 우 클릭하고 Display Line Element에서 Orientation (위 그림의 Y방향)과 Direction (위 그림의 X방향)을 선택하면, 화면에서 확인할 수 있습니다. 그럼 당연히 정해진 X방향과 Y방향으로 Z 방향이 결정되고 ZX 평면은 Plane 2를 정의하고 XY 평면은 Plane 1을 결정합니다.

Bar와 달리 Beam은 시작과 끝 점의 단면을 다르게 정의해서 Taper 형태를 정의할 수 있습니다.

그리고 Beam과 Bar 요소 모두 티모센코 (Timoshenko) 빔 이론을 적용합니다. 전단 강성 계수는 해당 이론에 따라 효과적으로 횡 전단 단면적을 조정합니다. 사실 라인 요소의 구조물 횡 처짐의 공학적 이론은 오일러 보 이론이 기초가 되었지만, 부재 내 두께 방향으로의 횡전단 변형을 무시하고 단순히 굽힘에 의한 변형만을 반영해왔습니다.

​하지만 부재는 실제 길이에 대한 사대적인 두께비가 증가할 수록 두께 방향으로의 전단 변형은 증가하기 때문에 그 정확성이 감소하므로, 보의 처짐과 기울기를 미지수로 추가한 티모센코 이론을 적용하여 부재의 한 절점에서 처짐과 기울기 자유도를 갖게 함으로써 정확도를 높일 수 있습니다.

마치며…

지금까지 Inventor Nastran을 활용하여 라인 요소를 사용한 예제를 진행해 보았습니다. 전체 3D 모델링을 기준으로 구조 해석하는 것도 좋지만, 조금 더 효율적인 구조 해석이 가능한 라인 요소를 사용해 보시는 것이 어떨까요?

또, 구조 해석에 대한 개념이 더 궁금하신 분들은 저희가 ZW3D를 기준으로 제작한 구조 해석 온라인 교육​이 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

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