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

게시물 Inventor Nastran 으로 해보는 빔 (Beam) 과 바 (Bar) 요소를 활용한 선형 정적 해석 예제이 이거 DAM에 처음 등장했습니다.

지난 포스팅에 이어 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 쉘 요소(Shell Element)와 대칭(Symmetry) 모델링 입니다.

자동차의 각종 판넬, H 또는 I 빔(Beam) 등 전체 크기에 비해 두께가 얇은 구조물​로 이루어진 해석 대상의 메쉬를 생성하는 경우, 손이 많이 가는데요.

예를 들어, 전체 길이와 높이가 각각 3000mm, 2000mm이고 두께가 3t인 판넬의 메쉬를 생성한다고 하겠습니다. 일반적인 가이드를 기준으로 메쉬 사이즈는 1mm 정도로 생성해야 합니다. 그럼 판넬이 평판일 때 대략 1,800만 개 이상의 Hexa 메쉬가 필요하죠. Tetra 메쉬라면 더 많은 양이 필요할 겁니다.
^{* 메쉬 사이즈를 1~2mm로 하는 이유는 해석의 안정성과 정확성을 확보하기 위해 예시 기준 두께 방향으로 최소 3개 층의 메쉬를 생성해야 하기 때문입니다.}

복잡한 구조물도 아닌 단순 평판 판넬임에도 불구하고 2,000만 개 이상의 메쉬가 필요하다면, 사실 상 구조 해석이 불가능하다고 해도 무방합니다. 단순히 메쉬를 생성하는 것도 오래 걸릴 뿐만 아니라 결과를 얻기 위한 연산 시간도 3주가 넘어갈 수 있습니다.
^{* 컴퓨터의 사양, 라이선스의 HPC, 해석 유형에 따라 연산 시간은 상이합니다.}

그럼 이 문제를 어떻게 해결해야 할까요?

구조 해석을 효율적으로 하기 위해서 다양한 전처리 기법이 있습니다. 그 중 하나가 쉘 요소(Shell element)와 대칭(Symmetry) 모델링​을 사용하는 것입니다.

쉘 요소 (Shell Element)

먼저 쉘 요소를 간단히 설명하자면, 3D 모델의 중단면 또는 상, 하단면 중 하나를 2D 모델로 수정하여 1개 차원을 낮춘 뒤, 해당 기하 구조에 두께 정보를 수치적으로 입력하는 방법입니다. 그래서 실제 화면에 보이는 모델은 하나의 면이지만, 해당 면에는 두께 정보가 입력되어 소프트웨어가 3D 모델로 인식하여 연산을 진행합니다.
^{* 형상의 복잡도, 예측 거동 또는 해석의 유형에 따라 쉘 요소 사용이 불가한 경우도 있으며, 쉘 요소를 사용한 모델과 사용하지 않은 모델의 결과가 정확히 일치하지 않을 수 있습니다. 그러므로 해석 검토 단계에서 이 부분을 충분히 고려해야 합니다.}

위에서 예로 들었던 3000 x 2000mm의 3t 판넬을 쉘 요소를 사용하여 메쉬를 생성하면, 메쉬 사이즈가 동일하더라도 생성된 메쉬 수가 1/3로 줄어들죠. 추가적으로 쉘 요소를 사용하면, 메쉬가 생성될 미소 두께가 사라지기 때문에 더 큰 사이즈의 메쉬를 생성할 수 있게 됩니다. 그럼 더 적은 수의 메쉬를 사용할 수 있고, 자연스레 해석 연산 시간도 짧아집니다.

추가적으로 알아야 할 쉘 요소 (Shell Element) 정보

– 쉘 요소는 3차원 공간 상에서 3개 혹은 4개의 노드를 갖는 요소로, 압력 용기 또는 자동차 차체 부품과 같은 개체를 모델링하고 해석하는데 주로 사용됩니다.
– 면 바깥의 회전 자유도는 쉘 요소에서 고려되지 않습니다.
– 선형 정적 해석에서 다음 조건을 충족할 때 대체로 적합합니다.
-> 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 경우 (t/length = 1/10)
-> 작은 변위와 회전
-> 요소들은 평면을 유지하고 심각한 뒤틀림은 없는 경우
-> 두께 전체에 걸친 응력 분포가 선형적인 경우
-> 쉘 요소에 수직한 방향으로 회전하지 않는 경우

대칭 (Symmetry) 모델링

대칭(Symmetry) 모델링은 아마 2D CAD, 3D CAD를 막론하고 CAD 엔지니어라면 누구나 알고 있을 겁니다. 하나 이상의 축 또는 평면을 기준으로 좌우, 상하의 형상이 정확히 동일하다는 의미입니다. 구조 해석을 비롯한 CAE 해석에서는 하나의 개념이 더 추가됩니다.

해당 형상에 가해지는 하중과 예측되는 결과도 그 축 또는 평면을 기준으로 대칭일 것

아무리 대상 형상이 대칭일지라도 그 형상에 가해지는 하중과 예측되는 결과가 대칭이 아닐 경우에는 사용할 수 없습니다. 이점을 주의하셔야 합니다.
^{* 빨간 선: 대칭 축 / 주황 화살표: 하중 / 파란 사각형: 원본 / 빨간 사각형: 예측되는 변형}

추가적으로 알아야 할 대칭 (Symmetry) 모델링 정보

– 대칭 조건이 성립된다면, 전체 모델이 아닌 대칭 평면을 기준으로 절반의 모델만 있으면 됩니다.
– 이 때 대칭 모델로 해석 작업을 진행할 때, 대칭 평면에 따라 올바른 경계 조건을 적용해야만 합니다.
– 아래 그림처럼 대칭 평면에서 이 평면 바깥으로 축 이동과 평면 내에서 2개 축을 기준으로 회전을 제한합니다.
– 경계 조건을 적용할 때 글로벌 평면을 기준으로 자동 적용하는 3개의 옵션이 있습니다. (X, Y, Z Symmetry)
– 이 옵션은 대칭 평면에 수직인 벡터를 참조하는데 예를 들어 X 대칭 버튼은 YZ 평면을 따라 대칭 경계 조건을 적용합니다.

– 더불어 반대칭(Antisymmetry)이 있는데, 이는 기하형상이 평면에 대해 대칭이고, 하중과 결과가 이 평면에 대해 반대칭일 때 해당됩니다.
^{* 반대칭(Antisymmetry) 옵션의 경우, Inventor Nastran에서는 지원하지만 사용하는 구조 해석 소프트웨어에 따라 지원하지 않는 경우도 있습니다.}
– 이 옵션은 반대칭 평면에 수직인 벡터를 참고하는데, 예를 들어 X 반대칭 버튼은 YZ 평면을 따라 반대칭 경계 조건을 적용합니다.
– 마찬가지로 반대칭 역시 모델의 절반만 모델링하면 됩니다.
– 또한 반대칭 모델을 작업할 때도 반대칭 평면을 따라 올바른 경계 조건을 적용해야만 합니다.
– 평면 바깥으로 축 회전을 그리고 평면 내 2개의 축 이동을 구속해야 합니다.
– 경계 조건을 적용할 때 글로벌 평면을 따라 자동으로 반대칭 경계 조건을 적용하는 3개의 옵션이 있습니다. (X, Y, Z Antisymmetry)

– 위의 조건에 해당되지 않는 모델에 대칭 (혹은 반대칭) 조건을 사용할 수 없습니다.
– 흔히 대칭 형상을 갖고 대칭 경계조건을 갖는 모델을 고유 진동수 (모달) 해석에서 진행하려는 실수들이 많습니다.
– 또한 진동이 중요한 일부 동적 해석에서도 사용할 수 없는 경우가 있습니다. 이는 해당 해석들이 질량을 고려하는데 대칭으로 일부 형상만으로 해석을 진행하면 안되기 때문입니다.

예제 목표

이제 예제를 통해 쉘 (Shell) 요소를 활용한 대칭 모델링을 따라해 보겠습니다.

다음과 같이 작업을 수행합니다. :
1. 쉘 모델의 대칭 경계 조건을 정의합니다.
2. 전체 모델과 해석 결과를 비교합니다.

^{* 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.}

모델 열기(Open the Model)

01. Autodesk Inventor을 실행하고 아래 경로 상에 위치하고 있는 Tutorial 3.ipt 파일을 불러옵니다.
(C:\사용자\공용\공용 문서\Autodesk\Inventor Nastran 2025\Tutorial)

02. 해당 파일을 추후 재사용하기 위해, File을 클릭하여, Tutorial 3 Shell Symmetry로 다른 이름 저장하여 원본 파일을 보전합니다.

03. Environments > Autodesk Inventor Nastran을 클릭합니다.

04.해석에 사용할 단위계를 설정합니다.
– Inventor CAD 환경 단위계 변경: Tools > Document Settings > Units으로 이동해 단위를 IPS/inch로 설정합니다.
– Inventor Nastran 환경 단위계 변경: 트리에서 Units를 더블클릭하고 IPS/inch로 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. Name을 Steel로 변경합니다.

03. ν(Poisson’s ratio)에 0.3, E(Young’s Modulus)에 30e6를 입력한다.

03. OK를 클릭합니다.

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

05. Name을 0.125” Shell로 변경하고 Type에서 Shell Element를 선택한다.

06. t(Thickness)에 0.125의 두께 값을 입력한다.

07. OK를 클릭합니다.

메쉬(Mesh) 정의

01. 트리에서 Mesh Model을 우 클릭하고 Edit을 선택합니다.

02. Element Size에 0.08로 입력합니다.

03. Element Order를 Linear로 변경합니다.

04. 모든 설정을 마친 후, 메쉬를 생성하기 위해 Generate Mesh를 클릭합니다.

구속(Constraints) 설정

01. 리본 메뉴의 System 패널에서 Default Settings를 선택합니다.
^{* 구속 삽입의 편의를 위해 축 시스템 좌표계를 표시합니다.}

​02. Display Options을 선택하고 Coordinate System 체크박스를 체크하고 Free Edges 체크 해제합니다.

03. OK를 클릭합니다.

04. 트리에서 Constraints을 우 클릭하고 New를 선택합니다.

05. Name을 X Symmetry로 변경하고, 아래 이미지를 참고하여 형상의 뒤쪽 엣지를 선택한 후 X Symmetry를 클릭합니다.

06. OK를 클릭합니다.
^{* 대칭을 정의할 때 좌표계는 중요합니다. 대칭 평면은 ZY 평면에 대해서 거울상 대칭이라는 점을 유의합니다. 즉 모델은 X축 방향으로 이동이 불가능하지만 X축을 중심으로 회전할 수 있고, Y와 Z축 방향으로 이동할 수 있기 때문에 X축 대칭을 사용해야 합니다. 이는 이 모서리를 따라 롤러를 놓는 것으로 생각할 수 있습니다. 회전은 이러한 자유도를 지원하는 쉘 요소를 사용하고 있기 때문에 이 때 중요합니다.}

07. 다시 Constraint를 우 클릭하고 New를 선택합니다.

08. Name을 Y Symmetry로 변경하고, 아래 이미지를 참고하여 형상의 아래쪽 엣지를 선택한 후 Y Symmetry를 클릭합니다.
^{* 다시 말해 이는 하단 모서리 상에 핀 구속된 롤러를 배치하는 것으로 생각하십시오. 하단 모서리는 Y방향으로는 이동할 수 없지만, X와 Z방향으로는 이동할 수 있습니다. 다시 회전을 고려하면 중요한데 이는 모델의 다른 쪽을 나타내기 때문에 모델이 X 또는 Z 방향으로 회전이 허용될 수 없습니다.}

09. OK를 클릭합니다.

​10. Constraints를 우 클릭하고 New를 선택합니다.

​11. Name을 Z Constraint로 변경하고, 아래 이미지를 참고하여 형상의 아래쪽 점을 선택합니다. 그후, Free 버튼을 클릭하여 모든 자유도를 해제하고 Tz 박스를 체크합니다.

12. OK를 클릭합니다.

하중(Loads) 설정

01. 트리에서 Loads를 우 클릭하고 New를 선택합니다.

​02. Name을 Symmetric 100lbf로 변경합니다.

​03. X-symmetry 구속 모델 반대의 먼 모서리를 선택하고 Fx 에 100을 입력합니다.

04. OK를 클릭합니다.
^{* 대칭 하중을 적용 할 때, 적용 하중은 사용되는 대칭의 양에 따라 스케일링 되어야 한다. 대칭 평면으로 반이 나누는 경우는 하중이 절반으로 감소한다. 따라서, 이 경우, 전체 모델은 실제 200lbf의 하중이 적용 될 것이다.}

후처리 과정(Post-process): 결과 검토

01. 지금까지 모든 작업을 저장합니다.

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

03. 해석이 완료되면, von Mises stress 볼 수 있도록 트리에서 Results > von Mises를 더블 클릭합니다.

04. 동일한 과정을 반복하여 전체 모델을 구성해보고 대칭 모델링 작업의 결과와 비교합니다.

마치며…

지금까지 Inventor Nastran을 활용하여 쉘 요소(Shell element)와 대칭(Symmetry) 모델링 기법 예제를 진행해 보았습니다. 이 두 기법을 통해 전체 3D 모델링을 기준으로 구조 해석하는 것보다 더 효율적으로 작업해 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

게시물 Inventor Nastran 으로 해보는 쉘 요소 & 대칭 모델링이 이거 DAM에 처음 등장했습니다.

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.

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…

지​금까지 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

게시물 Inventor Nastran 으로 해보는 선형 정적 해석 예제 – 브라켓 피팅 모델이 이거 DAM에 처음 등장했습니다.