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1. 개요

우리가 구조물을 건설하기 위해 수행하는 계산과정은 다양한 방법이 사용되고 있지만, 그중 유한요소해석을 통해 많은 부분 수행되고 있습니다. midas Civil을 이용해 간단한 1차원 보 요소를 사용해 교량을 전체 구조계 설계하고, 보다 정밀한 결과를 얻기 위해 midas Civil 또는 FEA NX를 이용해 2차원 판 요소를 활용해 상세 설계하고 있습니다. 그리고 복잡한 형상을 가진 구조물 또는 보다 정밀한 응력흐름을 확인하기 위해 midas Civil 또는 FEA NX로 3차원 솔리드 모델을 활용한 해석을 진행하고 있습니다.

1차원 요소와 2차원 요소를 만드는 데도 많은 시간이 걸리는데… 2차원 도면을 통해 형상을 알아보기도 힘든 3차원 솔리드 모델을 만드는 과정, 많이 어려우셨나요? 이번 텐츠에서는 스마트 건설 개념 중 아마도 구조해석 분야에서 가장 효율성 높은 개념인 모델 리싸이클링(Recycling)을 활용하는 방법을 소개하겠습니다.

2. 유한요소해석(FEA : Finite Element Analysis)의 개념 및 절차

유한요소해석(FEA : Finite Element Analysis)은 복잡한 수치해석을 수행하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용하는 방법 중 하나입니다. 다양한 수치해석 기법들의 공통적인 특징은 계산에 필요한 수학적인 표현(대부분 미분방정식)을 행렬식으로 변환하여 근사적인 해답을 구하는 것입니다.

복잡해 보이는 개념이지만, 물리계 안에서 구조물이 내부 또는 외부적인 조건 등으로 인해 발생하는 변형과 같은 복잡한 물리적 특성을 시뮬레이션하는 수치해석 기법 하나로 이해하시면 될 듯합니다.

이러한 계산을 위해 무한한 점 및 요소로 이루어진 기하 모델은 우리가 원하는 값을 계산하기 위해서 무한한 연산을 수행해야 하기에, 컴퓨터가 계산에 필요한 점을 알 수 있도록 아래 그림과 같이 유한개의 요소로 구분하여 유한요소모델로 변경하는 작업을 진행해야 합니다.

<그림 1. 기하모델과 유한요소모델의 차이>

위 그림에 보이는 것처럼 점(요소)의 개수가 많아질수록 연산해야 하는 방정식의 수가 많아지게 되므로 해석에 많은 시간이 걸립니다. 따라서, 유한요소모델을 생성하는 단계에서 요소의 개수를 최소화할 수 있도록 모델링을 수행해야 합니다.

일반적으로 유한요소 해석을 진행하는 절차는 아래와 같습니다.

<그림 2. 유한요소해석의 절차>

이러한 유한요소해석을 수행하기 위해 전처리 과정(Pre-process)에서 기하 모델과 유한요소모델을 생성해야 합니다. 유한요소 모델은 midas Civil과 같이 기하모델 없이 직접 생성하는 경우도 있지만(Method 1), 기하모델(Geometry)에 요소망을 생성하는 기능을 통해 유한요소모델로 생성하기도 합니다(Method 2).

<그림 3. 유한요소모델 생성 방법>

유한요소모델을 생성하기 위한 기하 모델은 구조해석에 필요한 정보 없이 단순히 형상 정보만을 가지고 있는 모델입니다. 형상 정보만을 가지고 있는 모델이므로 곡선을 포함에 모델링이 가능하기에 점과 직선으로 만들어진 각 요소의 조합으로 생성되어야 하는 유한요소모델 보다 자유로운 형상을 모델링 할 수 있다는 장점이 있습니다.

따라서, 기하 모델은 구조해석프로그램에서 모델링하는 경우도 있지만 midas CIM처럼 3차원 모델을 수행할 수 있는 다양한 프로그램을 통해 모델링을 수행하는 경우도 있습니다. 구조해석에 사용되는 모델은 일반적으로 아래와 같은 상하관계를 가지고 있습니다. 이러한 상하관계는 기하 모델과 유한요소모델에 동일하게 적용됩니다.

<그림 4. 모델형상의 상하관계>

점(Point), 선(Edge), 면(Face), 솔리드(Soild)를 이용해 기하 모델을 만드는 작업은 생각 외로 복잡한 작업일 수 있습니다. 유한요소해석을 수행하기 위해 만들어야 하는 기하 모델을 단독으로 만드는 것이 아닌 기존에 만들어 놓은 3차원 모델을 재활용(Recycling)할 수 있다면 작업에 많은 도움이 될 것입니다.

3. midas CIM과 FEA NX를 활용한 모델 리싸이클링(Recycling)

midas CIM에서는 엔지니어의 업무에 도움이 될 수 있도록 기하 모델의 생성을 위한 다양한 포맷(Format)의 파일을 제공하고 있습니다. 그 중 Parasolid 포맷(.X_T)을 사용할 경우 FEA NX로 바로 연동할 수 있으므로 조금 더 편리하게 기하 모델을 활용한 유한요소모델을 생성할 수 있습니다.

아래 영상은 midas CIM에서 제공하고 있는 스마트템플릿 기능으로 생성한 FCM 교량의 중 일부인 텐던 정착구 부분의 기하 모델을 이용해 상세해석을 위한 유한요소모델을 생성하는 것입니다.

<영상 1. 모델 리싸이클링(midas CIM과 FEA NX 활용)>

영상에서 보시는 것과 같이 기존에 생성해 놓은 3차원 모델에 재료물성(FEA NX 내 데이터베이스 이용)과 요소망 생성 특성을 적용하는 것만으로 유한요소모델을 생성하는 작업이 가능합니다. 이제는 해석단계별로 여러 개의 모델을 생성할 필요 없이, 잘 만들어 놓은 하나의 모델을 재활용해 전체 구조계 해석과 상세 해석에 필요한 다양한 모델을 생성할 수 있습니다.

물론, FEA NX는 midas CIM과의 연동 뿐 아니라 Parasolid, ACIS, Step, Iges, Pro-E, CATIA 등 다양한 포맷의 파일을 불러들일 수 있는 기능(Import)을 제공하고 있으므로, 3차원 모델을 생성할 수 있는 대부분의 프로그램과 연동이 가능합니다.

이러한 FEA NX의 모델 내보내기(Export)와 불러오기(Import) 기능은 엔지니어 본인에게 가장 익숙한 환경의 3차원 모델 프로그램을 활용해 복잡하고, 특수한 형상의 모델을 유한요소모델로 편리하게 생성할 수 있는 장점이 있습니다.
또한, midas CIM을 이용해 midas Civil을 구조해석에 필요한 1차원 보 요소와 2차원 판 요소를 생성을 위한 연동 역시 가능합니다. 

관련 내용은 아래 컨텐츠에서 확인해 주세요.

케이슨 BIM 모델을 구조해석 모델로? (CIM을 활용한 구조해석모델 생성) (클릭)↗

4. 결론

유한요소해석을 수행할 때 가장 많은 시간이 필요한 작업은 아마도 기하모델을 만드는 작업이었을 것입니다. 도면을 통해 구조물의 형상을 이해하는데부터 많은 시간이 걸렸지만, 이제는 기존에 만들어 놓은 3차원 모델링을 재활용해 엔지니어에게 필요한 다양한 해석조건에 맞는 유한요소모델을 생성할 수 있습니다. 유한요소모델, 이제부터는 직접 만들지 말고 초기설계단계에서 만들어 놓은 3차원 모델을 활용해 생성하세요.

앞으로도 마이다스아이티는 최신 설계 트랜드에 맞게 엔지니어 여러분의 시간과 업무량을 감소시킬 수 있는 다양한 방법을 컨텐츠를 통해 알려드리겠습니다.

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