언제 빔(Beam)요소를 사용하면 안될까요?

SOLIDWORKS® Simulation은 '구조용 멤버'를 자동으로 빔으로 인식하고 처리합니다. 

하지만 이 기본적인 설정을 항상 따라야 하는 것은 아닙니다. 

SOLID CAD Geometry를 표현하기 위해 빔 요소를 사용하는 것은 구조, 메쉬 및 결과의 표현뿐만 아니라 

기하학적으로 단순화하고 다양한 유형의 응력 Plot 및 다른 구성 요소와의 연결에 주요한 결과를 가져올 수 있습니다. 

다만, 경우에 따라 솔리드웍스가 빔으로 간주하지 않도록 해야 할 때가 있습니다. 

이럴 땐 엔지니어 판단이 필요합니다!

Note.✅

SOLIDWORKS 2021버전부터는 이 기본 설정을 변경할 수 있습니다. 

Simulation ▶ Option ▶ Default Option ▶ Mesh에서

Solid Mesh옵션으로 'Mesh all solid body with solid mesh'옵션을 활성화 합니다. 

이 옵션이 활성화되면 SOLIDWORKS Simulation은 모든 Solid, Sheet Metal, Weldment Body를 Solid mesh합니다.

스터디 수준에서 이 옵션이 지정하는 Mesh 할당을 재정의할 수 있습니다. 

Simulation 스터디 트리에서 상단 Part 폴더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 'Treat all sheet metals as shell' 또는 'Treat all weldments as beam'을 선택합니다.

그림 1: 모든 솔리드 바디를 솔리드 메시로 작성 활성화 

SOLIDWORKS Simulation이 SOLID를 빔으로 취급할 때, 시뮬레이션에서는 해당 CAD Geometry를 온전히 표현하지 못합니다. 

이 경우, 솔리드웍스는 경우에 따라 SOLID를 단순한 직선 또는 곡선으로 대체합니다. 

따라서 빔의 각 단면은 해당 선 위의 단일한 점으로 표시됩니다.

단면 특성 값들은 빔 Mesh에 전체적으로 SOLID Mesh와 동등한 거동을 나타냅니다.

Note.✅

빔의 길이에 따라 Cutout, 구멍 또는 뷸규칙한 지오메트리 등이 존재하면 빔 결과 값과 결과 Plot의 3D 렌더링이 부적절하게 나타날 수 있습니다. 

빔 메쉬를 생성하고 해석을 실행하기 전에 구조용 멤버에서 Cutout, 구멍 또는 불규칙한 형상을 제거하는 것이 좋습니다. 

구조용 멤버의 길이에 따라 존재하는 불규칙한 지오메트리를 제거할 수 없으면 보다 정확한 결과를 위해 빔 메쉬 대신 솔리드 메쉬를 사용하십시오. 

바디를 솔리드나 빔으로 취급하면 그 보다 더 많은 결과들을 볼 수 있습니다. 

다음 표는 주요 결과들을 보여줍니다.

표 1: Solid Mesh 및 Beam Mesh 비교 테이블

Solid Mesh	Beam Mesh
해석 시간과 계산 자원(컴퓨팅 리소스)에 대한 비용이 많이 듦.	해석 시간과 계산 자원(컴퓨팅 리소스)에 대한 비용이 적게 듦
형상 보존	선으로 대체된 형상
하중 조건에 따라 단면이 변형될 수 있음	빔 요소이기 때문에 단면이 변형되지 않음
솔리드 메쉬 및 일반 FEA 이론에 의한 기계적 거동	단면 특성과 보 이론에 의한 기계적 거동
메쉬 내 모든 절점의 응력의 6가지 성분	중립 축에서 특수 응력 성분(축, 전단 및 굽힘)
von-Mises Stress	von-Mises Stress 사용 불가능
응력 핫스팟을 고려할 수 있음	응력 핫스팟 무시할 수 있음
메쉬의 모든 노드에 대한 변위 결과 확인 가능	빔의 노드(단면 중심)에서만 변위 결과 확인 가능
접촉 상호 작용 가능	접촉 상호 작용 불가능
단면의 국부적 변형 가능	단면의 국부적 변화가 없다고 가정
다른 부품과의 세밀한 상호작용	다른 부품과의 상호작용이 세밀하지 않음
재료 모델의 종류 제한 없음 (von Mises Plasticity, Hyprelastic, Orthotropic 등은 연구 유형에 따라 사용 가능)	선형 등방성 재료

다음으로 보여드릴 예제는 빔 요소를 권장하지 않는 사례 입니다❗​

Example 1

아래 이미지에서 Triangular Stiffeners를 고려한다면 수직 I Beam을 Beam 요소로 취급하면 안됩니다. 

SOLIDWORKS Simulation 2013 이후로 Shell요소와 Beam(Gusset)의 결합을 지원합니다.

하지만 빔 요소는 이미지에 표시된 디자인의 세부적인 표현을 하는 것이 불가능 합니다.