Siemens NX 부력 계산: 밀도·부피 측정부터 부력중심까지
Siemens NX에서 부력을 계산할 때 가장 중요한 값은 재질의 무게가 아니라 유체가 실제로 밀려난 체적, 즉 잠긴 체적(Displaced Volume)입니다.
NX의 Measure Body·Mass Properties를 이용하면 모델의 Volume, Mass, Density, Center of Mass와 관성값 등을 확인할 수 있고, 여기에 물·해수·오일 등 유체의 밀도를 적용하면 아르키메데스 원리로 정적인 부력을 계산할 수 있습니다.
단, 여기서 가장 많이 틀리는 부분이 있습니다.
밀폐된 빈 통이나 플로트처럼 내부가 비어 있는 구조물은 NX에서 계산한 ‘재료 자체 Volume’을 그대로 부력 계산에 사용하면 안 됩니다.
부력은 물체의 재료가 차지하는 양이 아니라 유체가 들어오지 못해 실제로 밀려난 외형 체적을 기준으로 발생하기 때문입니다.
NX CAD 물체 밀도·부피·질량 측정방법
최근 Siemens 제품에서는 Mass Properties 기능이 더 체계적으로 관리되고 있지만, 기존 NX 버전에서도 기본 원리는 같습니다.
검색과 기존 사용자 기준으로는 여전히 NX라는 명칭을 많이 사용하지만, Siemens는 최근 제품군 명칭을 Designcenter로 변경했습니다.
1. 재질과 Density 먼저 확인
- Part 또는 Assembly에서 측정할 Body를 확인합니다.
- 실제 제품과 동일한 Physical Material 또는 Density가 적용되어 있는지 확인합니다.
- Assembly라면 파트마다 서로 다른 재질이 제대로 입력됐는지 확인합니다.
- 모델 단위와 Density 단위를 함께 확인합니다.
재질이 정확해야 Mass와 Center of Mass가 현실적인 값으로 계산됩니다.
관련글 : UG NX 밀도 Density·무게 Mass·Volume 측정방법
2. Measure Body에서 Volume과 Mass 확인
NX 버전에 따라 UI 위치가 조금씩 다르지만 일반적으로 Analysis → Measure → Measure Body 계열에서 Body를 선택합니다.
- Volume : 솔리드 체적
- Mass : Density가 반영된 질량
- Weight : 중량
- Surface Area : 표면적
- Center of Mass : 질량중심
- Moment of Inertia : 관성모멘트
부력 계산에서는 Volume이 핵심이고, 물체가 뜨는지 가라앉는지를 판단할 때는 Mass도 함께 사용합니다.
NX 부력 공식과 단위
| 기호 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| Fb | 부력 | N |
| ρ | 유체 밀도 | kg/m³ |
| Vsub | 유체에 잠겨 실제로 밀어낸 체적 | m³ |
| g | 중력가속도 | m/s² |
물·해수·오일 밀도값
| 유체 | 계산용 Density | 주의사항 |
|---|---|---|
| 담수 약 4℃ | 약 1,000 kg/m³ | 간단 계산에 많이 사용 |
| 담수 약 20℃ | 약 998.2 kg/m³ | 상온 물 계산용 참고값 |
| 해수 | 약 1,025 kg/m³ | 온도·염도에 따라 변동 |
| 일반적인 광유 | 약 800~900 kg/m³ | 실제 오일 데이터시트 우선 |
| 공기 | 약 1.2 kg/m³ | 온도·기압에 따라 차이가 큼 |
정밀 시험이나 인증 계산에서는 표의 대표값보다 실제 사용 유체의 온도·농도·염도에 따른 Density를 적용해야 합니다.
NX Volume이 곧 부력 체적인 것은 아니다
단순한 금속 블록이라면 완전히 잠겼을 때 NX의 Solid Volume과 Displaced Volume이 사실상 같습니다.
하지만 실제 설계에서는 그렇지 않은 경우가 많습니다.
| 형상 | 부력 계산에 사용할 Volume |
|---|---|
| 꽉 찬 금속 블록 | 잠긴 Solid Volume |
| 밀폐된 빈 플로트 | 외부 형상으로 밀어낸 전체 잠긴 체적 |
| 물이 들어가는 열린 용기 | 물이 들어오지 못하는 부분만 Displacement에 기여 |
| Assembly 틈 사이로 물이 흐름 | 단순 Assembly Bounding Volume을 사용하면 안 됨 |
| 내부에 공기가 갇힌 구조 | 씰링 상태와 실제 유체 침투영역을 반영 |
NX에서 재료 부분만 Solid로 모델링한 얇은 철판 플로트라면 Measure Body의 Volume은 철판 재료의 체적입니다.
하지만 부력에는 철판 안쪽에 밀폐된 공기 공간을 포함해 외형이 밀어낸 물의 체적을 사용해야 합니다.
NX 부력 실시간 계산기
NX Measure Body에서 얻은 체적값을 그대로 입력할 수 있도록 mm³·cm³·L·m³ 단위변환을 포함했습니다.
물체의 실제 질량까지 입력하면 부력과 중량을 비교해 떠오르는지·가라앉는지도 함께 계산합니다.
NX mm³를 m³·L로 변환하는 방법
NX를 mm 단위로 사용하는 경우 Volume 결과가 mm³로 표시되는 일이 많습니다.
| NX Volume | m³ 변환 | 리터 |
|---|---|---|
| 1 mm³ | 0.000000001 m³ | 0.000001 L |
| 1,000 mm³ | 0.000001 m³ | 0.001 L |
| 1,000,000 mm³ | 0.001 m³ | 1 L |
| 1,000,000,000 mm³ | 1 m³ | 1,000 L |
즉 NX의 mm³ 값을 m³로 바꾸려면 다음과 같이 계산합니다.
Volume(m³) = Volume(mm³) × 10⁻⁹물체가 뜨는지 가라앉는지 계산
부력만 계산해서는 물체가 실제로 뜨는지 알 수 없습니다.
물체의 중량은 다음과 같습니다.
- Fb > W → 위로 가속하려는 상태
- Fb < W → 아래로 가라앉으려는 상태
- Fb = W → 수직방향 힘이 평형
떠 있는 물체의 평형 잠긴 체적 계산
자유롭게 떠 있는 물체가 정지 상태에 도달하면 기본적으로 부력과 중량이 같아집니다.
예를 들어 질량이 10kg인 밀폐 구조물을 담수 1,000kg/m³에 띄운다면 평형 상태에서 필요한 Displaced Volume은 약 0.01m³ = 10L입니다.
물체가 최대로 밀어낼 수 있는 체적이 이보다 작다면 충분한 부력을 만들 수 없기 때문에 가라앉습니다.
부분 잠김 부력 NX에서 계산하는 방법
플로트나 선박형 구조, 수조 장착물처럼 물체 일부만 물속에 들어간 경우 전체 Volume을 사용하면 안 됩니다.
현재 Waterline 아래에서 실제로 유체를 밀어낸 Volume만 따로 구해야 합니다.
NX에서 잠긴 체적 만드는 기본 흐름
- 현재 예상 수면 높이에 Datum Plane을 만듭니다.
- 물체의 외형을 기준으로 유체가 들어오지 못하는 Displacement 영역을 준비합니다.
- 수면 아래쪽 부분만 남도록 Body를 분할하거나 Boolean Intersect/Common 계열 명령으로 잠긴 Volume을 만듭니다.
- 생성된 잠긴 Body에 Measure Body를 실행합니다.
- Volume 값을 부력 계산기에 입력합니다.
- 부력과 실제 Weight를 비교합니다.
- 떠오르거나 가라앉는다면 Waterline을 변경해 다시 계산합니다.
자유 부유체의 정적 Waterline을 찾는 목적이라면 Fb = W가 되는 높이까지 수면 평면을 이동하며 반복하면 됩니다.
무게중심과 부력중심 차이
무게중심 Center of Gravity / Center of Mass과 부력중심 Center of Buoyancy은 같은 값이 아닙니다.
| 구분 | 기준 |
|---|---|
| Center of Mass | 물체의 질량 분포 중심 |
| Center of Buoyancy | 밀려난 유체 체적의 도심 |
균일한 밀도의 유체라면 부력중심은 바로 잠긴 Displacement Volume의 체적 중심에 위치합니다.
NX에서 부력중심 구하는 실무 방법
- 먼저 실제 잠긴 Displacement Volume을 하나의 별도 Solid Body로 만듭니다.
- 그 Body의 Volume과 Centroid 계열 값을 확인합니다.
- 현재 NX 환경에서 Center of Mass만 쉽게 표시된다면 Displacement Body에 균일한 임의 Density를 적용합니다.
- 균일 Density Body에서는 Center of Mass와 체적 중심이 같은 위치이므로 이를 Center of Buoyancy로 사용할 수 있습니다.
무게중심 계산용 원본 Assembly의 Material 정보를 건드리기보다 부력 계산용 Displacement Body를 별도로 만들어 그 Body의 중심을 확인하는 방식이 안전합니다.
참고 : 무게 중심을 구하는 방법
부력은 맞는데 물체가 한쪽으로 기우는 이유
부력과 중량의 크기가 같아도 물체의 자세가 안정적이라는 뜻은 아닙니다.
무게중심과 부력중심의 작용선이 어긋나면 회전 모멘트가 생기며, 물체가 기울어지면 잠긴 형상이 변하면서 부력중심 위치도 다시 이동합니다.
그래서 실제 플로트·부유 구조물의 안정성을 판단할 때는 단순히 Center of Gravity와 Center of Buoyancy 두 점만 비교해서는 부족합니다.
간단한 초기 복원성은 Metacentric Height까지 확인
선박·플로트처럼 자유수면에서 떠 있는 구조물의 작은 기울기에 대한 초기 안정성은 일반적으로 Metacenter와 GM(Metacentric Height) 개념까지 함께 봅니다.
일반적으로 작은 기울기 조건에서 GM이 양수면 초기 복원성이 있고, 음수면 불안정할 가능성이 높습니다.
다만 실제 장비 인증이나 선박 안정성 계산은 파랑, 자유수면, 탱크 슬로싱, 여러 침수상태 등을 고려해야 하므로 단순 CAD 부력 계산만으로 설계를 확정하면 안 됩니다.
NX 부력 계산 예제
NX에서 잠긴 체적이 50,000,000mm³로 측정됐다고 가정하겠습니다.
먼저 m³로 변환합니다.
50,000,000 mm³ × 10⁻⁹
= 0.05 m³담수 Density를 1,000kg/m³, 중력가속도를 9.80665m/s²로 적용하면 다음과 같습니다.
Fb = 1000 × 0.05 × 9.80665
Fb = 490.3325 N
≈ 50 kgf즉 약 50kg 상당의 중량을 지지할 수 있는 부력이 만들어집니다.
하지만 구조물 자체 질량이 60kg이라면 중량이 더 크기 때문에 완전히 잠긴 상태에서도 계속 가라앉습니다.
Assembly 부력 계산할 때 주의할 점
- 볼트 사이 틈을 물이 통과하는지 확인
- 중공 파트의 내부가 실제로 밀폐되는지 확인
- 고무 Seal·O-ring 상태 확인
- 케이블 홀·Drain Hole·Vent Hole 확인
- 내부 포켓에 갇히는 공기 확인
- 조립되지 않은 부품이 Mass Properties에 포함됐는지 확인
- 도장·코팅·액체 내용물의 질량 확인
- Assembly Reference Set에 누락된 Body가 없는지 확인
특히 내부 공기층이 부력에 큰 영향을 주는 구조물은 실제로 물이 어디까지 들어오는지를 먼저 정의하지 않으면 CAD 계산이 아무리 정확해도 결과가 맞지 않습니다.
NX Mass Properties를 Assembly에서 활용하는 방법
Assembly 단계에서는 단순히 총 Mass만 보는 것보다 Actual·Estimated·Budget 등 질량정보를 관리하면서 목표중량과 현재 설계값을 비교하는 방식도 사용할 수 있습니다.
질량 관리가 중요한 자동차·항공·로봇·치공구 설계라면 부력 계산 이전에 Assembly 자체의 Mass와 Center of Gravity가 제대로 관리되고 있는지 먼저 확인하는 것이 좋습니다.
단순 부력 계산으로 부족한 경우
지금까지 계산한 방법은 정적인 정수압 조건의 1차 설계 검토에 적합합니다.
다음 조건까지 분석해야 한다면 단순 Archimedes 계산보다 유체 해석이 필요합니다.
- 흐르는 물속의 Drag와 Lift
- 빠른 상승·하강에 따른 유체저항
- 프로펠러·펌프 주변 유동
- 파도와 자유수면 변화
- 유체 압력분포
- 열과 유체의 연성
- 내부 유체 흐름
이런 문제는 NX CAD의 단순 Mass Properties 계산과 구분해 Simcenter FLOEFD for NX 계열의 CFD 해석과 같은 방법을 검토하는 것이 좋습니다.
NX 부력 계산 FAQ
NX에서 부력 값을 직접 보여주나요?
일반적인 NX CAD의 Measure Body·Mass Properties에서는 Volume, Mass, Density, Center of Mass 등의 기초값을 얻고, 부력은 유체 Density와 중력을 적용해 별도로 계산하는 방식이 이해하기 쉽습니다. 전용 해석·Ship Design·CFD 환경은 기능 범위가 다를 수 있습니다.
NX에서 나온 Volume을 그대로 계산기에 넣으면 되나요?
꽉 찬 단순 Solid가 완전히 잠겼다면 사용할 수 있습니다. 하지만 밀폐된 중공 구조물은 재료 Volume이 아니라 외형이 실제로 밀어낸 Displaced Volume을 사용해야 합니다.
물의 밀도는 무조건 1000kg/m³인가요?
빠른 계산에는 1,000kg/m³를 많이 사용하지만 상온 담수는 약 998kg/m³ 수준이며 온도에 따라 달라집니다. 해수는 염도와 온도에 따라 약 1,025kg/m³ 전후로 달라질 수 있습니다.
NX Volume이 mm³이면 어떻게 계산하나요?
mm³ 값에 10⁻⁹를 곱하면 m³로 변환됩니다. 위 계산기는 mm³를 선택하면 자동으로 변환합니다.
부력중심과 무게중심은 같은 위치인가요?
다릅니다. 무게중심은 물체 질량분포의 중심이고 부력중심은 잠긴 Displaced Volume의 중심입니다.
부력중심을 NX에서 구하려면 어떻게 하나요?
수면 아래의 Displacement Body를 따로 만들고 그 Body의 Volume Center를 구하는 방식이 가장 명확합니다. Center of Mass만 이용한다면 해당 임시 Body에 균일한 Density를 적용하면 질량중심과 체적중심이 일치합니다.
부력보다 중량이 작으면 무조건 안정적으로 뜨나요?
아닙니다. 위로 뜨는 힘과 자세 안정성은 다른 문제입니다. 실제 부유 안정성은 무게중심·부력중심뿐 아니라 Waterplane 형상과 Metacenter까지 함께 검토해야 합니다.
Assembly 안에 빈 공간이 있으면 모두 부력에 포함되나요?
아닙니다. 유체가 실제로 들어갈 수 있는 빈 공간은 외부 유체에 의해 채워질 수 있으므로 단순히 Assembly의 외곽 Bounding Volume 전체를 부력체적으로 사용하면 안 됩니다. Seal과 Opening 상태를 기준으로 Displaced Volume을 만들어야 합니다.
NX 부력 계산 최종 정리
NX에서 부력 계산 자체는 어렵지 않습니다.
잠긴 체적 × 유체 밀도 × 중력가속도를 적용하면 정적인 부력을 계산할 수 있고, 실제 물체의 Mass와 비교하면 떠오르는지 가라앉는지도 판단할 수 있습니다.
다만 실무에서는 공식보다 어떤 Volume을 사용해야 하는지가 훨씬 중요합니다.
Solid 블록은 NX Volume을 그대로 사용할 수 있지만, 밀폐된 플로트·Hollow Assembly·수조 장착물은 실제 유체가 밀려나는 Displacement 영역을 따로 모델링해야 합니다.
그리고 물체가 떠 있는 자세까지 검토한다면 Center of Mass와 Center of Buoyancy를 분리해서 확인하고, 안정성이 중요한 구조는 Metacentric Height나 CFD·전용 해석까지 이어서 검증하는 것이 좋습니다.
