ANALISIS SIMULASI ELEMEN HINGGA KEKUATAN
CRANE HOOK MENGGUNAKAN PERANGKAT
LUNAK BERBASIS SUMBER TERBUKA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
GUNAWAN NIM. 050401024
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Crane Hook adalah alat pengait yang tardapat pada pesawat angkat (crane). Crane Hook harus dirancang dengan memperhitungkan secara detail baik mengenai faktor
keamanan, lokasi tegangan kritis maupun displacement yang terjadi ketika pembebanan berlangsung. Untuk menganalisisnya perlu dilakukan simulasi elemen hingga. Selain software analisis elemen hingga berbayar terdapat software analisis elemen hingga yang tidak berbayar yakni yang berbasis open source. Salah satunya adalah Salome Meca. Crane Hook yang disimulasikan mengunakan Salome Meca dibandingkan hasilnya dengan hasil simulasi Microsoft visual Nastran 2004 yang berbayar, sehingga diperoleh perbandingan tegangan von mises 164,51 MPa banding 174 MPa dan perbandingan displacement adalah 0,679 mm banding 0.746 mm. Lokasi tegangan kritis terjadi pada daerah perut dalam hook bagian atas sedangkan displacement maksimum terjadi pada bagian bawah sebelah ujung hook. Hasil simulasi kedua perangkat lunak tersebut tidak jauh berbeda.Nilai tegangan
von mises berada di bawah kekuatan tarik material hook yakni 710 MPa. Faktor
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING ii
LEMBARAN PERSETUJUAN DARI PEMBANDING iii
SPESIFIKASI TUGAS iv
LEMBARAN EVALUASI SEMINAR SKRIPSI v
KATA PENGANTAR vi
ABSTRAK vii
DAFTAR ISI viii
DAFTAR TABEL x
DAFTAR GAMBAR xii
DAFTAR NOTASI xiv
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1Latar Belakang 1
1.2Perumusan Masalah 3
1.3Batasan Maslah 3
1.4Tujuan Penelitian 3
1.5Manfaat 4
1.6Sistematika Penulisan 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA` 6
2.1Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga 6 2.1.1 Perangkat Lunak Elemen Hingga Berbayar 7 2.1.2 Microsoft Visual Nastran 2004 8 2.2Perangkat Lunak Sumber Terbuka (Open Source Software) 8
2.2.1 Perangkat Lunak Metode Elemen Hingga Berbasis
Open Source 9
2.2.2 Salome 10
2.2.3 Code Aster 11
2.2.4 Salome Meca 12
2.3Metode Elemen Hingga 13 2.3.1 Matriks Kekakuan Elemen 14 2.3.2 Tipe – Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga 15 2.3.3 Penerapan Metode Elemen Hingga pada kasus
linier statis 16
2.3.4 Penyelesaian Metode Elemen Hingga dengan
Code Aster 27
2.4 Kait (Crane hook) 32 2.4.1 Tipe Crane hook 33 2.4.2 Tegangan pada Crane hook 35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 37
3.1Instalasi Sistem Operasi Distro Linux 37 3.2Instalasi Aplikasi Salome Meca 41
3.3Simulasi 44
3.3.1 Spesifikasi Crane Hook 44 3.3.2 Simulasi Pada Salome-Meca 45 3.3.3 Simulasi Pada Microsoft Visual Nastran 2004 57 3.4Diagram Alir Simulasi 62 3.4.1 Diagram alir simulasi dengan Salome Meca 62 3.4.2 Diagram alir simulasi dengan Microsoft Visual Nastran 64 3.5Diagram Alir Peneltian 66
BAB IV HASIL DAN DISKUSI 68
4.1Hasil simulasi Crane Hook dengan Salome Meca 68 4.2 Hasil simulasi Crane Hook dengan Microsoft Visual
Nastran 2004 70
4.3Perbandingan simulasi Salome Meca dan Nastran 72
4.4Diskusi 74
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 77
5.1Kesimpulan 77
5.2Saran 78
DAFTAR PUSTAKA xv
LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
HAL
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 Microsoft Visual Nastran 2004 8
Gambar 2.2 Modul post-processing pada Salome 11
Gambar 2.3 Skema penyelesaian elemen hingga dengan salome dan Code Aster. 13
Gambar 2.4 Struktur rangka batang 13
Gambar 2.5 Diskritisasi benda pejal umum 14
Gambar 2.6 Elemen 1 Dimensi 15
Gambar 2.7 Elemen 2 Dimensi segitiga dan segiempat 15
Gambar 2.8 Elemen 3 Dimensi tetrahedra dan balok 16
Gambar 2.9 Tegangan yang berkerja pada suatu bidang 17
Gambar 2.10 Elemen Tetrahedron 4 titik nodal. 23
Gambar 2.11 Elemen Tetrahedron 10 titik nodal 24
Gambar 2.12 Diagram tegangan-regangan 26
Gambar 2.13 Isi pada file comm 29
Gambar 2.14 Antarmuka EFICAS 30
Gambar 215 Format Eficas dan Format File Comm 31
Gambar 2.16 Crane hook 32
Gambar 2.17 Analisis elemen hingga pada crane hook 33
Gambar 2.18 Single hook/kait tunggal 34
Gambar 2.19 Double hook/kait ganda 34
Gambar 2.20 Kait mata segitiga 35
Gambar 2.21 Tegangan bending pada beam lengkung 35
Gambar 3.1 Tampilan pilihan instalasi 37
Gambar 3.2 Tampilan pilihan bahasa 38
Gambar 3.3 Tampilan pilihan lokasi waktu 38
Gambar 3.4 Tampilan pilihan susunan papan ketik 39
Gambar 3.5 Tampilan persiapan ruang disk 39
Gambar 3.6 Tampilan pengisian data pengguna 40
Gambar 3.7 Tampilan siap untuk diinstal 40
Gambar 3.8 Tampilan Proses Instalasi Sistem 41
Gambar 3.9 Tampilan Instalasi Selesai 41
Gambar 3.10 Mengunduh Salome-Meca 42
Gambar 3.11 Menuju ke direktori Salome-Meca 42
Gambar 3.13 Pembukaan Salome Meca 44
Gambar 3.14 Antarmuka modul geometri 45
Gambar 3.15 Mengimport geometri dengan format STEP 46
Gambar 3.16 Geometri hook.STEP yang berhasil diimport 46
Gambar 3.17 Pembuatan grup pada face sebagai constrain area 47
Gambar 3.18 Pembuatan grup pada face sebagai load area 47
Gambar 3.19 Penentuan hipotesis dan algoritma mesh 48
Gambar 3.20 Hasil meshing dengan hipotesis automatic tetrahedron 49
Gambar 3.21 Wizard analisis lenear elastis 50
Gambar 3.22 Pemasukan data material properties awal 50
Gambar 3.23 Pemberian nilai pada area constrain 51
Gambar 3.24 Pemberian nilai beban tekanan 51
Gambar 3.25 Update mesh 52
Gambar 3.26 Antarmuka EFICAS 52
Gambar 3.27 Korelasi anatara EFICAS dengan Code Aster 54
Gambar 3.28 Setting parameter processor 55
Gambar 3.29 Melakukan penyelesaian analisis (solving) 55
Gambar 3.30 Antar muka Microsoft Visual Nastran 2004 57
Gambar 3.31 Import Geometri 58
Gambar 3.32 Mendefinisikan tumpuan dan beban 58
Gambar 3.33 Mendefinisikan Material Properties Nastran 59
Gambar 3.34 Menentapkan Ukuran Mesh 59
Gambar 3.35 Proses Meshing Nastran 60
Gambar 3.36 Pemilihan tipe analisis 60
Gambar 3.37 Post-Processing Nastran 61
Gambar 3.38 Diagram Alir Simulasi Dengan Salome Meca 62
Gambar 3.39 Diagram Alir Simulasi dengan Microsoft.VisualNastran 2004 64
Gambar 3.40 Diagram Alir Penelitian 66
Gambar 4.1 TeganganVon -Misses Crane Hook menggunakan Salome Meca 68
Gambar 4.2 Letak titik kritis pada crane hook menggunakan Salome Meca 69
Gambar 4.3 Tampilan nilai Displacement pada crane hook menggunakan
Salome Meca 70
Gambar 4.4 Tegangan Von Mises pada Crane Hook menggunakan
Microsoft Visual Nastran 71
Visual Nastran 71
Gambar 4.6 Displacement pada Crane Hook menggunakan Microsoft Visual
Nastran 72
DAFTAR NOTASI
σ = tegangan normal (N/m2)
F = gaya yang bekerja tegak lurus terhadap potongan (N) u (x) = fungsi peralihan elemen
{ }
= vektor kolom[ ]
k = matriks kekauan elemen{σ } = vektor tegangan
τ = tegangan geser (N/m2)
V = komponen gaya yang sejajar dengan bidang elementer (N) A = luas bidang (m2)
σ x = tegangan normal yang bekerja pada bidang x (N/m2)
σ y = tegangan normal yang bekerja pada bidang y (N/m2)
σ z = tegangan normal yang bekerja pada bidang z (N/m2)
τ xy = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah y (N/m2)
τ xz = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah z (N/m2)
τ yz = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah z (N/m2)
E = modulus Young (MPa) {ε} = matrik kolom regangan
[d] = matrik operator dengan peralihan {u} = matrik kolom peralihan
δ = pertambahan panjang total (mm)
ABSTRAK
Crane Hook adalah alat pengait yang tardapat pada pesawat angkat (crane). Crane Hook harus dirancang dengan memperhitungkan secara detail baik mengenai faktor
keamanan, lokasi tegangan kritis maupun displacement yang terjadi ketika pembebanan berlangsung. Untuk menganalisisnya perlu dilakukan simulasi elemen hingga. Selain software analisis elemen hingga berbayar terdapat software analisis elemen hingga yang tidak berbayar yakni yang berbasis open source. Salah satunya adalah Salome Meca. Crane Hook yang disimulasikan mengunakan Salome Meca dibandingkan hasilnya dengan hasil simulasi Microsoft visual Nastran 2004 yang berbayar, sehingga diperoleh perbandingan tegangan von mises 164,51 MPa banding 174 MPa dan perbandingan displacement adalah 0,679 mm banding 0.746 mm. Lokasi tegangan kritis terjadi pada daerah perut dalam hook bagian atas sedangkan displacement maksimum terjadi pada bagian bawah sebelah ujung hook. Hasil simulasi kedua perangkat lunak tersebut tidak jauh berbeda.Nilai tegangan
von mises berada di bawah kekuatan tarik material hook yakni 710 MPa. Faktor
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kemajuan teknologi sekarang ini telah menghasilkan berbagai kreasi dalam segala hal yang bertujuan memudahkan segala aktifitas manusia. Diantaranya adalah mampu meningkatkan efisiensi kerja serta meningkatkan kualitas dan kuantitas produksi.
Proses produksi maupun proses konstruksi bangunan akan dibutuhkan suatu alat yang bisa memindah atau mengangkut barang-barang produksi yang disebut
Crane. Salah satu komponen utama pada crane adalah kait (hook) yang biasa
disebut dengan crane hook. Crane hook adalah bagian penunjang pada crane untuk mengangkat atau memindahkan beban. Pada konstruksi crane, hook berfungsi sebagai pengait yang menghubungkan beban pada crane.
Konstruksi crane hook yang unik sebagai alat pengangkut beban yang kokoh tidak lepas dari hasil penelitian para engineer yang senantiasa memperbaharui konstruksi kait seiring dengan kemajuan zaman. Perpaduan teknologi komputer dengan bidang keteknikan menjadikan Crane hook kini bisa didesain sesuai keinginan mudah diimplementasikan dengan kapasistas angkat yang diinginkan pula. Kecanggihan terknologi desain konstruksi tidak terlepas dari kerja keras para peneliti untuk mengembangkan ilmu rekayasa khususnya bidang ilmu Metode Elemen Hingga yang mengawinkan ilmu matematika, teknik dan komputer.
Crane Hook harus dirancang dengan memperhitungkan secara detail
mengenai faktor keamanannya. Crane Hook juga harus dirangcang berdasarkan fungsi dan kondisi yang akan diterima atau pembebanan. Crane Hook yang dirancang kurang baik akan berakibat fatal pada penggunaan dilapangan. Untuk itu perlu dilakukan analisis kekuatan Crane Hook tersebut yakni dengan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak elemen hingga, untuk merancang
Crane Hook dengan bentuk penampang dan material yang tepat agar menghasilkan
Crane Hook yang aman dan efisien. Rancangan Crane Hook yang baik adalah
ketika Crane Hook dibebani beban kerja tidak mengakibatkan konstruksi tersebut gagal, dengan kata lain tegangan reaksi dari beban yang dialami Crane Hook harus berada dibawah kekuatan tarik material Crane Hook tersebut.
Perancangan menggunakan analisis elemen hingga sudah banyak diminati oleh berbagai industri dikarenakan kehandalan dan kecepatan dalam hal optimalisasi desain dan analisis. Untuk itu selain perangkat keras dengan performa tinggi harus ada pula perangkat lunak untuk analisis elemen hingga yang canggih. Perangkat lunak elemen hingga, ada yang berbayar dan ada perangkat lunak yang tidak berbayar. Perangkat lunak berbayar umumnya memiliki kualitas yang berbanding lurus dengan harga, semakin baik perangkat lunak tersebut maka pastilah semakin mahal. Namun di lain hal terdapat perangkat lunak elemen hingga yang tidak berbayar yang bisa digunakan untuk analisis elemen hingga yakni yang berbasis open source.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah di atas permasalahan dapat dirumuskan sebagai berikut :
Crane hook yang dirancang kurang teliti akan berakibat fatal pada penggunaan di lapangan, yakni terjadinya kegagalan pada crane hook. Untuk itu, perlu dilakukan simulasi elemen hingga pada crane hook agar kekuatan crane hook berupa tegangan von mises, displacement dan daerah kritis dapat diketahui dan dinyatakan aman untuk diproduksi.
Tingginya biaya lisensi dari perangkat lunak simulasi elemen hingga yang berbayar dapat digantikan dengan perangkat lunak alternatif tidak berbayar yang berbasis sumber terbuka yaitu Salome Meca. Untuk dapat melakukan simulasi dengan baik, perlu digunakan dan diuji salah satu sistem operasi Linux yang berhasil diinstalasi dan disingkronisasikan dengan Salome Meca.
Sebagai acuan validasi dari simulasi Salome Meca, maka hasil simulasi Salome Meca harus dibandingkan dengan hasil simulasi perangkat lunak yang sudah teruji yakni Microsoft Visual Nastran 2004, dengan diperolehnya persen ralat yang relatif kecil.
1.3Batasan Masalah
Permasalahan ini dibatasi pada :
Analisis yang dilakukan hanya pada lekukan pengait tidak termasuk ulir pengikat hook ke holder.
Bentuk analisis yang dilakukan adalah pembebanan tekan statis pada crane
hook.
1.4 Tujuan
Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah :
1. Untuk mendapatkan besaran tegangan von mises maksimum, displacement maksimum, dan daerah kritis yang dialami oleh crane hook saat diberi beban 8 ton dengan simulasi Salome Meca dan simulasi Microsoft Visual Nastran 2004 kemudian mendapatkan nilai faktor keamanan desain.
2. Menggunakan dan menguji salah satu sistem operasi Linux yang berhasil diinstalasi dan disingkronisasikan dengan Salome Meca agar dapat digunakan sebagai perangkat lunak simulasi elemen hingga alternatif.
3. Membandingkan hasil simulasi Crane Hook menggunakan Salome Meca dengan Microsoft Visual Nastran 2004 dan kemudian mendapatkan persen ralat.
1.5 Manfaat
Penelitian ini dimaksudkan untuk :
1. Mengetahui tentang respon pembebanan statis yang terjadi pada Crane
Hook, dan untuk masa yang akan datang penelitian ini dapat digunakan
sebagai acuan untuk proses desain agar menghasilkan crane hook yang lebih aman.
2. Memperkenalkan Open Source Software (OSS) sebagai perangkat lunak yang tidak berbayar dan juga turut membantu Pemerintah melalui program IGOS (Indonesia Go Open Source).
1.6 Sistematika Penulisan
Nastran, terakhir membandingkan hasil analisis simluasi Salome-Meca dengan Nastran.
Kemudian hasil akan disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab.
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas Sarjana yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metode dan tujuan metode penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalah serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisis persoalan.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan penjelasan penggunaan perangkat lunak dalam simulasi, penjelasan analisis dalam simulasi yang akan dilakukan.
BAB IV : HASIL SIMULASI DAN DISKUSI
Bagian hasil simulasi berisikan hasil simulasi crane hook berupa daerah kritis, besar tegangan von misses dan displacement yang terjadi pada crane hook baik dengan Salome Meca maupun Nastran, kemudian membandingkan hasil kedua perangkat lunak tersebut.
Bagian diskusi dipaparkan analisis singkat dari hasil yang diperoleh, yakni tegangan von misses, daerah kritis, displacement dan persen ralat yang terjadi.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan mengenai kesimpulan akhir yang didapat dari skripsi ini.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
1. Perangkat Lunak Metode Elemen Hingga
Aplikasi Metode Elemen Hingga sebagai salah satu metode numerik untuk menyelesaikan berbagai permasalahan rekayasa tentu saja tidak terlepas dari perkembangan komputer dengan berbagai bidang terkait lainnya seperti Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Engineering (CAE) terus menerus menjadi konsentrasi yang diminati bidang rekayasa. Hal ini dapat dibuktikan dari makin ramainya penawaran berbagai perangkat lunak metode elemen hingga dengan beragam kemampuan rekayasa yang berkemampuan tinggi untuk memenuhi tantangan dan permintaan dari kalangan industri dalam membantu menyelesaikan masalah-masalah aktual mereka.
Pada penggunaannya, secara umum perangkat lunak metode elemen hingga memiliki tiga tahapan utama, yakni :
1. Prepocessing,
Pada tahap ini pengguna membuat model yang menjadi bagian untuk dianalisis yang mana geometri tersebut dibagi-bagi menjadi sub-bagian-sub-bagian yang terdiskritisasi atau disebut “elemen”, dihubungkan pada titik diskritisasi yang disebut “node”. Node tertentu akan ditetapkan sebagai bagian melekat yang kaku (fix displacement) dan bagian lain ditentukan sebagai bagian kena beban (load).
2. Analysis
k . (x) = F (2.1)
dimana x dan F merupakan displacements dan gaya luar yang diberikan pada suatu titik. Informasi matrix k tergantung pada tipe persoalan yang sedang terjadi, dan modul akan mengarah pada pendekatan analisis truss dan tegangan linier elastis. Perangkat lunak berbayar sudah memiliki kemampuan lebih yang mampu menyelesaikan banyak tipe persoalan.
3. Post-processing
Menampilkan hasil akhir setelah penganalisisan oleh modul penganalisis dengan menampilkan data displacements dan tegangan pada posisi bagian yang terdiskritisasi pada model geometri. Post-processor biasanya menampilkan grafis dengan kontur warna yang menggambarkan tingkatan tegangan yang ternjadi pada model geometri. (Saeed Moaveni, 1999)
Perangkat lunak metode elemen hingga ada yang merupakan perangkat lunak berbayar (commercial FEA software) dan ada pula perangkat lunak yang tidak berbayar (free FEA software).
2.1.1 Perangkat Lunak Metode Elemen Hingga Berbayar
Analisis elemen hingga (FEA) kini sudah banyak diminati oleh berbagai industri dikarenakan kehandalan dan kecepatan dalam hal optimalisasi pada dunia desain dan analisis. Untuk itu, selain perangkat keras dengan performa tinggi harus ada pula perangkat lunak untuk analisis elemen hingga yang canggih.
satu perangkat lunak, kebanyakan dari perangkat lunak ini adalah berbayar.
Perangkat lunak elemen hingga yang mengerjakan permasalah khusus disebut spesial purpose FEA software seperti khusus menyelesaikan masalah perpindahan panas, atau khusus menyelesaikan permasalahan liner struktur maupun yang khusus menyelesaikan masalah dinamik.
Terdapat banyak perangkat lunak elemen hingga yang berbayar dan ada pula yang tidak berbayar. Adapun beberapa perangkat lunak berbayar yang dapat dilihat dari wikipedia diantaranya adalah Abaqus, Nastran, Ansys, CosmosWork, LS-Dyna, Pro-Mecanica, SAP2000 dan banyak lagi yang hampir semua perangkat lunak tersebut sangat baik perfroma dan kemudahan bagi penggunanya. Sedangkan untuk perangkat lunak yang tidak berbayar antara lain adalah Calculix, Code Aster, Salome Meca, Elmer, Felt, FEMM, freeFEM, Impact, OpenFoam, TOGHNOG dan banyak lagi. (www.wikipedia.com)
Perangkat lunak elemen hingga yang berbayar, yakni perangkat lunak yang memiliki kemampuan yang baik dalam hal ketepatan dan kemudahan penggunaan. Adapun kelebihan dari perangkat lunak elemen hingga berbayar adalah praktis dan mudah digunakan, memiliki perusahaan khusus yang bertanggung jawab penuh terhadap pengguna (konsumen). Salah satu perangkat lunak elemen hingga sangat baik adalah Microsoft Visual Nastran.
2.1.2 Microsoft Visual Nastran 2004
Gambar 2.1 Microsoft Visual Nastran 2004
2.2 Perangkat Lunak Sumber Terbuka (Open Source Software)
Open source adalah semua listing program dari kode sumber sistem
operasi (operating system) tersebut dapat dilihat, dimodifikasi, dan didistribusikan tanpa ada larangan dari siapa pun dengan syarat kode sumber asli tetap disertakan dalam distribusi tersebut (Azikin, 2004).
Konsep open source software (OSS) pada intinya adalah membuka source
code dari suatu software. Dengan mengetahui logika yang ada di kode sumber,
maka orang lain dapat membuat perangkat lunak yang sama fungsinya. Setiap orang dibolehkan membuat perangkat lunak, membuka kode sumbernya, mempatenkan algoritmanya, medaftarkan hak ciptanya, dan dapat pula menjual perangkat lunak tersebut. (www.wikipedia.com/open_osurce)
Sistem Operasi Linux merupakan salah satu sistem operasi yang open
source. Linux diperkenalkan secara umum oleh Linus Trovalds di tahun 1991,
sifat Linux yang open source membuat terknologi perangkat lunak maju dengan pesat. Hal ini dapat dibuktikan dengan bermunculannya distro Linux dan berbagai macam aplikasi (Azikin, 2004).
mulai dari aplikasi perkantoran, desain grafis, akuntansi dan pembukuan, hiburan, dan internet. Beberapa distro Linux populer diantaranya Debian Linux, Ubuntu, Sabily, Red Hat, SuSE Linux,Mandrake, Kubuntu, dan sebagainya (Azikin, 2004).
2.2.1 Perangkat Lunak Metode Elemen Hingga Berbasis Open Source
Perangkat lunak open source untuk analisis metode elemen hingga dapat diunduh secara langsung dan gratis melalui situs www.sourceforge.net dan situs lainnya, perangkat lunak tersebut antara lain Code Aster, Salome Meca, CalculiX, Toghnog, freefem++, OpenFoam, Code Saturne, Elmer, FELT, Code Aster, Code Saturne, Salome, Salome Meca, FreeFem, ELFE - ELektromagnetische FEldberechnung (ELectromagnetic FiEld computation using java), OFELI (Object Finite Element LIbrary), CALFEM, MyFEM, FELT, Impact dan lain sebagainya.
Adapun alasan menggunakan perangkat lunak elemen hingga yang berbasis sumber terbuka (open source) adalah :
1. Mudah diperoleh karena tersedia di internet untuk diunduh langsung 2. Lisensi tidak berbayar sehingga menjadi solusi untuk lingkungan
akademik
3. Bebas untuk disalin, didistribusikan ulang dan dimodifikasi sesuai keinginan
4. Insinyur dan para peneliti bisa berkreasi tanpa batas dikarenakan kode sumber yang disertakan dan dapat dimodifikasi tanpa ada yang melarang.
2.2.2 Salome
yang baik mengenai perilaku struktural. (www.salome-platform.com)
Salome sendiri menggabungkan beberapa komponen perangkat lunak, yang dibangun sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk mengintegrasikan pemecah (solver) dan algoritma meshing yang ada bersama dengan spesifikasi sifat fisik untuk domain yang diberikan. Berbagai komponen ini harus bekerja sama secara dinamis dan terkonfigurasi.
Salome merupakan sebuah aplikasi CAD/CAE dengan menu yang terintegrasi yang terdiri dari modul-modul, yakni :
a. Modul Geometry
Modul geometry berfungsi untuk melakukan pemodelan geometri dan dapat juga melakukan proses import/export arsip (file) geometri dalam format iges, step dan brep.
b. Modul Mesh
Modul mesh berfungsi untuk melakukan meshing pada geometry dari modul geometry dan pengecekan kualitas meshing, bisa juga untuk melakukan proses export/import arsip geometri yang sudah dilakukan
mesh ke dalam format med, unv, ascii.
c. Modul Post-Pro,
Gambar 2.2 Modul post-processing pada Salome
Penyelesaian analisis (solving) dilakukan oleh satu paket aplikasi khusus yang terpisah dengan salome yang bernama Code Aster.
2.2.3 Code Aster
Code Aster adalah paket perangkat lunak open source untuk analisis struktur teknik dengan elemen hingga dan simulasi numerik dalam mekanika struktural yang awalnya dikembangkan sebagai aplikasi rumahan oleh perusahaan Perancis EDF pada bulan Oktober 2001 sebagai perangkat lunak bebas di bawah ketentuan GNU Lisensi Publik Umum. (www.wikipedia.com/code_aster)
Code Aster terdiri dari 1.500.000 baris kode program Fortran dan Python, dan sedang terus dikembangkan, diperbaharui dan ditingkatkan. Code aster ini dibangun oleh perusahaan Nuklir Perancis bernama Electric De France (EDF). Electric de France (EDF) memfokuskan perangkat lunak ini sebagai alat bantu dalam industri nuklir, sebagian besar bidang perangkat lunak telah divalidasi oleh perbandingan independen dengan hasil analisis atau percobaan dan perbandingan terhadap kode-kode lain.
Dokumentasi Code Aster mewakili lebih dari 14.000 halaman buku pedoman pengguna, teori kompilasi dalam mekanika, contoh soal, manual verifikasi yang sebagian besar dokumentasi tersebut adalah berbahasa Prancis.
2.2.4 Salome Meca
Salah satu perangkat lunak metode elemen hingga yang mempunyai kemampuan analisis setara dengan perangkat lunak metode elemen hingga berbayar adalah Salome Meca. Salome Meca adalah gabungan dari Salome dan Code Aster. Salome digunakan sebagai pre-processing (pemodel solid dan meshing) dan post-processing sedangkan Code Aster sebagai pemecah (solver) elemen hingga.
Salome meca adalah perangkat lunak elemen hingga berbasis open source yang digunakan untuk melakukan analisis mekanik statis linier dan non-linier, dinamika, analisis thermal dan struktur mekanik, dan analisis modal. Salome meca merupakan kompilasi dari salome dan Code Aster yang dibuat khusus untuk dapat melakukan analisis mekanika dengan cara yang lebih mudah.
Salome Meca berbeda dengan Salome. Salome hanya merupakan perangkat lunak untuk pemodelan, meshing dan post-processing sementara untuk penyelesaian (solver) pada salome tidak ada. Untuk itu Salome Meca dibuat sebagai gabungan dari Salome dan Code Aster. Skema penyelesaian studi elemen hingga dengan salome meca dapat dilihat pada gambar 2.3.
Salome Meca yang digunakan dalam penelitian ini adalah Salome Meca 2009 yang di dalamnya merupakan integrasi dari beberapa paket aplikasi sebagai berikut :
• Salome versi 4.1.4 GUI
• Code aster versi 9.4
• Manager study ASTK versi 1.8.0
Gambar 2.3 Skema penyelesaian elemen hingga dengan salome dan Code Aster.
www.caelinux.com
2.3Metode Elemen Hingga
Metode Elemen Hingga (Finite Element Method) adalah salah satu metode numerik untuk menyelesaikan berbagai problem rekayasa, seperti mekanika struktur, mekanika tanah, mekanika batuan, mekanika fluida, hidrodinamik, aerodinamik, medan magnet, perpindahan panas, dinamika struktur, mekanika nuklir, aeronautika, akustik, mekanika kedokteran dan sebagainya. (Katili, Irwan. 2008).
Gambar 2.4 Struktur rangka batang
Indrakto, Rifky. (2007)
Gambar 2.5 Diskrtisasi benda pejal umum
Tujuan utama analisis dengan menggunakan metode elemen hingga adalah untuk memperoleh pendekatan tegangan dan peralihan (displacement) yang terjadi pada suatu struktur (Indrakto, Rifky. 2007)
2.3.1 Matriks Kekakuan Elemen
Memodelkan suatu elemen dan memberikan beban, diperlukan persamaan yang menghubungkan antara beban berupa gaya dan momen yang diberikan pada nodal elemen dengan perpindahan berupa translasi dan rotasi pada nodal tersebut. Hubungan tersebut dapat diberikan dengan persamaan:
[ ]
{ } }{F = K u (2.2)
Di mana :
{F} = Matriks kolom gaya dan momen pada nodal elemen. [K] = Matriks kekakuan elemen.
2.3.2 Tipe – Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga
Terdapat berbagai tipe bentuk elemen dalam metode elemen hingga yang dapat digunakan untuk memodelkan kasus yang akan dianalisis, yaitu :
a. Elemen satu dimensi
Elemen satu dimensi terdiri dari garis (line). Tipe elemen ini yang paling sederhana, yakni memiliki dua titik nodal, masing-masing pada ujungnya, disebut elemen garis linier. Dua elemen lainnya dengan orde yang lebih tinggi, yang umum digunakan adalah elemen garis kuadratik dengan tiga titik nodal dan elemen garis kubik dengan empat buah titik nodal.
a. Kubik b. Kuadratik c. Linier
Gambar 2.6 Elemen 1 dimensi
Susatio, Yerri. (2004) b. Elemen dua dimensi
Elemen dua dimensi terdiri dari elemen segitiga (triangle) dan elemen segiempat (quadrilateral). Elemen orde linier pada masing-masing tipe ini memiliki sisi berupa garis lurus, sedangkan untuk elemen dengan orde yang lebih tinggi dapat memiliki sisi berupa garis lurus, sisi yang berbentuk kurva ataupun dapat pula berupa kedua-duanya.
Gambar 2.7 Elemen 2 dimensi segitiga dan segiempat
Susatio, Yerri. (2004)
Elemen tiga dimensi terdiri dari elemen tetrahedron, dan elemen balok.
Gambar 2.8 Elemen 3 dimensi tetrahedra dan balok
Susatio, Yerri. (2004)
Adapun elemen yang digunakan dalam penelitian ini adalah elemen tetrahedron.
2.3.3 Penerapan Metode Elemen Hingga pada kasus linier statis
Pemahaman mengenai metode elemen hingga untuk kasus solid mekanik pada aplikasi linier statis memerlukan pemahaman mengenai dasar dari pengetahuan mekanika teknik. Metode elemen hingga akan menggantikan kemampuan analisis manual dengan analisis menggunakan kompuer yang tentunya diharapkan akan memiliki kemampuan yang jauh lebih teliti. Untuk itu, sebagai dasar pemahaman analisis dengan metode elemen hingga pada komputer harus dipahami terlebih dahulu mengenai pengetahuan mekanika teknik.
2.3.3.1 Konsep Tegangan – Regangan
Konsep mengenai tegangan dan regangan yang terjadi pada elemen tiga dimensi akan dijelaskan sebagai berikut.
1. Konsep Tegangan
Tegangan didefinisikan sebagai besaran gaya yang bekerja pada suatu satuan luas. Secara matematis definisi tersebut dapat ditulis sebagai :
A F
=
Dimana :
σ = tegangan normal (N/m2)
F = gaya yang bekerja tegak lurus terhadap potongan (N)
A = luas bidang (m2) Shigley, Joseph E. (2004)
Pada suatu bidang yang dikenal suatu gaya akan terdapat dua jenis tegangan yang mempengaruhi bidang tersebut, yaitu sebagaimana terlihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Tegangan yang berkerja pada suatu bidang
Gere, Timoshenko.(2000)
Keterangan :
σ x= tegangan normal yang bekerja pada bidang x
σ y= tegangan normal yang bekerja pada bidang y
σ z= tegangan normal yang bekerja pada bidang z
τ xy= tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah y
τ xz= tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah z
τ yx= tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah x
Adapun persamaan tegangan normal untuk untuk bidang tiga dimensi adalah sebagai berikut :
[
ε ( υ)+υ(ε +ε )]
) v)( + ( E =σ x − y z
−2v 1 1 1 x
[
ε ( υ)+υ(ε +ε )]
) v)( + ( E =σ y − x z
−2v 1 1
1
y (2.4)
[
ε ( υ)+υ(ε +ε )]
) v)( + ( E =σ z − x y
−2v 1 1
1
z
Allaire, Paul E.(1985)
Analisis perangkat lunak elemen hingga biasanya memiliki kelebihan untuk dapat menghasilkan nilai tegangan von mises atau tegangan ekivalen, yakni jenis tegangan yang mengakibatkan kegagalan pada struktur material yang dirumuskan oleh penemunya yang bernama Von Mises. Untuk menentukan tegangan von Mises terlebih dahulu dihitung tegangan utama yang bekerja pada sturktur dengan persamaan (2.4) diatas, Setelah tegangan-tegangan utama ditemukan maka tegangan Von Mises bisa didapat dengan persamaan :
[
] [
] [
]
2 1/21 3 2 3 2 2 2 1 '
2
− + − + −
= σ σ σ σ σ σ
σ (2.5)
Shigley, Joseph E. (2004)
Komponen lain dari intensitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas elemen adalah seperti terlihat pada gambar (2.9) di atas adalah tegangan geser yang dilambangkan dengan τ , yang secara matematis didefinisikan sebagai :
A V
=
τ (2.6)
τ : tegangan geser (N/m2)
V : komponen gaya yang sejajar dengan bidang elementer (N)
A : luas bidang (m2)
Shigley, Joseph E. (2004)
Adapun persamaan tegangan geser untuk persoalan tiga dimensi adalah c sebagai berikut :
τxy = γxy=Gγxy
v) + ( E . 1 2
τxz = γxz=Gγxz
v) + ( E . 1
2 (2.7)
τyz = γyz=Gγyz
v) + ( E . 1 2
Allaire, Paul E.(1985)
2. Konsep Regangan
Regangan dinyatakan sebagai pertambahan panjang per satuan panjang. Hukum Hooke menyatakan bahwa dalam batas-batas tertentu, tegangan pada suatu bahan adalah berbanding lurus dengan regangan. Regangan dapat ditulis sebagai :
(2.8)
Dimana :
ε : regangan
δ : pertambahan panjang total (m)
L : panjang mula – mula (m)
Hubungan regangan peralihan untuk benda elastis menurut Paul E Allaire (1985) dapat dinyatakan dalam bentuk matriks sebagai berikut :
{
ε}
=[
d]{
u}
(2.9)
Dimana :
{
ε}
= matrik kolom regangan[
d]
= matrik operator dengan peralihan{
u}
= matrik kolom peralihanDengan matrik kolom peralihan (displacement):
{ }
= w v uu (2.10)
Dimana : u, v, w berturut – turut merupakan fungsi peralihan (displacement) elemen terhadap x, y, z dan matrik regangannya adalah :
{ }
= xz yz xy z y x γ γ γ ε ε εε (2.11)
Dimana : εx,εy,εz berturut – turut merupakan regangan normal arah x,
y, dan z yang besarnya:
z w y v x u z y x ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = ε ε
ε , , (2.12)
Sedangkan γxy,γyz,γxzberturut – turut merupakan regangan geser arah
(2.13)
Operator regangan peralihan
[
d]
dalam persamaan (2.9) adalah(2.14)
3. Hubungan Tegangan dan Regangan
Hubungan tegangan – regangan untuk material isotropis secara umum menurut Paul E Allaire (1985) dapat ditulis sebagai berikut :
{
σ}
=[
E] {
ε}
(2.15){σ} = vektor tegangan
[E] = matriks elastisitas elemen
{ε}
=
vektor reganganDengan vektor tegangan :
{ }
= xz yz xy z y x τ τ τσ σ σσ (2.16)
z y x σ σ
σ , , berturut – turut merupakan tegangan normal arah x, y, z,
sedangkan
τ
xy,τ
yz,τ
xz berturut – turut merupakan tegangan geser arahbidang xy, yz, xz seperti pada persamaan (2.4) dan (2.7).
Bentuk matriks
[
E] untuk b
ahan isotropis yang sederhana adalah :(2.17)
Material ini memiliki dua konstanta bebas, yaitu E (modulus elastisitas bahan)dan v (poisson ratio), parameter e1, e2 dan e3 yang digunakan dalam
persamaan ini sama dengan regangan bidang, yaitu :
(2.18)
adalah perbandingan dari kontraksi regangan transversal terhadap regangan perluasan longitudinal searah sumbu gaya, dimana perubahan bentuk tarik bernilai positif dan perubahan bentuk tekan bernilai negatif.
aksial regangan lateral regangan − =
υ (2.19)
Nilai Poisson ratio berbeda-beda untuk setiap bahan sesuai karakteristik bahan tersebut.
2.3.3.2. Pemilihan Elemen
Struktur crane hook terbuat dari baja dengan sedemikian rupa sehingga membentuk sistem struktur pejal (solid). Struktur pejal tersebut akan menerima beban aksial maupun lentur, sehingga elemen tersebut dapat diberlakukan sebagai elemen hingga. Pada Salome Meca, semua benda yang dimodelkan didalamnya akan dianalisis dengan tiga dimensi
(elemen heksahedron, elemen tetrahedron) sebagai subregionnya atau
elemen hingganya. Elemen heksahedron hanya digunakan pada benda pejal yang mempunyai bentuk geometri sederhana, oleh karena strktur
Crane hook ini mempunyai bentuk yang rumit maka untuk mencapai
bentuk geometri yang maksimal digunakan elemen tetrahedron. Elemen
tetrahedron sendiri mempunyai dua model elemen, yaitu:
1.Elemen TET-4,
Elemen TET-4 yaitu elemen tetrahedron yang mempunyai empat titik nodal di keempat titik sudutnya. Elemen ini adalah bentuk tiga dimensi dari elemen segitiga. Elemen ini sering juga disebut elemen
tetrahedron regangan konstan yang analog dengan segitiga regangan
Gambar 2.10 Elemen Tetrahedron 4 titik nodal
Indrakto, Rifky. (2007)
2. Elemen TET-10,
Elemen TET-10 yaitu elemen tetrahedron yang mempunyai sepuluh titik nodal dengan 4 titik nodal sudut dan 6 titik nodal tengah sisi yang merupakan bentuk elemen tiga dimensi dari elemen segitiga. Elemen ini disebut juga tetrahedron regangan linear yang analog dengan elemen segitiga regangan linier (linear strain three angle-LST).
Gambar 2.11 Elemen Tetrahedron 10 titik nodal
Kapasitas kemampuan komputer yang digunakan untuk menganalisis elemen TET-10 adalah sangat tinggi dikarenakan tingginya derajat dan iterasi perhitungan, sehingga menggunakan elemen TET-4 adalah merupakan pemilihan elemen yang lazim digunakan agar analisa dapat berhasil pada spesifikasi komputer biasa.
2.3.3.3 Sifat Mekanik Bahan
Material crane hook merupakan material baja yang memiliki sifat mekanik tertentu, dengan mengetahui sifat mekanik suatu bahan, maka dapat diketahui beberapa parameter untuk menentukan material yang tepat untuk kasus pembebanan tertentu sehingga bisa diperoleh perancangan yang aman dan produksi yang ekonomis.
1. Elastisitas
Pemilihan material logam untuk pembuatan crane hook, harus diperhatikan sifat-sifat material logam terebut terlebih dahulu, antara lain seperti kekuatan (strength), keliatan (ductility), maupun kekerasan
(hardness). Sifat mekanik material didefinisikan sebagai ukuran
kemampuan material untuk menahan gaya atau tegangan. Pada saat menahan beban, struktur molekul berada dalam keseimbangan. Gaya luar pada proses penarikan tekanan, pemotongan,penempaan, pengecoran dan pembengkokan mengakibatkan material mengalami tegangan.
Struktur unit crane hook yang akan dianalisis memiliki sifat elastisitas, yang dibatasi dengan anggapan bahwa bahan rangka isotropis, yaitu sifat elastisitasnya sama kesemua arah dengan bahan rangka yang akan dianalisis berada pada daerah elastis linier.
2. Deformasi
Deformasi terjadi bila bahan mengalami gaya. Selama deformasi, bahan menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja. Sekecil apapun gaya yang bekerja, maka benda akan mengalami perubahan bentuk dan ukuran. Perubahan ukuran secara fisik ini disebut sebagai deformasi. Deformasi ada dua macam, yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis. Deformasi elastis adalah deformasi yang terjadi akibat adanya beban yang jika beban ditiadakan, maka material akan kembali seperti ukuran dan bentuk semula, sedangkan deformasi plastis adalah deformasi yang bersifat permanen jika bebannya dilepas.
Secara umum kekuatan suatu material diuji melalui uji tarik dengan memberi gaya tarik pada bahan hingga bahan tersebut putus. Mesin uji akan mencetak kurva dari besarnya tegangan terhadap regangan yang timbul selama proses penarikan hingga putus. Diagram (kurva) tegangan-regangan seperti pada gambar 2.12 memperlihatkan antara 0 ke
σ
y disebutdaerah elastis, sedangkan titik
σ
y adalah batas luluh (yield). Titik σumerupakan tegangan maksimal dimana bila beban dilepas maka bahan tersebut tidak akan kembali ke bentuk semula. Bila diberi beban sampai melebihi titik σpatah,maka bahan akan menjadi putus. Dari titik σy ke titik σu
bahan tersebut mengalami deformasi plastis sempurna. Sedangkan σu sampai σpatah terjadi deformasi plastis tak sempurna dimana batang mulai
Gambar 2.12 Diagram tegangan-regangan
Indrakto, Rifky. (2007)
a. Batas proporsional
Batas proporsional merupakan garis lurus dari origin 0 (nol) hingga titik batas proporsional seperti yang terlihat pada gambar 2.12. Hal ini sesuai dengan hukum Hooke bahwa tegangan sebanding dengan regangan. Dalil ini berlaku sampai batas proporsional saja, di luar titik tersebut tegangan akan tidak sebanding dengan regangan. Hal ini bisa sebagai petunjuk pertama bahwa batas proporsional (bukan kekuatan batas) merupakan kekuatan maksimal yang bisa dialami bahan.
b. Batas Elastisitas
Beban yang ditingkatkan akan mengakibatkan garis lurus (garis modulus) beralih menjadi melengkung. Titik dimana garis itu mulai melengkung disebut batas elastisitas, pada gambar 2.12 ditandai dengan tanda. σe.
Offset
σ
ε
uc. Yield Poin (Kekuatan luluh)
Sifat elastis pada kenyataannya masih terjadi sedikit di atas batas proporsional, namun hubungan antara tegangan dan regangan tidak linear dan umumnya batas daerah elastis dan daerah plastis sulit untuk ditentukan. Karena itu didefinisikan kekuatan luluh (yield point). Kekuatan luluh adalah harga tegangan terendah dimana material mulai mengalami deformasi plastis. Pada gambar 2.12 menunjukan titik σyatas adalah titik luluh atas dan titik σybawah adalah titik luluh bawah yang
ditandai dengan terjadinya peningkatan atau pertambahan regangan.
3. Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik adalah kemampuan beban menahan atau menerima beban atau tegangan tarik sampai putus. Kekuatan tarik suatu bahan dapat ditetapkan dengan membagi gaya maksimal dengan luas penampang mula.
4. Keuletan
Menyatakan energi yang diserap oleh suatu bahan sampai titik patah.
5. Kekerasan
Daya tahan suatu bahan (permukaan bahan) terhadap
penetras/identasi (pemasukan dan penusukan) bahan lain yang lebih
keras dengan bentuk tertentu dibawah pengaruh gaya tertentu.
2.3.4 Penyelesaian Metode Elemen Hingga dengan Code Aster
statis, dinamika dan struktur. Code aster merupakan modul aster yang diintegrasikan ke dalam perangkat lunak Salome Meca. Perangkat lunak Salome Meca merupakan gabungan dari Salome dan Code Aster, dimana Salome adalah sebagai pre-processing dan post-processing sedangkan untuk melakukan analisis elemen hingganya dilakukan oleh Code Aster.
Secara teknis Code Aster dibuat unuk dapat membaca dan menjalankan kode yang telah dimasukkan (input) pada suatu arsip (file) yang dinamakan file comm. Penyelesaian metode elemen hingga dengan Code Aster dilakukan dengan menggunakan suatu file comm tersebut, pada file comm berisi perintah-perintah dan pendefinisian untuk analisis elemen hingga seperti terlihat pada gambar 2.13.
Adapun tahapan penyelesaian yang umum pada Code Aster adalah :
• Membaca Mesh. Mesh yang dibaca bisa merupakan mesh tetrahedron maupun mesh hexahedron. Mesh tetrahedron seperti yang akan digunakan pada penelitian ini.
• Mendefinisikan elemen hingga yang akan digunakan (AFFE_MODELE ). Elemen hingga yang akan digunakan pada penelitian ini adalah penomena mekanik.
• Menggunakan group element mesh yang telah dibuat saat proses mesh (MODI_MAILLAGE)
• Mendefinisikan dan menetapkan material (DEFI_MATERIAU dan (AFFE_MATERIAU ).Mendefinisikan properti material, dan menentukan group sebagai kondisi batas.
• Karakteristik mekanik untuk struktur serupa adalah sama.
• Menentukan karakteristik untuk elemen shell (AFFE_CARA_ELEM ) termasuk ketebalan dan vektor yang mendefinisikan sistem koordinat lokal untuk analisis hasil (key word ANGL_REP ). Sebagai contoh, V=Oz.
• Mendefinisikan kondisi batas dan beban (AFFE_CHAR_MECA ).
• Menghitung luasan tahanan pada node-node untuk tiap kasus pembebanan. ('SIGM_ELNO_DEPL ' option).
• Mencetak hasil (IMPR_RESU ).
[image:49.595.168.506.221.709.2]Teknik penyelesaian (solution) pada aplikasi code aster seperti yang dijelaskan tersebut di atas adalah dilakukan dengan menggunakan arsip (file) comm. Isi dari file comm dapat dilihat pada gambar 2.13
Arsip (file) comm akan disusun sedemikian rupa sesuai dengan tahapan proses penyelesaian di atas dan dengan merujuk dari panduan dari pembuatnya sehingga file comm ini sesuai dengan metode dari pembuatnya terebut agar kemudian dapat dijalankan untuk menyelesaikan persoalan. Pada file comm terdapat beberapa statement baris perintah-perintah yang memiliki fungsi tertentu, adapun isi dari statement baris perintah yang terdapat pada file comm tersebut seperti terlihat pada gambar 2.13.
Arsip (file) comm yang berisi perintah-perintah yang telah diedit sesuai pola yang ada pada manual, selanjutnya perintah akan dijalankan oleh aster sesuai yang diperintahkan dalam file comm tersebut. Seperti yang terlihat pada gambar (2.15) isi file comm inilah yang menjadi inti dari penyelesaian persoalan elemen hingga pada salome meca. Mulai dari pemberian definisi material, kondisi batas, pembebanan, kasus metode elemen hingga yang keseluruhannya dikemas code aster di dalam file comm tersebut.
[image:50.595.134.508.503.712.2]Arsip (file) comm dapat dibuat dan diedit dengan mudah menggunakan suatu aplikasi khusus, maka pada Salome Meca terdapat suatu modul aplikasi khusus yang bisa mempermudah membangun file comm tersebut, yakni melalui paket aplikasi EFICAS.
Gambar 215 Format Eficas dan Format File Comm.
2.4 Kait (Crane hook)
Proses produksi maupun proses konstruksi bangunan dibutuhkan suatu alat yang bisa memindah atau mengangkut barang-barang produksi yang disebut
Crane. Salah satu komponen utama pada crane adalah kait (hook) yang biasa
disebut dengan crane hook. Crane hook adalah bagian penunjang pada crane untuk mengangkat atau memindahkan beban. Pada konstruksi crane, hook (kait kren) berfungsi sebagai pengait yang menghubungkan beban pada crane.
Kait (hook) berfungsi sebagai alat dimana beban dapat bergantung atau alat untuk menggantung beban. Terdapat dua pengait yang dapat dinaikkan muapun diturunkan oleh tali baja yang digulung pada dua buah drum melalui sistem puli. Pengangkatan kait dapat dilakukan secara serentak (bersama-sama) ataupun secara terpisah (sendiri-sendiri). Drum diputar oleh motor listrik yang digerakkan dengan sistem transmisi daya. Untuk menghentikan putaran motor listrik dan menjaga beban tetap pada ketinggian tertentu maka unit katrol ini dilengkapi dengan sistem pengereman elektris. Gambar 2.16 memperlihatkan unit
[image:53.595.203.457.466.687.2]crane hook yang sedang bekerja.
Gambar 2.16 Crane hook
Perancangan hook harus diperhitungkan secara detail mengenai faktor keamanannya. Pemakaian hook harus dirangcang berdasarkan fungsi dan kondisi yang akan diterima atau dibebankan. Hook yang dirancang kurang baik akan berakibat fatal pada penggunaan di lapangan. Untuk itu perlu dilakukan analisis kekuatan crane hook tersebut dengan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak elemen hingga untuk merancang hook dengan bentuk penampang dan material yang tepat agar menghasilkan hook yang aman dan efisien. Gambar 2.17 memperlihatkan kontur analisis elemen hingga pada crane hook.
Gambar 2.17 Analisis elemen hingga pada crane hook
http://www.tech.plym.ac.uk
Rancangan crane hook yang baik adalah ketika crane hook dibebani beban kerja tidak mengakibatkan konstruksi tersebut gagal dengan kata lain tegangan reaksi dari beban yang dialami crane hook harus berada di bawah kekuatan tarik material crane hook tersebut.
2.4.1 Tipe Crane hook (Tipe Kait)
Adapun tipe-tipe crane hook adalah terdiri atas beberapa jenis, yaitu :
1. Kait Tunggal (Single Hook) / Kait Standar
Gambar 2.18 Single hook/kait tunggal
www.alibaba.com
Crane hook tipe single hook adalah crane hook yang akan
disimulasikan dalam proses penelitian ini.
2. Kait Ganda (Double Hook)
Kait ini dapat mengangkat mulai dari 25-100 ton. Kait ganda didesain dengan dudukan yang lebih kecil dari kait tungal dengan kapasitas angkat yang sama, dibuat dengan cara ditempa pada cetakan rata atau tertutup.
Gambar 2.19 Double hook/kait ganda
www.alibaba.com
Kait mata segitiga digunakan pada crane untuk mengangkat muatan di atas 10 ton. Kelemahan kait ini adalah anduh yang mengangkat muatan harus dilewatkan ke dalam lubang kait tersebut seperti yang terlihat pada gambar 2.20.
Gambar 2.20 Kait mata segitiga
Rudenko, N. (1996)
Adapun tipe crane hook yang dignakan dalam penelitian ini adalah tipe crane hook tunggal (single hook).
2.4.2 Tegangan pada Crane hook
Struktur Crane hook akan menimbulkan tegangan reaksi ketika Crane
hook diberi beban 8 ton. Adapun tegangan yang terjadi pada crane hook adalah
Gambar 2.21 Tegangan bengkok pada beam lengkung
Khurmi, R S (2005)
Persamaan tegangan bending pada beam legkung dapat dirumuskan :
(2.19)
Dimana :
M = Momen bengkok pada sumbu penampang
A = Luas penampang
e = jarak titik berat ke pusat sumbu penampang
R = jari-jari lengkungan ke garis titik berat penampang
Rn = jari-jari lengkungan ke garis sumbu penampang
y = jarak dari sumbu penampang ke serat dalam. Akan bertanda positif jika
mendekati titik pusat kelengkungan dan negatif jika jaraknya menjauhi
titip pusat kelengkungan.
Tegangan bending maksimum pada bagian dalam hook adalah :
(2.20)
Ri = Jari-jari kelengkungan dalam hook.
Tegangan bending maksimum pada bagian luar hook adalah :
(2.21)
yo = Jarak dari sumbu netral ke bagian luar hook = Ro - Rn
Ro = Jari-jari kelengkungan luar hook.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Instalasi Sistem Operasi Distro Linux
Sistem operasi distro Linux menyediakan kemudahan dan dukungan paket program yang lengkap. Pada sistem operasi distro Linux perangkat lunak metode elemen hingga yang berlisensi terbuka akan diinstal, dijalankan, dan dimodifikasi. Secara umum proses instalasi Linux dari berbagai distro sama dengan instalasi Windows dengan membuat booting ke cd (compact disk). Berikut proses instalasi Ubuntu sistem operasi distro Linux, yaitu :
1. Membuat booting ke cd Linux dan menentukan pilihan
Gambar 3.1 Tampilan pilihan instalasi
2. Memilih bahasa yang digunakan
Tahapan “install sabily” yang telah dipilih, selanjutnya akan muncul pertanyaan (dialog box) untuk pemilihan bahasa, seperti terlihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Tampilan pilihan bahasa
Setelah memilih salah satu bahasa yang diinginkan, lalu klik “forward”.
3. Memilih lokasi waktu
Tahapan selanjutnya setelah pemilihan bahasa adalah pemilihan lokasi waktu seperti pada gambar 3.3. Untuk wilayah Indonesia, pilih
Gambar 3.3 Tampilan pilihan lokasi waktu
Waktu yang sudah ditentukan akan secara otomatis menjadikan format waktu sistem operasi akan menjadi GMT+7. Kemudian untuk tahapan selanjutnya klik “forward”.
4. Memilih susunan papan ketik
Tahapan selanjutnya setelah pemilihan bahasa dan lokasi waktu adalah pemilihan susunan papan ketik (keyboard layout) seperti terlihat pada gambar 3.4
Gambar 3.4 Tampilan pilihan susunan papan ketik
Klik “forward” untuk menuju ke tahapan selanjutnya.
5. Mempersiapkan ruang disk
Gambar 3.5 Tampilan persiapan ruang disk
Pilih “erase and use the entire disk”, untuk install penuh pada disk, atau pilih “specify partition manually” untuk install pada bagian disk tertentu. Lalu klik “forward”.
6. Mengisi data pengguna
Tahapan selanjutnya adalah memasukkan data identitas pengguna beserta penetapan password seperti pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Tampilan pengisian data pengguna
Klik “forward” untuk melanjutkan. 7. Siap untuk instalasi
Gambar 3.7 Tampilan siap untuk diinstal
8. Instalasi Sistem
Proses instalasi Sabily dapat diukur dengan adanya tampilan persen penyelesaian instalasi seperti pada gambar 3.8.
Gambar 3.8 Tampilan Proses Instalasi Sistem
9. Instalasi Selesai
Gambar 3.9 Tampilan Instalasi Selesai
3.2 Instalasi Aplikasi Salome Meca
Sistem operasi linux Sabily yang telah diinstalasi, selanjutnya dilakukan instalasi Salome Meca 2009 sebagai perangkat lunak utama untuk simulasi elemen hingga yang akan digunakan. Adapun tahapan proses instalasai Salome Meca 2009 adalah sebagai berikut :
1. Memperoleh Perangkat Lunak
Perangkat lunak (Software) Salome-Meca-2009.1-GPL dapat kita unduh secara gratis dari internet yakni di situs ukuran muatan file sekitar 700MB. Unduhan (download) juga bisa dilakukan secara langsung melalui terminal linux dengan cara mengetikkan perintah “wget” yakni sebagai berikut :
Ketikkan melalui terminal linux :
wget
ftm://cae-
linux:salome@caelinux.dyndns.org/packages/salome-meca-2009.1/SALOME-MECA-2009.1GPL.tgz
Gambar 3.10 Mengunduh Salome-Meca
Kemudian tekan enter untuk melakukan proses pengunduhan dari internet.
2. Proses Instalasi
Setelah proses pengunduhan selesai dilanjutkan dengan proses instalasi. Proses instalasi Salome-Meca-2009.1-GPL juga dilakukan dengan perintah dalam terminal, masuk ke direktori folder tempat Salome-Meca-2009.1-GPL yang baru di download dengan menggunakan perintah “cd” seperti terlihat pada gambar 3.11.
Gambar 3.11 Menuju ke direktori Salome-Meca
Selanjutnya membuka paketnya dengan perintah :
tar –xvvf SALOME-MECA-2009.1-GPL.tgz
sebagai contoh dapat dilihat pada gambar 3.12.
Memindahkan arsip (file) Salome Meca ke direktori /opt dengan perintah :
sudo mv SALOME-MECA-2009.1-GPL /opt
Menjalankan perintah instalasi dengan mengetikkan :
cd /opt/SALOME-MECA-2009.1-GPL/postinstall/
sudo ./postinstall.py
kemudian ganti file kepemilikan /dir dengan perintah :
sudo chown –R root:root /opt/ SALOME-MECA-2009.1-GPL
3. Membuat link simbol
Salome-Meca bisa diatur agar dapat dibuka dari lokasi direktori manapun, maka perlu membuat Link simbol dengan cara mengetikkan pada terminal perintah berikut :
cd /usr/local/bin
sudo ln -s /opt/SALOME-MECA-2009.1-GPL/runSalomeMeca
runSalomeMeca
sudo ln -s /opt/SALOME-MECA-2009.1-GPL/killSalome killSalome
cd
Perangkat lunak Salome Meca dapat dibuka melalui terminal dengan cara mengetikkan perintah :
[image:67.595.149.493.180.398.2]runSalomeMeca
Gambar 3.13 Pembukaan Salome Meca
Tampilan Launch Salome Meca seperti terlihat pada gambar 3.13 akan muncul setelah memasukkan perintah runSalomeMeca di atas. Kemudian untuk menutup program tersebut bisa dilakukan dengan mengetikkan perintah :
killSalome
3.3 Simulasi
Simulasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah pada dua perangkat lunak, yakni Salome-Meca dan pada Microsft Visual Nastran 2004, kemudian memperlihatkan bagaimana prosedur analisis antara kedua perangkat lunak tersebut dan kemudian membandingkan hasilnya.
mensimulasikan kondisi pembebanan pada crane hook,
3.3.1 Spesifikasi Crane Hook
Spesifikasi Crane Hook yang akan dianalisa menggunakan Salome Meca ini dirujuk dari pada data sekunder yang penulis dapatkan dari internet sebagai studi kasus yakni jurnal P. Vijay. (2009). dengan data spesifikasi sebagai berikut:
a. Beban kerja Crane Hook adalah 8 ton, sehingga F = 78480 N b. Tipe penampang crane hook adalah tipe trapesium
c. Material crane hook adalah Mild steel grade 4 (baja karbon menengah tingkat 4) dengan kekuatan tarik (Syt) = 710 MPa.
d. Dimensi geometri crane hook dapat dilihat pada Lampiran 2.
Pemodelan geometri Crane hook dilakukan dalam software AutoCad 2008 kemudian di import ke Solid Work, pada Solid work geometri Crane hook
di-export kedalam format STEP untuk dapat dibuka pada Salome Meca.
3.3.2 Simulasi Pada Salome-Meca
Simulasi pada Salome-Meca identik dengan perangkat lunak elemen hingga berbayar lainnya, yakni ada tahap pre-processing, analisis dan
post-processing. Tahapan-tahapan dalam melakukan analisis pada Salome-Meca
dilakukan dalam modul-modul tertentu yang terdapat pada salome-meca. Untuk lebih jelas dapat dilihat sebagai berikut :
1. Tahap Pre-processing
Tahap pre-processing pada salome-meca dilakukan pada modul
geometry dan modul mesh. Sesuai nama modul-modul tersebut, maka
Gambar 3.14 Antarmuka modul geometri
Proses pemodelan geometri pada geometry module terdapat dua cara, pertama bisa melakukan penggambaran langsung pada Salome Meca dan kedua bisa melakukan import model geometri dengan extensi file STEP, BREP dan IGES yang sudah digambar dari perangkat lunak lain.
Gambar 3.15 Mengimport geometri dengan format STEP.
Adapun proses yang dilakukan dalam penelitian ini adalah dengan melakukan import geometri yang sudah digambar sebelumnya, Caranya yakni pertama, klik pada file > import kemudian cari dan pilih file geometri yang sebelumnya sudah digambar menggunakan perangkat lunak lain.
geometri Salome Meca.
Gambar 3.16 Geometri hook.STEP yang berhasil diimport
Geometri yang sudah terbentuk pada Salome Meca baik itu digambar lansung pada salome-meca maupun diimport dari perangkat lunak lain seperti terlihat pada gambar 3.16, selanjutnya akan dilanjutkan dengan pembuatan grup geometri. Grup geometri dibuat sebagai tempat memberikan kondisi batas pada geometri hook seperti lokasi pemberian beban dan constrain. Klik new entity > create group.
Seperti terlihat pada gambar 3.17, pada jendela yang muncul, pilih
shape type dengan face. Kemudian Beri nama untuk grup constrain.
Sebagai contoh ketikkan FIX pada name. Maka secara otomatis area pada bagian atas crane hook adalah bernama group FIX, tujuannya adalah agar nanti ketika pendefinisian di tahap analisis pada code aster, yang dipanggil sebagai area constrain adalah group FIX ini.
Gambar 3.17 Pembuatan grup pada face sebagai constrain area.
Kemudian dilanjutkan dengan tahap pembuatan group load. Seperti terlihat pada gambar 3.18.
Gambar 3.18 Pembuatan grup pada face sebagai load area
Klik : area (face) yang akan dijadikan load face > klik apply and close.
Grup pada modul geometri telah ditentukan, maka pengerjaan dilanjutkan di dalam modul mesh. Pada modul mesh, geometri hook dari modul geometri akan di-mesh atau definisikan dalam bentuk bagian-bagian parsial yang terbagi-bagi dalam satu kesatuan hingga membentuk semacam jaring (mesh). Untuk masuk ke modul mesh, klik mesh pada
toolbar, kemudian pilih create mesh.
algoritma mesh agar mesh yang akan dibuat pada geometri Crane hook bisa terbentuk dan lebih halus, karena hasil mesh yang lebih halus akan menghasilkan hasil perhitungan yang lebih baik nantinya. Untuk melakukan mesh pada geometri hook, Pada Create mesh > pilih cut_1 pada
geometry > pada “assign a set of hypetheses” pilih automatic tetrahedron
[image:72.595.149.495.239.446.2]> pilih auto mesh dengan nilai 20, seperti terlihat pada gambar 3.19.
Gambar 3.19 Penentuan hipotesis dan algoritma mesh.
Gambar 3.20 Hasil meshing dengan hipotesis automatic tetrahedron
Geometri yang telah berhasil di-mesh akan terlihat seperti gambar 3.20.
2. Tahap Analisis
Geometri yang telah diproses meshing maka akan dilanjutkan pada tahap analisis. Tahap analisis pada Salome Meca dilakukan pada modul aster. Pada tahap analisis di modul aster digunakan suatu file comm. File comm merupakan file induk yang akan dibaca oleh mesin Code Aster sebagai parameter untuk analisis elemen hingga yang didalamnya berisi perintah-perintah khusus, pendefinisian material dan pendefinisian model permasalahan.
Code Aster pada Salome Meca berada di dalam modul aster, di modul aster terdapat beberapa perangkat yang digunakan untuk membantu pengguna dalam membuat file comm tersebut, seperti EFICAS dan ASTK.
Salah satu kelebihan salome meca adalah tersedianya empat jenis
permasalahan linear elasticity, wizard permasalahan modal analysis,
wizard permasalahan thermal linear dan wizard permasalahan fluid-solid
interaction.
Penelitian ini dilakukan analisis kekuatan mekanik pada crane
hook yang bisa dilakukan dengan anilisis elastis linier, sehingga penulis
menggunakan wizard analisis linear elasticity seperti terlihat pada gambar 3.21.
[image:74.595.149.517.305.530.2]Klik : linear elasticity wizard > 3D (untuk model solid tiga dimensi)
Gambar 3.21 Wizard analisis lenear elastis.
Klik : Next > Geometry > Next > pilih object Cut_1.
Gambar 3.22 Pemasukan data material properties awal
[image:75.595.147.517.101.307.2]Tahapan selanjutnya adalah pemberian nilai nol untuk setiap derajat kebebasan pada area constrain yakni pada grup FIX yang telah didefinisikan sebelumnya pada modul geometri,seperti gambar 3.17. Proses ini terlihat pada gambar 3.23. Kemudian klik : Next.
Gambar 3.23 Pemberian nilai pada area constrain
dengan luas area pembebanan adalah 362,62 mm2, sehingga :
[image:76.595.162.460.171.379.2]σ
= F/A = 78480 N / 362,62 mm2 = 216,42752 MPa. Denganσ
adalah tekanan. Seperti yang terlihat pada gambar 3.24.Gambar 3.24 Pemberian nilai beban tekanan
Klik Next untuk dilanjutkan kepada update mesh. Geometri mesh yang sudah diberikan definisi material dan type pembebanan tadi harus di
update agar benar-benar terdefinisi. Klik : Next , kemudian lakukan update
mesh > OK seperti terlihat pada gambar 3.25.
Gambar 3.25 Update mesh
Mesh yang telah terupdate berarti mesh telah didefinisikan. Mesh yang sudah didefinisikan tersebut masih merupakan pendefinisian sederhana,
[image:77.595.150.510.214.423.2]
Gambar 3.26 Antarmuka EFICAS
Perlu dilakukan pendefinisian secara menyeluruh dengan mengedit
file comm yang sudah terbentuk sebelumnya. Untuk mengedit file comm.
Caranya adalah : Klik : EFICAS pada toolbar kemudian klik OK, seperti terlihat pada gambar 3.26.
EFICAS merupakan suatu paket khusus pada modul aster yang berfungsi sebagai editor file comm. Pada file comm terdapat beberapa baris perintah yang memiliki fungsi tertentu, adapun isi dari baris-baris perintah yang terdapat pada file comm tersebut diantaranya adalah perintah untuk :
• Membaca Mesh (LIRE_MAILLAGE)
• Menggunakan group element mesh yang telah dibuat saat proses mesh.
• Mendefinisikan dan menetapkan material (DEFI_MATERIAU dan (AFFE_MATERIAU ).
• Karakteristik mekanik untuk struktur serupa adalah sama.
• Menentukan karakteristik untuk elemen shell (AFFE_CARA_ELEM ) termasuk ketebalan dan vektor yang mendefinisikan sistem koordinat lokal untuk analisa hasil (key word ANGL_REP ).
• Mendefinisikan kondisi batas dan beban (AFFE_CHAR_MECA ).
• Memecahkan ulang permasalahan elsatis untuk tiap-tiap kasus pembebanan (MECA_STATIQUE ).
• Menghitung luasan tahanan pada node-node untuk tiap kasus pembebanan. ('SIGM_ELNO_DEPL ' option).
• Mencetak hasil (IMPR_RESU ).
Gambar 3.27 Korelasi anatara EFICAS dengan Code Aster
Gambar 3.28 Setting parameter processor
Sebelum melakukan perhitungan untuk menganalisa simulasi maka perlu dilakukan edit parameter komputer agar komputer bisa bekerja dengan baik nanti saat melakukan perhitungan. Untuk mensetting parameter dilakukan : klik kanan pada file aster > edit parameter. Berikan kapasitas memory untuk perhitungan sebesar 1024 (1GB) kemudian waktu untuk menyelesaikan perhitungan (time solver) dengan 1200 > OK, seperti terlihat pada gambar 3.28.
Setelah selesai baru dilakukan penganalisaan dengan Klik : Solve (Launch a
Gambar 3.29 Melakukan penyelesaian analisis (solving) 3. Tahap Post-Processing
Pada tahap post-procesing terdapat beberapa tampilan yang bisa dihasilkan. Yakni :
- Tampilan displacement
- Tampilan Tegangan Von-Miss
