ANALISIS SIMULASI ELEMEN HINGGA KEKUATAN
BACKING PLATE PADA BLOK REM KERETA API
MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK
BERBASIS SUMBER TERBUKA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
AHMAD BALKO ITM SIREGAR NIM. 050401051
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ANALISIS SIMULASI ELEMEN HINGGA KEKUATAN
BACKING PLATE PADA BLOK REM KERETA API
MENGUNAKAN PERANGKAT LUNAK
BERBASIS SUMBER TERBUKA
AHMAD BALKO ITM SIREGAR NIM. 05 0401 051
Diketahui / Disyahkan : Disetujui oleh :
DepartemenTeknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU
Ketua,
Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri
NIP.196412241992111001 NIP. 196808071995011001
ANALISIS SIMULASI ELEMEN HINGGA KEKUATAN
BACKING PLATE PADA BLOK REM KERETA API
MENGUNAKAN PERANGKAT LUNAK
BERBASIS SUMBER TERBUKA
AHMAD BALKO ITM SIREGAR NIM. 05 0401 05
Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-579 pada Tanggal 05 Juli 2010
Pembanding I Pembanding II
Ir.Alfian Hamsi, M.Sc
ANALISIS SIMULASI ELEMEN HINGGA KEKUATAN
BACKING PLATE PADA BLOK REM KERETA API
MENGUNAKAN PERANGKAT LUNAK
BERBASIS SUMBER TERBUKA
AHMAD BALKO ITM SIREGAR NIM. 05 0401 051
Telah Disetujui oleh :
Pembimbing/Penguj,
NIP. 196808071995011001
Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting, M.Eng
Penguji I, Penguji II,
Ir.Alfian Hamsi, M.Sc
NIP. 195609101987011007 NIP. 195708051988111007 Ir.Syahrul Abda, M.Sc
Diketahui Oleh : Departemen Teknik Mesin
Ketua,
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 904 / TS / 2009 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : / / 20 MEDAN PARAF :
NAMA : AHMAD BALKO ITM SIREGAR
TUGAS SKRIPSI
NIM. : 05 0401 051
MATA KULIAH : MEKANIKA KEKUATAN BAHAN
SPESIFIKASI TUGAS : Pelajari konstruksi rem pada kereta api, khususnya backing plate pada blok rem. Selanjutnya, pelajari metode elemen hingga untuk maksud mensimulasikan keadaan
backing plate apabila mengalami perubahan
pada saat pengereman kereta api. Lakukan simulasi tersebut menggunakan perangkat lunak berlisensi sumber terbuka. Sebagai perbandingan hasil yang dikeluarkan perangkat lunak berlisensi sumber terbuka yang dipilih, rujuklah suatu karya lain yang terdahulu sebagai sumber data perbandingan (data sekunder). Lengkapi dengan diskusi hasil perbandingan data kesimpulan kehandalan perangkat lunak berlisensi sumber terbuka yang dipilih.
DIBERIKAN TANGGAL : 04 / 11 / 2009 SELESAI TANGGAL : 25 / 06 / 2010
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 04 NOPEMBER 2009 DOSEN PEMBIMBING,
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU
MEDAN
KARTU BIMBINGAN
TUGAS SARJANA MAHASISWA
No.: 904 /TS / 2009 Sub. Program Studi : Teknik Produksi
Bidang Tugas : Mekanika Kekuatan Bahan
Judul Tugas : Analisis Simulasi Elemen Hingga Kekuatan
Backing Plate Pada Blok Rem Kereta Api
Menggunakan Perangkat Lunak Berbasis Sumber Terbuka
Diberikan Tanggal : 04 Nopember 2009 Selesai Tgl. : 25 Juni 2010
Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir. Armansyah Ginting, M.Eng.
Nama Mahasiswa : Ahmad Balko ITM Siregar NIM. :050401051
NO TANGGAL KEGIATAN ASISTENSI
BIMBINGAN
Tanda Tangan Dosen Pemb. 1 04 Nopember 2009 Pemberian Spesifikasi Tugas
2 10 Nopember 2009 Diskusi Kasus dan Metode 3 05 Desember 2009 Diskusi Lanjutan Studi Kasus 4 13 Januari 2010 Diskusi Lanjutan Studi Kasus 5 18 Februari 2010 Diskusi Hasil Simulasi 6 01 Maret 2010 Asistensi BAB I 7 23 Maret 2010 Asistensi BAB II
8 20 April 2010 Asistensi Perbaikan BAB II 9 04 Mei 2010 Asistensi BAB III
10 18 Mei 2010 Asistensi BAB IV 11 09 Juni 210 Pemeriksaan Akhir 12 25 Juni 2010 ACC Seminarkan
CATATAN
Kartu ini harus diperlihatkan kepada sen Pembimbing setiap Asistensi.
Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.
Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan Asistensi telah selesai.
Diketahui,
Ketua Departemen Teknik Mesin FT-USU
Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001
KATA PENGANTAR
Hai orang-orang beriman apabila dikatakan kepadamu: "Berlapang-lapanglah dalam majlis", maka lapangkanlah niscaya Allah akan memberi kelapangan untukmu. Dan apabila dikatakan: "Berdirilah kamu", maka berdirilah, niscaya Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman di antaramu dan orang-orang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat. Dan Allah Maha Mengetahui apa yang kamu kerjakan. (QS Al Mujadilah : 11)
Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW.
Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) di Departemen Teknik Mesin FT-USU. Adapun judul Skripsi ini adalah “Analisis Simulasi Elemen Hingga Kekuatan Backing Plate Pada Blok Rem Kereta Api Menggunakan Perangkat Lunak Berbasis Sumber Terbuka”.
Dalam proses pengerjaan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, data-data, dan lain-lain. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ayahanda H. Imron Muttaqin Siregar dan Ibunda tercinta Hj. Faizah
Mustaqimah Harahap terima kasih ananda haturkan atas segala cinta dan kasih mereka yang telah memberikan dukungan moril dan materil serta do’anya demi kesuksesan ananda, penulis juga ucapan terima kasih kepada abanganda : Sentosa Pardamean Siregar, Muhammad Ali Ansor Siregar, Ali Masykur Siregar dan Ahmad Fauzi ITM Siregar dan kakak-kakak penulis : Nur Hidayah Siregar, Derhanun Siregar, dan Husnil Khotimah Siregar yang menjadi warna dan dapat menghibur bagi penulis.
2. Bapak Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting, M.Eng selaku Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.
3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin.
4. Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin FT-USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.
5. Teman-teman mahasiswa : Ilham Jauhari, Namira Farhayati Lubis, Gunawan, Raja Naposo, Imbarko, Parhan dan masih banyak lagi yang tidak bisa dituliskan satu persatu namanya khusus untuk stambuk 2005 salam solidarity
forever.
Akhir kata semoga Skripsi ini bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Juli 2010
ABSTRAK
Backing plate merupakan bagian dari blok rem kereta api. Merancang backing plate perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui
kekuatan backing plate pada blok rem kereta api apabila mengalami perubahan pada saat pengereman. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi
backing plate pada blok rem kereta api apabila mengalami pembebanan dengan
menggunakan perangkat lunak Salome Meca yang berlisensi tebuka kemudian membandingkan hasil keluaran dari Salome Meca yang berlisensi sumber terbuka dengan perangkat lunak komersial ANSYS dan merekomendasikan hasil yang diperoleh. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu: instalsi perangkat lunak sistem operasi linux sabily, instalasi aplikasi Salome Meca, kemudian melakukan permodelan dengan perangkat lunak SolidWorks 2007 dan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak Salome Meca yang berbasis sumber terbuka yang kemudian dibandingkan hasilnya dengan perangkat lunak komersial ANSYS. Setelah melakukan simulasi maka didapatlah nilai defleksi pada backing plate dengan perangkat lunak Salome Meca ketebalan 3 mm adalah sebesar 27 mm, ketebalan 4 mm adalah 12.2 mm, dan pada profil alur ketebalan 4 mm adalah 3.35 mm. Defleksi pada backing plate dengan perangkat lunak ANSYS berbasis berbayar ketebalan 3 mm adalah 27.9 mm, ketebalan 4 mm adalah 12.267 mm, dan pada profil ketebalan 4 mm adalah 3.4 mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah perangkat lunak Salome Meca dapat berjalan dengan baik pada sistem operasi linux yang berbasis sumber terbuka sebagai perangkat lunak yang mampu bersaing dengan perangkat lunak komersial untuk menyelesaikan persoalan-persoalan dalam bidang keteknikan.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
LEMBAR PENGESAHAN DARI PEMBIMBING ii
LEMBAR PERSETUJUAN DARI PEMBANDING iii
SPESIFIKASI TUGAS iv
LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI v
KATA PENGANTAR vi
ABSTRAK vii
DAFTAR ISI viii
DAFTAR TABEL x
DAFTAR GAMBAR xi
DAFTAR NOTASI xiii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1Latar Belakang 1
1.2Perumusan Masalah/Batasan Masalah 3
1.3Tujuan Penelitian 3
1.4Manfaat 4
1.5Sistematika Penulisan 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA` 6
2.1Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga 6 2.1.1 Perangkat Lunak Elemen Hingga Berbayar 6
2.1.2 ANSYS 7
2.2Sumber Terbuka (Open Source) 7
2.2.1Aplikasi Perangkat Lunak Elemen Hingga Lisensi
Sumber Terbuka 10
2.2.2Salome 11
2.2.3Code Aster 12
2.3Metode Elemen Hingga 14
2.3.1Metode Elemen Hingga Pada Kasus Analisis Stuktur 18 2.3.2Regangan Pada Bidang Tiga Dimensi 26
2.4Backing Plate 28
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 31
3.1Instalasi Sistem Operasi Distro Linux 31 3.2Instalasi Aplikasi Salome Meca 35
3.3Simulasi 38
3.4Diagram Alir Simulasi 49
BAB IV HASIL DAN DISKUSI 54 4.1Hasil Simulasi Elemen Hingga Backing Plate 54
4.1.1 Hasil Defleksi Simulasi Backing Plate Dengan
Salome Meca 54
4.1.2 Hasil Defleksi Simulasi Backing Plate Dengan
ANSYS 56
4.2Perbandingan Hasil Defleksi Simulasi Salome Meca
Dengan ANSYS 58
4.3Diskusi 56
4.3.1Displacement 58
4.3.2Persen Ralat 60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 61
5.1Kesimpulan 61
5.2Saran 62
DAFTAR PUSTAKA 63
DAFTAR TABEL
HAL Tab el 2.1 Tegangan Normal dan Regangan Normal 27 Tab el 4.1 Perbandingan Hasil Defleksi Pada Simulasi Salome Meca
Dengan ANSYS 57
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 Format Eficas dan File Comm 14
Gambar 2.2 Pemodelan Suatu Benda Menggunakan Metode Elemen Hingga 15
Gambar 2.3 Elemen 1 Dimensi 17
Gambar 2.4 Elemen 2 Dimensi 18
Gambar 2.5 Elemen 3 Dimensi 18
Gambar 2.6 Model Elemen 3 Dimensi 20
Gambar 2.7 Elemen Tetrahedral 21
Gambar 2.8 Beberapa model backing plate 30
Gambar 3.1 Tampilan pilihan instalasi 31
Gambar 3.2 Tampilan pilihan bahasa 32
Gambar 3.3 Tampilan pilihan lokasi waktu 32 Gambar 3.4 Tampilan pilihan susunan papan ketik 33
Gambar 3.5 Tampilan persiapan ruang disk 33 Gambar 3.6 Tampilan pengisian data pengguna 34 Gambar 3.7 Tampilan siap untuk diinstal 34 Gambar 3.8 Tampilan Proses Instalsi Sistem 35 Gambar 3.9 Tampilan Instalasi Selesai 35
Gambar 3.10 Tampilan Terminal Linux Untuk Memperoleh Aplikasi Salome Meca 36
Gambar 3.11 Tampilan Terminal Linux Untuk Memperoleh Direktori Salome Meca 36
Gambar 3.12 Tampilan Terminal Linux Untuk Membuka File 37
Gambar 3.13 Tampilan Membuka Salome Meca 38
Gambar 3.14 Lokasi Tumpuan; a.backing plate flat, b.backing plate alur 40
Gambar 3.15 Ketidak sesuaian dimensi holder dengan dimensi blok rem 40
Gambar 3.16 Lokasi pembebanan; a.backing plate flat, b.backing plate alu r 41
Gambar 3.17 Tampilan Modul geometri 42
Gambar 3.19 Tampilan Pembuatan Grup 43
Gambar 3.20 Tampilan Hipotesis Mesh 44
Gambar 3.21 Tampilan Hasil Mesh 44
Gambar 3.22 Tampilan wizard analisis linear elastic 45 Gambar 3.23 Tampilan Pendefenisian Material 46 Gambar 3.24 Tampilan pada area constrain 46
Gambar 3.25 Tampilan Update Mesh 47
Gambar 3.26 Tampilan Post-Processing 48
Gambar 3.27 Diagram Alir Simulasi Salome Meca 50
Gambar 3.28 Diagram Alir Penelitian 52
Gambar 4.1 Defleksi maksimum Backing Plate flat dengan
ketebalan 3mm 53
Gambar 4.2 Defleksi maksimum Backing Plate flat dengan
ketebalan 4mm 54
Gambar 4.3 Defleksi maksimum Backing Plate profil dengan
ketebalan 4mm 54
Gambar 4.4 Defleksi maksimum Backing Plate flat dengan
ketebalan 3mm 55
Gambar 4.5 Defleksi maksimum Backing Plate flat dengan
ketebalan 4mm 56
Gambar 4.6 Defleksi maksimum Backing Plate profil dengan
ketebalan 4mm 56
Gambar 4.7 Defleksi pada backing plate 58 Gambar 4.8 Lokasi Tumpuan; a.backing plate flat, b.backing plate alur 58 Gambar 4.9 Lokasi pembebanan; a.backing plate flat,
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 kekakuan elemen {σ} = vektor tegangan
τ = tegangan geser (N/m2)
V = komponen gaya yang sejajar dengan bidang elementer (N) A = luas bidang (m2)
σx = tegangan normal yang bekerja pada bidang x (N/m2)
σy = tegangan normal yang bekerja pada bidang y (N/m2)
σz = tegangan normal yang bekerja pada bidang z (N/m2)
τxy = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah y (N/m2)
τxz = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah z (N/m2)
τyz = tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah z (N/m2) E = modulus Young (Mpa)
{ε} = matriks kolom regangan
[d] = matriks operator dengan peralihan {u} = matriks kolom peralihan
ABSTRAK
Backing plate merupakan bagian dari blok rem kereta api. Merancang backing plate perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui
kekuatan backing plate pada blok rem kereta api apabila mengalami perubahan pada saat pengereman. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi
backing plate pada blok rem kereta api apabila mengalami pembebanan dengan
menggunakan perangkat lunak Salome Meca yang berlisensi tebuka kemudian membandingkan hasil keluaran dari Salome Meca yang berlisensi sumber terbuka dengan perangkat lunak komersial ANSYS dan merekomendasikan hasil yang diperoleh. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu: instalsi perangkat lunak sistem operasi linux sabily, instalasi aplikasi Salome Meca, kemudian melakukan permodelan dengan perangkat lunak SolidWorks 2007 dan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak Salome Meca yang berbasis sumber terbuka yang kemudian dibandingkan hasilnya dengan perangkat lunak komersial ANSYS. Setelah melakukan simulasi maka didapatlah nilai defleksi pada backing plate dengan perangkat lunak Salome Meca ketebalan 3 mm adalah sebesar 27 mm, ketebalan 4 mm adalah 12.2 mm, dan pada profil alur ketebalan 4 mm adalah 3.35 mm. Defleksi pada backing plate dengan perangkat lunak ANSYS berbasis berbayar ketebalan 3 mm adalah 27.9 mm, ketebalan 4 mm adalah 12.267 mm, dan pada profil ketebalan 4 mm adalah 3.4 mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah perangkat lunak Salome Meca dapat berjalan dengan baik pada sistem operasi linux yang berbasis sumber terbuka sebagai perangkat lunak yang mampu bersaing dengan perangkat lunak komersial untuk menyelesaikan persoalan-persoalan dalam bidang keteknikan.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi yang sangat cepat memberi pengaruh yang baik serta manfaat yang besar bagi manusia dalam berbagai bidang kehidupan. Hal ini dapat dilihat dengan semakin banyaknya peralatan yang telah diciptakan oleh manusia dengan berbagai model, bentuk serta kemampuan dari segi pemakaian yang relatif lebih unggul dibandingkan dengan peralatan-peralatan konvensional. Keunggulan tersebut tidak lepas dari hasil penelitian dan percobaan oleh para engineer, yang selalu mencari terobosan dan temuan baru untuk menciptakan sesuatu yang baru bermanfaat dan berguna bagi kehidupan manusia.
Salah satu kebutuhan yang sangat berperan penting adalah kebutuhan akan ketersediaan sarana transportasi karena menjamin mobilitas setiap individu, dimana setiap individu pasti memiliki kepentingan mobilitas secara individual maupun bersama-sama. Salah satu sarana transportasi publik yang utama untuk jalur darat adalah kereta api.
Kereta api memiliki kapasitas angkut yang besar, efisien serta memiliki kelancaran yang lebih baik dibandingkan sarana transportasi darat lainnya. Dalam pengoperasiannya sangat diharapkan kereta api memiliki tingkat kenyamanan dan kelancaran yang baik, serta mengutamakan keselamatan penumpang. Salah satu sistem utama yang menunjang keselamatan dan kelancaran perjalanan kereta api adalah sistem pengereman. Dalam sistem pengereman ini, blok rem merupakan salah satu komponen terpenting. Blok rem yang digunakan pada kereta api memerlukan penggantian secara rutin karena memiliki umur pakai yang terbatas.
komposit. Sehingga dengan adaya studi ini diharapkan dapat ditemukan suatu spesifikasi teknik backing plate yang dapat mengantisipasi kegagalan dan juga material komposit yang tahan terhadap beban yang terjadi saat pengereman.
Teknologi yang berkembang sangat pesat saat ini adalah komputer yang sangat berguna dalam pengembangan usaha dan pengembangan ilmu pengetahuan. Perkembangan dunia komputer telah begitu cepat mempengaruhi bidang-bidang penelitian dan industri, sehingga impian para engineer dalam mengembangkan ilmu pengetahuan dan industri telah menjadi kenyataan. Sebagai contoh analisis metode elemen hingga identik dengan titik yang merupakan titik simpul atau titik hubungan. Untuk analisis pada titik yang sedikit dapat dilakukan dengan cara manual, akan tetapi analisis pada titik yang banyak tidak memungkinkan dilakukan dengan cara manual oleh karena itu diperlukan bantuan komputer.
Metode elemen hingga merupakan salah satu metode komputasi (numerik) yang banyak digunakan untuk analisis stuktur. Pada metode ini, prosedur perhitungan dilakukan dengan membagi struktur kontinu menjadi elemen-elemen kecil. Elemen-elemen ini saling berhubungan pada titik nodal membentuk satu rangkaian yang secara keseluruhan merupakan model kontinu semula. Keseimbangan gaya antara elemen tersebut diwakili dengan kesetimbangan gaya antara nodal yang saling berhubungan.
Pendekatan klasik dalam menganalisis suatu benda solid adalah mencari fungsi tegangan dan perpindahan yang memenuhi persamaan diferensial kesetimbangan, hubungan tegangan-regangan, dan kesesuaian kondisi disetiap titik pada bidang kontinu, termasuk didaerah batas. Penyelesaiannya menghasilkan seluruh perpindahan titik nodal, yang nantinya dipakai untuk menentukan semua tegangan dalam. Tujuan utama dari analisis metode elemen hingga adalah menghitung tegangan dan perpindahan pada suatu struktur.
melalui analisis matematis. Hal ini disebabkan karena analisis matematis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Metode elemen hingga menggunakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik diskrit. Dimulai dengan permodelan suatu objek, kemudian membaginya dalam bagian yang kecil. Namun secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum pembagian.
Dalam analisis metode elemen hingga dengan menggunakan perangkat lunak pada komputer dewasa ini yang banyak beredar memakai lisensi berbayar yang harganya relatif mahal bagi kalangan mahasiswa. Namun demikian ada alternatif perangkat lunak yang didapat dari lisensi sumber terbuka dengan berbagai sistem operasi, salah satu operating sistem yang digunakan yaitu Linux.
Perangkat lunak untuk sistem ini dapat diperoleh secara bebas dan tanpa berbayar dengan mengunduhnya di internet. Salah satu situs yang menyediakan program aplikasi analisis elemen hingga ini adalah dalam situs resminya tersebut ada terdapat program Salome Meca yang mampu melakukan analisis metode elemen hingga. Perangkat lunak Salome Meca ini mempunyai kemampuan analisis yang setara dengan perangkat lunak ANSYS , dimana ANSYS merupakan perangkat lunak yang berlisensi berbayar.
1.2 Perumusan Masalah/Batasan Masalah
1.3 Tujuan
Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mendapatkan hasil simulasi berupa nilai defleksi backing plate pada blok rem kereta api apabila menerima pembebanan dengan menggunakan perangkat lunak Salome Meca yang berlisensi terbuka.
2. Mendapatkan perbandingan hasil simulasi berupa nilai defleksi dari Salome Meca yang berlisensi sumber terbuka dengan hasil yang diberikan oleh perangkat lunak komersial ANSYS untuk studi kasus simulasi elemen hingga kekuatan backing plate pada blok rem pada kereta api.
3. Mendapatkan perbandingan konstruksi terbaik backing plate flat ketebalan 3 mm dan ketebalan 4 mm dengan backing plate yang memiliki profil alur ketebalan 4 mm.
1.4 Manfaat
Adapun manfaat dari penulisan skripsi ini adalah :
1. Dapat mengetahui pengunaan perangkat lunak Salome Meca berlisensi sumber terbuka yang mampu menyelesaikan persoalan dalam bidang keteknikan.
2. Memudahkan dalam analisis kekuatan backling plate pada blok rem kereta api.
3. Dengan memakai perangkat lunak Salome Meca berlisensi sumber terbuka ini akan mengurangi pembajakan yang sering dilakukan karena tingginya harga perangkat lunak yang berbayar.
1.5 Sistematika Penulisan
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini mendeskripsikan mengenai tugas sarjana yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, perumusan masalah/batasan masalah, tujuan manfaat dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta perangkat lunak yang digunakan untuk menganalisis persoalan.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan penjelasan instalasi, penggunaan perangkat lunak dalam simulasi, penjelasan analisis dalam simulasi yang akan dilakukan.
BAB IV : HASIL DAN DISKUSI Berisikan hasil simulasi dan juga hasil diskusi. BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan mengenai kesimpulan akhir dan saran yang didapat dari skripsi ini. DAFTAR PUSTAKA
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga
Elemen hingga adalah idealisasi matematika terhadap suatu sistem dengan membagi objek menjadi elemen-elemen diskrit yang kecil dengan bentuk yang simpel. Metode elemen hingga adalah teknik yang sangat dominan pada structural
mechanics. Ada banyak perangkat lunak analisis elemen hingga yang digunakan
di industri saat ini dari beraneka disiplin ilmu teknik termasuk mechanical
engineering. Dan solusi yang tepat untuk masalah-masalah itu adalah “CAD/
CAE”. CAD (Computer Aided Design) atau Merancang Berbantuan Komputer adalah proses perancangan model yang cepat dan akurat, sedangkan CAE (Computer Aided Engineering) atau Rancang-Bangun Berbantuan Komputer adalah proses analisis dan simulasi tegangan yang mudah dan efektif.
2.1.1 Perangkat Lunak Elemen Hingga Berbayar
Pernagkat lunak untuk penyelesaian kasus metode elemen hingga yang tersebar di seluruh penjuru negeri bahkan di seluruh dunia dengan berbagai mutu dan kemudahan yang berbeda-beda. Sebagai contoh dari perangkat lunak yang digunakan untuk penyelesaian dalam kasus elemen hingga adalah ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, LSDYNA, CATIA dan lainnya. Pengguna perangkat lunak FEM (Finite Element Method) kemudian terbiasa melihat GUI
(graphic user interface) dimana suatu benda didiskritisasi menjadi sekian puluh
bahkan hingga ribuan elemen. Istilah baru kemudian muncul yaitu Finite Element
Modeling, karena pengguna hanya memodelkan fisik suatu benda dengan
2.1.2 ANSYS
ANSYS adalah suatu perangkat lunak komputer yang mampu menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga analisis. Permasalahan ini meliputi statis, dinamis, analisis struktural (kedua-duanya linier dan nonliner), pemindahan kalor, dan cairan.
Secara umum, peyelesaian elemen hingga meliputi tiga langkah-langkah pada penyelesaiannya.
1. Pre-processing
Pada tahap ini mendefinisikan permasalahan model dari permasalahan seperti menggambarkan titik, garis, area, volume, dan lain-lain.
2. Solution
Disini menentukan beban, batasan, dan pemecahan.
3. Post-processing
Pada tahapan ini merupakan hasil dari analissis elemen hingga.
2.2 Sumber Terbuka (Open Source)
Perangkat lunak sumber terbuka adalah istilah yang digunakan untuk perangkat lunak yang membuka/membebaskan membuka kodenya untuk dilihat oleh orang lain dan membiarkan orang lain mengetahui cara kerja perangkat lunak tersebut dan sekaligus memperbaiki kelemahan-kelemahan yang ada pada perangkat lunak tersebut. Dan yang menarik dan salah satu keunggulannya adalah perangkat lunak berbasis sumber terbuka dapat diperoleh dan digunakan secara gratis tanpa perlu membayar lisensi. Biasanya orang mendapatkan perangkat lunak ini dari internet. Salah satu perangkat lunak sumber terbuka yang terkenal yaitu sistem operasi Linux.
sama fungsinya. Artinya, perangkat lunak sumber terbuka tidak harus gratis. Bisa saja membuat perangkat lunak yang membuka kode sumbernya, mempatenkan algoritmanya, medaftarkan hak ciptanya, dan tetap menjual perangkat lunak tersebut secara komersial.
Definisi sumber terbuka (open source) yang asli seperti tertuang dalam OSD
(Open Source Definition) yaitu:
1. Free Redistribution. Dalam hal ini lisensi tidak membatasi pihak yang
menjual dan yang memberikan perangkat lunak sebagai bagian dari distribusi perangkat lunak, dimana lisensi tidak membutuhkan bayaran lain dari distribusi tersebut.
2. Source Code. Program harus termasuk sumber kode dan mengizinkan
distribusi dalam bentuk sumber kode format sebaik mungkin. Harus diumumkan dengan baik cara untuk memdapatkan sumber kode, dan diunduh dari internet tanpa dikenakan biaya. Sumber kode harus lengkap, sehingga sengaja memperumit sumber kode tidak diizinkan.
3. Derived Works. Lisensi harus membolehkan modifikasi dari karya
yangdiperoleh. Dan harus membolehkan distribusi kembali atas perangkat lunak dan sumber kodenya di bawah lisensi dari perangkat lunak aslinya.
4. Integrity of the Authors Source Code. Lisensi harus mengizinkan
pendistribusian kembali dari sumber kode yang telah dimodifikasi. Selain itu, lisensi juga harus membolehkan karya yang membawa perbedaan nama atau nomor versi dari perangkat lunak aslinya.
5. No Discrimination Against Persons or Groups. Lisensi tidak boleh
mengadakan diskriminasi melawan orang atau kelompok manapun.
6. No Discrimination Against Fields of Endeavor. Lisensi tidak boleh
7. Distribution of License. Hak-hak yang ditetapkan pada program haruslah
kepada semua program yang didistribusikan kembali tanpa campur tangan hal-hal lain.
8. License Must Not Be Specific to a Product. Hak-hak yang diberikan pada
sebuah program tidak boleh bergantung pada bagian yang menjadi distribusi perangkat lunak. Jika program diluncurkan dalam suatu lisensi, semua pihak yang ikut mendistribusikan kembali sebaiknya memiliki hak yang sama.
9. License Must Not Contaminate Other Software. Lisensi tidak boleh
melainkan pembatasan terhadap perangkat lunak lain. Misalnya, lisensi tidak boleh melakukan pemaksaan bahwa semua perangkat lunak yang didistribusikan dalam menengah yang sama harus lisensi sumber terbuka juga.
10.License Must be Technology-Neutral. Tidak ada lisensi yang didasarkan
atas teknologi atau gaya perseorangan.
Keberadaan perangkat lunak sumber terbuka ini sangat ditunjang oleh internet. Mula-mula perangkat lunak sumber terbuka diambil dari internet kemudian digunakan oleh orang dan diperbaiki apabila ada kesalahan. Hasil perbaikan dari sumber terbuka ini kemudian dipublikasikan kembali melalui internet yang memungkinkan orang lain menggunakan dan memperbaikinya. Dan begitulah seterusnya, oleh karena itu perangkat lunak sumber terbuka akan terus berkembang dan tidak mungkin ketinggalan zaman.
apakah ada kode jahat didalam aplikasi tersebut.
Sumber terbuka (Open source) menurut Wikipedia adalah sistem pengembangan yang tidak dikoordinasi oleh suatu orang/lembaga pusat, tetapi oleh para pelaku yang bekerja sama dengan memanfaatkan kode sumber
(source-code) yang tersebar dan tersedia bebas (biasanya menggunakan fasilitas
komunikasi internet). Pola pengembangan ini mengambil model ala bazaar, sehingga pola sumber terbuka ini memiliki ciri bagi komunitasnya yaitu adanya dorongan yang bersumber dari budaya memberi, yang artinya ketika suatu komunitas menggunakan sebuah program sumber terbuka dan telah menerima sebuah manfaat kemudian akan termotivasi untuk menimbulkan sebuah pertanyaan apa yang bisa pengguna berikan balik kepada orang banyak.
Pola sumber terbuka lahir karena kebebasan berkarya, tanpa intervensi berpikir dan mengungkapkan apa yang diinginkan dengan menggunakan pengetahuan dan produk yang cocok. Kebebasan menjadi pertimbangan utama ketika dilepas ke publik. Komunitas yang lain mendapat kebebasan untuk belajar, merevisi ulang, membenarkan ataupun bahkan menyalahkan, tetapi kebebasan ini juga datang bersama dengan tanggung jawab, bukan bebas tanpa tanggung jawab.
2.2.1 Aplikasi Perangkat Lunak Elemen Hingga Lisensi Sumber Terbuka Perangkat lunak metode elemen hingga berlisensi sumber terbuka terdapat berbagai macam. Berbagai macam perangkat lunak metode elemen hingga tersebut yang dapat diunduh secara langsung dan gratis melalui situs
sourceforge.net dan situs lainnya, perangkat lunak tersebut antara lain Code Aster,
solver elemen hingga. Salome Meca ditujukan untuk menganalisis
masalah-masalah mekanikal sturktur.
2.2.2 Salome
Salome adalah perngakat lunak gratis yang menyediakan platform generik untuk Pra dan Pasca Pengolahan untuk simulasi numerik. Hal ini didasarkan pada arsitektur yang terbuka dan fleksibel terbuat dari komponen reusable tersedia sebagai perangkat lunak bebas. Sebagai contoh, untuk mengurangi tuntutan dan resiko, untuk struktur dan lingkungan, mereka mengoptimalkan biaya yang sangat tinggi. Hal ini membutuhkan simulasi sangat halus mengenai perilaku struktural dan ketahanan untuk menjamin kehandalan tinggi.
Pemodelan numerik dari masalah fisik, pengembangan solusi dan integrasi ke dalam proses desain sering ditangani di lingkungan yang sangat spesifik. Salome merupakan sebuah aplikasi CAD berbasis generik untuk simulasi digital dengan "reaktivitas tinggi untuk evolusi pasar dan harapan pelanggan".
Salome adalah CAD / CAE platform integrasi yang menyediakan komponen reusable untuk:
1. 3D modeling 2. CAD interface 3. Mesh generator
4. Elemen Hingga pemecah dengan pre-processing tertentu.
Salome platform tersedia dalam sumber terbuka. Salome Platform:
1. Mendukung interoperabilitas antara pemodelan CAD dan perangkat lunak perhitungan (CAD-CAE link).
2. Membuat lebih mudah integrasi komponen baru pada sistem heterogen untuk perhitungan numerik.
4. Menyediakan user-interface generik, user-friendly dan efisien, yang membantu untuk mengurangi biaya dan penundaan melaksanakan penelitian.
5. Mengurangi pelatihan waktu ke waktu khusus untuk mempelajari solusi perangkat lunak yang didasarkan pada platform ini.
6. Semua fungsi dapat diakses melalui program konsol terintegrasi Python Hal-hal yang dapat dilakukan pada Salome adalah sebagai berikut :
1. Menentukan model geometri (membuat / memodifikasi item geometri), impor dan ekspor menggunakan format BREP, IGES, dan lain – lain. 2. Menentukan item meshing geometri ini, serta mengimpor dan ekspornya. 3. Menangani sifat fisik dan jumlah yang melekat pada geometri, impor dan
ekspor ke format reusable.
4. Melakukan perhitungan menggunakan solver (opsional disediakan): masukan data membaca, mengkonfigurasi solver, dan menulis hasil perhitungan) bidang hasil.
5. Visualisasi dalam 3D, 2D dan gambar visualisasi ekspor ke format yang sesuai.
6. Skema studi Kelola: definisi dan menyimpan / restore. 7. Skema perhitungan Kelola: definisi dan eksekusi.
2.2.3 Code Aster
Code Aster adalah paket perangkat lunak sumber terbuka untuk sipil dan rekayasa struktural analisis elemen hingga dan simulasi numerik dalam mekanika struktural, awalnya dikembangkan sebagai aplikasi in-house oleh perusahaan Perancis EDF. Ini dirilis sebagai perangkat lunak bebas dibawah GNU general
public license, pada bulan Oktober 2001.
ditingkatkan dengan model baru. Membenarkan label kualitas yang dibutuhkan oleh industri nuklir, sebagian besar bidang perangkat lunak telah divalidasi oleh perbandingan independen dengan hasil analisis atau percobaan, benchmark terhadap kode-kode lain. Perangkat lunak ini dilengkapi dengan sekitar 2.000 tes mereka mengabdikan diri untuk kualifikasi dasar dan berguna sebagai contoh. Dokumentasi Code Aster mewakili lebih dari 14.000 halaman user manual, buku pedoman, teori kompilasi EDF's know-how dalam mekanika, contoh soal, manual verifikasi.
Code Aster terutama pemecah untuk mekanik, berdasarkan teori elemen hingga. Alat ini mencakup berbagai macam aplikasi 3D analisis termal dan analisis mekanik dalam statika linier, non-linier, dinamika, untuk mesin kapal tekanan, dan struktur teknik. Di luar fungsi standar dari perangkat lunak metode elemen hingga untuk mekanika padat, Code Aster mengkompilasi penelitian spesifik dalam berbagai bidang kelelahan, kerusakan, patah, kontak, geomaterial, media berpori, dan kopling multi-fisika.
Metode untuk perhitungan dengan Code Aster pada analisis struktur dilakukan dengan Code Aster terdiri dari urutan dari sejumlah kontrol yang dijelaskan dalam sebuah file perintah " command file " dalam format teks. Mesin dan penerjemah perintah file ini adalah bahasa script Python. Dengan demikian memungkinkan untuk menggunakan semua fungsi mereka dibawa oleh Python.
Gambar 2.1 Format Eficas dan File Comm
2.3 Metode Elemen Hingga
telah dikembangkan untuk berbagai respon teknik lainnya seperti medan tekanan, kecepatan aliran, distribusi temperatur, atau perpindahan panas. Pada dasarnya metoda elemen hingga mencari solusi dari perpindahan, kecepatan dan temperatur.
Metode elemen hingga menggunakan pendekatan secara numerik untuk memperoleh suatu solusi dari bentuk geometri yang sederhana sampai yang rumit. Akurasi yang didapatkan tergantung kepada model yang dibuat. Metode elemen hingga memecahkan masalah struktur yang memiliki geometri yang rumit dengan pendekatan diskrit, yaitu membagi-bagi geometri model menjadi elemen-elemen sederhana seperti tampak pada gambar 2.2 di bawah ini.
Gambar 2. 2 Permodelan Suatu Benda menggunakan Metode Elemen Hingga Tiap ujung dari elemen tersebut memiliki nodal yang terhubung satu sama lain dengan nodal dari elemen-elemen lainnya. Setiap nodal memiliki suatu parameter yang memiliki nilai tertentu seperti perpindahan untuk kasus struktur, tekanan untuk kasus fluida, atau temperatur untuk kasus perpindahan panas. Dari nilai kuantitas tersebut dapat diturunkan persamaan-pesamaan yang diikuti dengan perhitungan numerik untuk mendapatkan solusi yang ingin dicari. Metode ini sangat bermanfaat dan membantu mempercepat proses perhitungann pada kasus-kasus yang menggunakan banyak pesamaan.
Penyelesaian analisis struktur menggunakan metode elemen hingga dapat diuraikan dalam langkah-langkah berikut :
1. Diskritisasi kontinum, yaitu membagi elemen kontinu menjadi elemen kecil atau elemen diskrit. Derajat ketelitian pada metode elemen hingga dapat ditingkatkan dengan beberapa cara seperti:
sederhana.
b. Mempergunakan elemen dengan bentuk sederhana dan model perpindahan kompleks.
c. Mempergunakan elemen dengan bentuk dan model perpindahan yang kompleks.
2. Pemilihan model perpindahan.
Kesalahan dalam pemilihan fungsi dapat menyebabkan hasil yang keluar konvergen kepada jawaban yang salah. Fungsi (himpunan fungsi) perpindahan yang baik secara umum harus memenuhi syarat berikut :
a. Jumlah konstanta yang tidak diketahui dalam fungsi perpindahan harus sama dengan jumlah derajat kebebasan elemen total.
b. Fungsi perpindahan harus tidak condong ke satu arah tertentu, yaitu harus seimbang terhadap sumbu koordinat, kecuali untuk elemen yang ditujukan bagi pemakaian khusus.
c. Fungsi perpindahan harus mengizinkan elemen mengalami pergerakan benda tegar (rigid body) tanpa regangan dalam.
d. Fungsi perpindahan harus bisa menyatakan keadaan tegangan atau regangan konstan, karena jika tidak, regangan tidak akan konvergen ke fungsi kontinu bila elemen yang semakin kecil digunakan dalam idealisasi struktur.
e. Fungsi perpindahan harus memenuhi kesepadanan perpindahan sepanjang perbatasan dengan elemen yang berdekatan.
3. Hubungan perpindahan, regangan serta tegangan di dalam setiap elemen.
4. Penyususnan matriks kekakuan elemen dan matriks gaya ekivalen. 5. Proses penggabungan.
7. Proses Analisis.
8. Perhitungan-perhitungan tambahan yang diperlukan
Dalam metode elemen hingga terdapat berbagai tipe bentuk elemen yang dapat digunakan untuk memodelkan kasus yang akan dianalisis, yaitu :
a. Elemen satu dimensi, terdiri dari:
Elemen line/ garis
Tipe elemen ini yang paling sederhana memiliki dua titik nodal, masingmasing 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 2.3 Elemen 1 dimensi b. Elemen dua dimensi, terdiri dari:
Elemen triangle
Elemen quadrilateral
Gambar 2.4 Elemen 2 dimensi
c. Elemen tiga dimensi, terdiri dari:
Elemen tetrahedron
Elemen parallelepiped
Sama seperti tipe-tipe elemen yang telah disebutkan sebelumnya, kecuali untuk orde linier, elemen-elemen ini dapat memiliki sisi yang berbentuk kurva. Pada simulasi ini elemen yang dipilih adalah elemen tetrahedron.
(a) (b) (c)
Gambar 2.5 Elemen 3 dimensi
2.3.1 Metode Elemen Hingga Pada Kasus Analisis Struktur
Pemecahan solusi metode elemen hingga, yaitu dengan menggunakan elemen-elemen untuk memodelkan struktur keseluruhan. Persamaan umum yang digunakan untuk menggambarkan kuantitas nodal-nodal elemen tersebut adalah:
Dengan {f} adalah gaya-gaya yang bekerja pada nodal-nodal, {u} adalah perpindahan pada nodal dan [k] adalah matriks kekauan elemen [k]. Terdapat tiga metoda yang digunakan untuk menurunkan persamaan elemen, yaitu:
1. Metoda Persamaan Langsung atau “Direct Formulation”
Pada metoda ini, matriks kekakuan elemen dan persamaan elemen didapatkan dengan menurunkan persamaan kesetimbangan pada setiap nodal untuk mendapatkan hubungan gaya dan perpindahan nodal. Metoda ini mudah digunakan pada model-model yang sederhana, dengan jumlah elemen yang sedikit. Akan sangat sulit menggunakan metoda ini pada geometri yang cukup rumit, dengan jumlah nodal yang sangat banyak. Oleh sebab itu metoda ini tidak digunakan untuk jumlah elemen yang banyak.
2. Metode Energi
Metoda energi merupakan metoda yang cukup banyak digunakan. Terdapat tiga jenis metoda energi dalam analisis elemen hingga, yaitu:
- Virtual Work - Prinsip variasi - Teorema Castigliano
Pendekatan energi potensial minimal merupakan metoda yang lebih mudah untuk diadaptasi pada konfigurasi-konfigurasi yang cukup rumit, seperti elemen plane strain/stress, elemen axisymetric, elemen plate bending, elemen
shell, dan elemen solid. Energi potensial minimal menggunakan fungsi variasi,
yaitu fungsi dari fungsi lain. f(x,y) merupakan fungsi dari dua variabel x dan y, dan merupakan fungsi dari f.
π = π (x,y) (2.2)
Pada permasalahan struktur, total energi potensial pada struktur tersebut adalah p yang dapat dituliskan sebagai fungsi dari variabel perpindahan
p=(d1,d2,d3,…,dn). Subskrip n menunjukkan derajat kebebasan benda. Total
energi potensial dapat didefinisikan seperti pada persamaan 2.2 di bawah ini :
πp = U+W (2.3)
Dimana U adalah energi potensial karena gaya dalam yang menyebabkan timbulnya strain, sementara W adalah energi potensial karena gaya luar yang menyebabkan timbulnya deformasi pada benda. Persamaan kesetimbangan akan terpenuhi jika nilai energi potensial adalah konstan. Persamaan tersebut akan stabil jika nilai statis adalah minimal, dimana perubahan energi potensial total terhadap perubahan perpindahan adalah nol.
Gambar 2.6 Model Elemen 3 Dimensi
Dari gambar 2.6 dapat diturunkkan energi strain total dan energi potensial karena gaya luar sebagai berikut;
f = [fx, fy, fz]T ; gaya terdistribusi tiap satuan volume T = [Tx, Ty, Tz]T ; gaya tiap satuan luas
Pi = [Px, Py, Pz]T ; gaya pada nodal i
σ = [σx, σy, σz, τyz, τxz, τxy]
ε = [εx, εy, εz, γyz, γxz, γxy,]
3. Metoda Weighted Residual
Metoda ini digunakan apabila variasi perumusan atau fungsi tidak
didefinisikan secara jelas. Metoda Galerkin merupakan metoda yang menggunakan metoda ini.
4. Elemen tetrahedral
Elemen Tetrahedral adalah elemen tiga dimensi yang sangat simpel untuk menyelesaikan persoalan-persoalan mekanika stuktur. Seperti yang terlihat pada gambar 2.7, dapat dimisalkan bentuk tiap elemenya berbentuk tetrahedral.
Gambar 2.7 Elemen Tetrahedral.
Gambar 2.7 merupakan elemen tetrahedral dengan 3 dimensi, yang memiliki 4 node untuk 1 elemen.
a. Pemilihan Fungsi Displacement
urutan penomoran, dimana nomor yang terakhir (= 4) ditentukan lebih dahulu. Nomor-nomor lainnya ditentukan searah dengan kebalikan jarum jam.
Displacement = {q}
{q} =
Fungsi displacement {q} u, v, w harus merupakan fungsi linier karena hanya ada dua node yang membatasi sebuah rusuk elemen. Masing-masing fungsi
displacement tersebut adalah
u(x,y,z) = a1 + a2x + a3y + a4z
1,2,3,4) dalam persamaan 2.11 diberikan sebagai berikut:
Fungsi displacement dalam kaitannya dengan fungsi bentuk N ditulis sehingga persamaan 2.11, dapat disederhanakan menjadi:
v
b. Menentukan Strain-Displacement dan Hubungan Stress/Strain
Strain dari elemen untuk kasus stress tiga dimensi diberikan dalam
persamaan berikut ini:
{ }
Dikalikan dengan matriks [B], strain dinyatakan sebagai:
{ }
ε =[ ]
B{ }
q (2.15)
1. Indeks huruf dibelakang koma menyatakan differensial dari N1 terhadap x.
2. Untuk sub matrik lain B−2,B−3,B−4 tinggal mengganti indeks 1 pada persamaan (2.16) berturut-turut dengan 2,3 dan 4.
Dengan memasukkan harga Ni dari persamaan (2.13) (i = 1,2,3,4) ke persamaan (2.17) diperoleh sub matrik:
Demikian pula untuk sub matriks
Maka hubungan stress-strain diberikan melaui persamaan
{σ} = [c] {ε} (2.19)
2.3.2 Regangan Pada Bidang Tiga Dimensi
Secara umum, konsep dari regangan normal didefenisikan sebagai perbandingan antara perubahan panjang dengan panjang awal pada uji tarik. Jika
L
L o
l
L o
L o
L δ
ε = − = ∆ = (2.20)
Berdasarkan hukum Hooke untuk uji tarik, hubungan antara tegangan dan regangan dapat dituliskan:
ε
σ =E. (2.21)
dimana, E adalah modulus Young atau modulus Elastisitas bahan.
Pada sebuah uji tarik, tidak saja terdapat regangan aksial, tetapi juga terdapat regangan lateral. Sehingga dalam uji tarik dikenal dengan nilai Poisson
ratio (υ).
a k r e g a n g
l a t r e g a n g
− =
υ (2.22)
Untuk setiap bahan, nilai Poisson ratio berbeda-beda sesuai karakteristik bahan.
Berdasarkan Hukum Hooke, hubungan regangan geser γ dengan tegangan
geser yang terjadi adalah:
γ
τ =G. (2.23)
Dimana G adalah modulus geser elastis. Untuk material homogen dan isotropik, hubungan antara modulus elastisitas E, modulus geser elastis G, dan Poisson ratio dinyatakan dalam:
) 1 ( 2 +υ
= E
G (2.24)
Pada tabel 2.1 digambarkan mengenai hubungan tegangan normal dan regangan normal pada berbagai kondisi baik uniaxial, biaxial dan triaksial.
Tabel 2.1 Tegangan Normal dan Regangan Normal
Jenis Tegangan Regangan Normal Tegangan Normal Uniaxial
E
1 1
σ
ε = σ1 =Eε1
1
2 υ ε
1
Catatan : Uniaxial, biaxial, dan triaksial mewakili kasus khusus dari tegangan satu dimensi, dua-dimensi dan tiga-dimensi. Sumber: Joseph Sigley, C.R. Mische, R.G. Budynas ”Mechanical Engineering Design” hal 124.
2.4 Backing Plate
Pada skripsi ini dilakukan analisis simulasi elemen hingga kekuatan
backing plate pada blok rem kereta api. Pada rem kereta api terdapat blok rem,
yang merupakan komponen yang langsung bergesekan dengan permukaan roda adalah material gesek atau komposit. Blok rem kereta api terdiri atas dua bagian utama, yaitu material gesek dan backing plate. Setiap dari stuktur ini mempunyai kegunaan masing-masing yang saling melengkapi untuk membentuk suatu blok rem yang utuh.
Backing plate merupakan bagian punggung blok rem yang terbentuk dari
material logam. Biasanya backing plate untuk blok rem ini menggunakan baja karbon. Adapun kegunaan dari backing plate tersebut pada blok rem adalah sebagai material pemegang material gesek blok rem. Namun lebih dari itu,
material gesek komposit sehingga gaya penekanan tidak cenderung terkonsentrasi pada sebagian bidang saja. Serta dapat menambah kekuatan dari blok rem.
Backing plate umumnya ditanamkan pada punggung material gesek, namun ada
juga yang ditempelkan dengan menanamkan pengait pada beberapa bagian.
Backing plate dirancang sedemikian rupa agar dapat dicekam pada dudukan blok
rem. Umumnya produsen blok rem kereta api yang baru berkembang hanya mempertimbangkan kegunaan backing plate sebagai pemegang material gesek tanpa merancang backing plate untuk menyebarkan gaya penekanan rem dan mengurangi beban bending terhadap material gesek. Jika dilihat dari produk blok rem yang dihasilkan oleh produsen yang sudah maju, backing plate adalah bagian yang sangat diperhitungkan dalam menghasilkan produk blok rem yang baik dan sesuai standar. Hal ini dapat dilihat dari rancangan dan material backing plate yang baik dan kuat. Tentunya kualitas dari blok rem yang dihasilkan sangat baik untuk menggantikan blok rem metalik akibat adanya backing plate yang baik. Namun hal ini tidak terlepas dari kualitas material gesek yang baik. Biasanya setiap produk blok rem dari produsen yang berbeda, menggunakan backing plate dengan rancangan yang berbeda. Bentuk maupun material yang digunakan berbeda antara satu dengan yang lainnya. Gambar 2.8 di bawah ini merupakan contoh dari beberapa model backing plate yang sudah ada yang diproduksi oleh produsen tertentu. Dapat dilihat secara kasat mata beberapa model yang dirancang untuk menyebarkan gaya penekanan dan menahan bending.
b) dengan lubang profil bulat dan tanpa lubang
c) muka tidak penuh
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Instalasi Sistem Operasi Distro Linux
Menginstalasi sistem operasi distro Linux menyediakan kemudahan dan dukungan paket program yang lengkap. Pada sistem operasi distro Linux perangkat lunak elemen hingga yang berlisensi terbuka akan diinstal, dan dijalankan. 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 seperti terlihat pada Gambar 3.1 dibawah ini.
Gambar 3.1 Tampilan pilihan instalasi
Gambar 3.2 Tampilan pilihan bahasa
3. Memilih lokasi waktu. Lokasi waktu dapat ditentukan dimana tempat pengguna berada seperti terlihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Tampilan pilihan lokasi waktu
Gambar 3.4 Tampilan pilihan susunan papan ketik
5. Mempersiapkan ruang disk. Pada proses ini pengguna dapat membagi-bagi
hardisk pada komputer pengguna sesuai dengan keinginan pengguna
seperti terlihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Tampilan persiapan ruang disk
Gambar 3.6 Tampilan pengisian data pengguna
7. Siap untuk instalasi. Setelah melakukan tahapan-tahapan diatas, maka sistem operasi siap untuk diinstal di komputer pengguna seperti terlihat pada Gambar 3.7 dibawah ini.
8. Instalasi Sistem. Proses instalasi sistem operasi linux ubuntu sabily sedang berlanjut seperti terlihat pada Gambar 3.8 dibawah ini.
Gambar 3.8 Tampilan Proses Instalasi Sistem
9. Instalasi Selesai. Proses instalasi sistem operasi linux ubuntu sabily telah selesai seperti terlihat pada Gambar 3.9 dibawah ini.
Gambar 3.9 Tampilan Instalasi Selesai
3.2 Instalasi Aplikasi Salome Meca
Setelah melakukan instalasi sistem operasi linux ubuntu sabily, selanjutnya melakukan instalasi Salome_Meca_2009.1 sebagai perangkat lunak dasar untuk simulasi elemen hingga yang akan digunakan. Adapun tahapan proses instalasi Salome_Meca_2009.1 adalah sebagai berikut :
1. Memperoleh Perangkat Lunak
sekitar 700MB. Unduhan juga bisa dilakukan secara langsung melalui terminal linux dengan cara mengetikkan perintah “wget” yakni seperti terlihat dalam Gambar 3.10 berikut.
Gambar 3.10 Tampilan Terminal Linux Untuk Memperoleh Aplikasi Salome Meca
2. Proses Instalasi
Proses instalasi Salome-Meca-2009.1-GPL semua dilakukan dengan perintah dalam terminal, masuk ke direktori tempat Salome-Meca-2009.1-GPL dengan perintah “cd” seperti terlihat pada Gambar 3.11 brikut.
Gambar 3.11 Tampilan Terminal Linux Untuk Memperoleh Direktori Aplikasi Salome Meca
Gambar 3.12 Tampilan Terminal Linux Untuk Membuka File Kemudian pindahkan ke direktori /opt dengan perintah pada terminal: sudo mv SALOME-MECA-2009.1-GPL /opt
Jalankan scrip instalasi dengan perintah pada terminal : cd /opt/SALOME-MECA-2009.1-GPL/postinstall/ sudo ./postinstall.py
kemudian ganti file kepemilikan /dir dengan perintah pada terminal : sudo chown –R root:root /opt/ SALOME-MECA-2009.1-GPL
3. Membuat link simbol
Untuk dapat membuka Salome-Meca dari lokasi direktori mana saja, maka perlu membuat Link simbol :
cd /usr/local/bin
sudo ln -s /opt/SALOME-MECA-2008.1-GPL/runSalomeMeca runSalomeMeca
sudo ln -s /opt/SALOME-MECA-2008.1-GPL/killSalome killSalome cd
Gambar 3.13 Tampilan Membuka Salome Meca 3.3 Simulasi
Kondisi pembebanan pada blok rem akan berpengaruh pada besarnya tegangan yang dialami blok rem tersebut. Besarnya tegangan yang terjadi akan dibandingkan dengan sifat-sifat mekanik dari material blok rem tersebut sehingga dapat diketahui apakah blok rem tersebut mampu menerima tegangan yang terjadi. Untuk mengetahui besarnya tegangan yang terjadi tersebut, maka diperlukan suatu pemodelan kondisi pembebanan blok rem tersebut dan analisis dengan metode elemen hingga.
Tahapan-tahapan yang digunakan saat melakukan simulasi elemen hingga dengan perangkat lunak Salome Meca yakni sebagai berikut:
1. Membuat model dari objek yang akan dianalisis dengan geometri yang sesuai dengan sebenarnya serta menentukan kondisi batas dari model seperti, tumpuan dan gaya yang diberikan.
2. Meshing, yaitu membagi objek menjadi elemen kecil dengan mendefinisikan tipe elemen yang diinginkan
3. Mendefinisikan material dan sifat-sifat model tersebut dalam code aster. 4. Mengaplikasikan beban-beban apa saja yang dialami model tersebut.
5. Menganalisis dengan perangkat lunak elemen hingga Salome Meca sehingga diperoleh hasil simulasi. Hasil akhir simulasi dengan metode elemen hingga bisa dalam bentuk defleksi.
Dalam penelitian ini penulis mengangkat kasus pada simulasi elemen hingga backing plate pada blok rem kereta api. Penelitian ini tidak melakukan eksperimental. Peneliti mengambil data terdahulu (Harsa Delanis Sembiring,2008). Pada pengerjaanya mengunakan perangkat lunak SolidWork yang menggantikan fungsi pembuatan geometri pada ANSYS. SolidWorks merupakan perangkat lunak yang dapat menggambarkan model 3 dimensi dengan berbagai arsip keluaran yang dapat dipilih sesuai kebutuhan. Selain karena penggunaannya yang sederhana, SolidWorks dipilih untuk digunakan dalam tugas ini karena dapat menghasilkan arsip keluaran yang digunakan sebagai masukan untuk perangkat lunak ANSYS yang digunakan untuk kepeluan analisis. Adapun bahan yang digunakan adalah baja karbon dengan E = 200 Gpa, Poisson’s Ratio 0.32 dan beban yang diterima backing plate adalah 24883 N.
Analisis backing plate bertujuan untuk mendapatkan perbandingan konstruksi yang terbaik antara backing plate flat ketebalan 3mm dan ketebalan 4mm dengan backing plate yang memiliki profil alur dengan ketebalan 4mm sesuai dengan ketebalan backing plate dalam spektek blok rem komposit PT.KAI. Pada analisis elemen hingga ketiga backing plate akan mendapatkan beban yang sama besar yaitu beban maksimum dari gaya pengereman dan ditumpu pada bagian tengah. Maksud dari model pembebanan ini adalah untuk mendapatkan nilai defleksi maksimum yang dialami oleh masing masing bentuk backing plate sehingga dapat dibandingkan satu sama lain. Berdasarkan nilai defleksi yang dialami serta tegangan maksimum yang terjadi maka kita akan mendapatkan konstruksi backing plate yang memiliki kekuatan serta kekakuan yang terbaik. Analisis dilakukan pada backing plate pada gerbong dengan ketebalan pelat 3 mm dan 4 mm untuk backing plate flat dan 4 mm untuk backing plate profil. Backing
plate yang dianalisis adalah backing plate tanpa material gesek. Ketiga jenis
backing plate dibebani dan ditumpu pada bagian yang sama. Pembebanan dan
a. Tumpuan
Dalam analisis ini tumpuan yang dipilih adalah pada bagian tengah
backing plate. Daerah tumpuan ini sesuai dengan bentuk daerah yang bersentuhan
antara holder dengan backing plate bila ukuran holder terlalu besar. Asumsi tumpuan ini dipilih untuk mendapatkan deformasi maksimum untuk ketiga jenis
backing plate seperti terlihat pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14 Lokasi tumpuan; a. Backing plate flat, b. Backing plate alur
Kasus tumpuan ditengah seperti gambar diatas terjadi di lapangan jika
holder yang memegang blok rem sudah rusak/aus atau terdapat ketidaksesuaian
radius holder dengan punggung blok rem sehingga timbul celah antara punggung blok rem dengan backing plate. Kondisi seperti ini dapat dilihat pada Gambar 3.15.
b. Pembebanan
Beban yang diberikan pada backing plate adalah beban terdistribusi merata pada seluruh permukaan backing plate yang menempel dengan material komposit. Besar beban 24883 N sesuai dengan gaya pengereman maksimum pada gerbong. Beban pengereman pada gerbong barang digunakan sebagai masukan pada analisis karena beban tersebut merupakan beban yang paling besar jika dibandingkan dengan beban pengereman pada kereta penumpang. Sehingga pada analisis akan didapatkan hasil analisis yang optimum. Lokasi pembebanan yang diberikan dapat dilihat pada gambar dibawah, dimana arah gaya yang diperoleh
backing plate merupakan gaya normal terhadap permukaan bawah sepeti terlihat
pada Gambar 3.16.
Gambar 3.16 Lokasi pembebanan; a. Backing plate flat, b. Backing plate alur
Simulasi pada Salome Meca tidak terlalu berbeda 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 kita lihat sebagai berikut :
1. Tahap Pre-processing
Tahap pre-processing pada Salome Meca dilakukan dilakukan pada modul
geometry dan modul mesh. Sesuai nama modul-modul tersebut, maka
Gambar 3.17 Tampilan Modul Geometri
Untuk melakukan pemodelan geometri pada geometry module terdapat dua cara, pertama kita bisa melakukan penggambaran langsung pada Salome Meca dan kedua kita bisa mengimport model geometri dengan extensi file STEP, BREP dan IGES yang sudah digambar dari perangkat lunak lain. Untuk skripsi ini dilakukan impor model geometri untuk menyesuaikan simulasi pada perangkat lunak ANSYS. Dengan cara
File → Import seperti terlihat pada Gambar 3.18.
Gambar 3.18 Import Geometri
pada geometri seperti lokasi pemberian beban dan constrain. Sebagai berikut :
New Entity → create group.
Pada jendela yang muncul, pilih shape type dengan face. Kemudian diberi nama untuk grup press. Sebagai contoh ketikkan FIX pada name.
Pilih area (face) yang akan dijadikan press → apply seperti terlihat pada Gambar 3.19.
Gambar 3.19 Tampilan Pembuatan Grup
Setelah pembuatan grup pada modul geometri, maka kemudian pengerjaan dilanjutkan kepada modul mesh. Pada modul mesh, geometri dari modul geometri akan dimesh atau definisikan dalam bentuk bagian-bagian yang terbagi-bagi dalam satu kesatuan hingga membentuk semacam jaring (mesh).
Untuk masuk ke modul mesh, pilih mesh pada toolbar, kemudian pilih create mesh.
Gambar 3.20 Tampilan Hipotesis Mesh
Setelah hipotesis mesh didefinisikan maka dilanjutkan dengan Mesh → Compute, maka akan diperoleh hasil mesh seperti terlihat pada
Gambar 3.21. Dan jika terjadi error maka dilakukan geometri ulang.
Gambar 3.21 Tampilan Hasil Mesh
2. Tahap Analisis
yang didalamnya berisi perintah-perintah unik, definisi material dan definisi model permasalahan.
Dalam Salome Meca dan Code Aster ini berada 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 wizard penyelesaian permasalahan elemen hinga, yakni wizard permasalah linear elasticity, wizard permasalahan modal analysis, wizard permasalahan thermal linear dan wizard permasalahan fluid-solid
interaction.
Untuk penelitian ini penulis melakukan analisis kekuatan mekanik yang bisa dilakukan dengan anilisis linier elastis, sehingga digunakan
wizard analisis linear elastis.
Pilih linear elasticity wizard → 3D (untuk model solid tiga dimensi) seperti terlihat pada Gambar 3.22 berikut.
Langkah selanjutnya dilakukan pemasukan data awal material properties seperti pada Gambar 3.23 berikut.
Gambar 3.23 Tampilan Pendefenisian Material
Selanjutnya dilakukan pemberian nilai nol untuk setiap derajat kebebasan pada area constrain, kemudian pilih Next.
Setelah penentuan area constrain dengan memberikan nilai nol pada setiap derajat kebebasan (sumbu gerak), maka dilanjutkan pada tahap penentuan dan pemberian nilai pada area pembebanan.
Setelah pemberian beban tekanan, pilih Next untuk dilanjutkan kepada update mesh. Geometri mesh yang sudah diberikan definisi material dan tipe pembebanan tadi harus di update agar benar-benar terdefinisi seperti pada Gambar 3.25 berikut.
Gambar 3.25 Tampilan Update Mesh
Mesh yang telah terupdate berarti mesh telah didefinisikan. Mesh
yang sudah didefinisikan tersebut masih merupakan pendefinisian sederhana, Untuk itu perlu dilakukan pendefinisian secara menyeluruh dengan mengedit file comm yang sudah terbentuk sebelumnya. Untuk gedit file comm. Caranya adalah :
Pilih EFICAS pada tool bar kemudian pilih OK.
EFICAS merupakan suatu paket khusus pada modul aster yang berfungsi sebagai editor file comm. 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 diantaranya adalah perintah untuk :
• Mendefinisikan elemen hingga yang akan digunakan (AFFE_MODELE )
• Menggunakan group elemen 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 ). Sebagai contoh, V=Oz.
• 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 ).
3. Post-Processing
Setelah melakukan solve pada Code_Aster maka tahap selanjutnya adalah post-processing. Dimana dalam tahap ini adalah menampilkan hasil analisis pada simulasi backing plate. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3.26 berikut.
3.4 Diagram Alir Simulasi
Adapun diagram alir simulasi pada backing plate yang dikerjakan pada penelitian simulasi Salome Meca dapat digambarkan dalam diagram alir berikut ini :
Error Tidak
Mesh Module Menentukan Algoritma dan
Hipotesis Mesh Pre – processing
Geometry Module
Compute Mesh (proses meshing)
A B
Mulai
Membuat group face untuk pendefinisan kondisi batas
Gambar 3.27 Diagram Alir Simulasi Salome Meca 4.1.4
Analisis Aster Module Mendefinisikan : - Material Properties :
- Model Analisis :
- Kondisi batas/beban :
Run Calculation/Aster Solving (proses penyelesaian)
A
Done
Post-Processing Post-Pro Module
backing plate flat ketebalan 3mm nilai defleksinya
sebesar 27 mm, backing plate flat ketebalan 4 mm nilai defleksinya sebesar 12.2 mm, dan backing
plate profil alur ketebalan 4 mm nilai defleksinya
sebesar 3.35 mm.
Tidak
B
Ya
3.5 Diagram Alir Peneltian
Adapun diagram alir dalam proses penyelesaian skripsi ini yaitu adalah sebagai berikut :
Tidak Ada Error
Tidak Download dan instalasi
Salome Meca 4.1.4 Download dan instalasi sistem
Operasi Distro Linux
Mempelajari penggunaan software Salome Meca 4.1.4
Memastikan bahwa Salome Meca 4.1.4 telah dapat digunakan untuk tahapan
pre – procesing, analisis, dan post – procesing.
Mencari rujukan penelitian sebelumnya yang bisa digunakan sebagai data sekunder untuk bahan studi kasus
Ya MULAI
A
Tidak
Ya
Melakukan simulasi Backing Plate dengan Salome Meca 4.1.4
Mempelajari Simulasi dengan ANSYS
Membandingkan hasil yang dikeluarkan oleh Salome Meca 4.1.4 dengan ANSYS
Menganalisis perbandingan hasil antara Salome Meca 4.1.4 dengan ANSYS
Simulasi Berhasil
Tidak Ada Error
Tidak
Ya
B
Melakukan simulasi Backing Plate dengan ANSYS
Gambar 3.28 Diagram Alir Penelitian
Hasil Nilai Defleksi Simulasi
Salome Meca ANSYS
Backing Plate 3 mm 27 mm 27.9 mm
Backing Plate 4 mm 12.2 mm 12.2 mm Backing Plate Profil
4 mm 3.35 mm 3.4 mm
Kesimpulan
Perangkat lunak Salome Meca dapat berjalan dengan baik pada sistem operasi linux yang berbasis sumber terbuka sebagai perangkat lunak yang mampu bersaing dengan perangkat lunak komersial ANSYS untuk menyelesaikan persoalan-persoalan
