Introduction To Static Simulation [PDF]

Citation preview

Modul Ansys Introduction to Static Simulation



Finite Element Methods (FEM) Ansys Metode Elemen Hingga, atau yang lebih dikenal dengan Finite element method, merupakan suatu cara untuk menyelesaikan permasalahan engineering dengan cara membagi obyek analisa menjadi bagian-bagian kecil yang terhingga. Bagian-bagian kecil ini kemudian dianalisa dan hasilnya digabungkan kembali untuk mendapatkan penyelesaian untuk keseluruhan daerah. Metode ini digunakan pada permasalahan engineering dimana exact solution/analytical solution tidak dapat menyelsaikannya. Inti dari FEM adalah membagi suatu benda yang akan dianalisa, menjadi beberapa bagian dengan jumlah hingga (finite). Bagian-bagian ini disebut elemen yang tiap elemen satu dengan elemen lainnya dihubungkan dengan nodal (node). Kemudian dibangun persamaan matematika yang menjadi reprensentasi benda tersebut. Proses pembagian benda menjadi beberapa bagian disebut meshing. FEA dapat digunakan untuk menganalisa secara spesific permasalahan di dunia engineering, misalnya kekuatan struktur, korosi, perpindahan panas, maupun gabungan beban yang terjadi, contoh sebuah structure yang terkorosi sebagian, tidak dapat dihitung secara analitis karena ketebalan struktur berbeda di setiap daerah, dengan proses deskritisasi di FEA, dapat diselesaikan dengan mudah. (pustek.com) FEM Dengan Ansys Ansys merupakan salah satu software yang bisa menganalisis struktur dengan metode FEM. Proses yang digunakan untuk memasuki tahapan FEM adalah Ketika dilakukan proses Meshing.



Gambar 1. Permodelan FEM Ketika proses meshing



Proses meshing ini sangat mempengaruhi hasil akhir dari simulasi yang dilakukan, baik akurasi hasil, kecepatan komputasi hingga visualisasi hasil. Seorang operator simulasi dapat saja membuat mesh yang sangat padat sehingga memperoleh hasil yang akurat, namun perlu diingat pula bahwa semakin banyak mesh yang digunakan, semakin banyak pula memori dan persamaan yang harus diselesaikan dalam proses komputasi atau solving nantinya. (aeroengineering.co.id) Berikut contoh jenis meshing berdasarkan bentuk elemen nya.



Gambar 2. Jenis Mesh (aeroengineering.co.id) Secara umum, bentuk hexahedron merupakan bentuk mesh paling ideal yang berusaha dibuat oleh para operator CFD. Bentuk ini memiliki bentuk paling teratur dalam membentuk sebuah domain komputasi. Bayangkan anda memiliki televisi dengan pixel yang berbentuk segitiga atau segi enam, pasti gambarnya tidak akan se-rapi dengan bentuk pixel kotak. Meskipun bentuk ini cukup ideal, namun untuk geometri-geometri dengan kurva-kurva yang ekstrim atau jari-jari yang relatif kecil dibandingkan dengan ukuran mesh, bentuk hexahedron akan kesulitan untuk membentuknya.



Gambar 3. Meshing hexahedron Sebagai gantinya, mesh yang cukup populer digunakan karena kemampuanya yang sangat adaptif terhadap bentuk-bentuk kurva atau bentuk yang tidak regular lainya adalah jenis tetrahedron.



Gambar 4. Meshing tetrahedron Salah satu kekurangan mesh tetrahedron yang cukup mencolok adalah penggunaan memorinya yang lebih boros dibandingkan dengan hexahedron. Untuk mengisi suatu volume dengan ukuran elemen yang sama dengan hexahedron, tetrahedron membutuhkan jumlah elemen 2 hingga 3 kali lebih banyak dari hexahedron. Adapun berikut contoh simulasi silinder menggunakan beberapa jenis mesh :



Gambar 5. Meshing Hexahedron untuk simulasi silinder



Gambar 6. Meshing Tetrahedron untuk simulasi silinder



Bisa dilihat bahwa pada simulasi silinder menggunakan mesh tetrahedron memiliki ketelitian lebih tinggi dan hasil yang akurat namun membutuhkan memori yang lebih besar. Begitupun sebaliknya, menggunakan meshing jenis hexahedron memiliki keakuratan yang tidak setinggi tetrahedron namun memori yang digunakan juga lebih kecil.



Step-by-Step Simulasi Ansys “Statics Simulation” Setelah memahami tentang dasar finite element method, masuk ke bagian eksekusi yaitu simulasi. Pada proses simulasi terdapat beberapa tahapan sebagai berikut : a. General setup (klik static structure) b. Permodelan (input geometri) c. Material d. Meshing e. Boundry condition (memilih tumpuan, memberi gaya pembebanan dkk) f. Running g. Liat hasil (pilih output yang diinginkan mulai dari tegangan, deformasi, safety factor dll)



Starting with ANSYS STATICS Simulation 1. Buka ANSYS Workbench pada komputer anda dengan klik dua kali pada tampilan dekstop.



2. Setting satuan yang digunakan dengan klik menu units.



3. Menentukan jenis simulasi yang akan dilakukan dengan cara memilih meng klik pilihan jenis simulasi pada kolom sebelah kiri. Terdapat statics, fluent, vibration dll. Pilih Statics Structural.



• Single-click: Klik satu kali objek untuk memilihnya. Ini tidak mengubah data atau memulai tindakan apa pun. • Double-click: Klik dua kali objek untuk memulai tindakan default, yang nantinya dapat membantu Anda meningkatkan kecepatan. • Right- click: Klik kanan untuk menampilkan menu konteks yang berlaku untuk keadaan saat ini dari objek yang dipilih. Menyimpan Model Anda & Analisis Masa Depan Sebelum Anda melangkah lebih jauh, simpan ruang kerja dan sistem ANSYS Anda saat ini dengan memilih File -> Save As dari toolbar.



BERLATIH PROBLEM SEDERHANA



Engineering Data Untuk mendapatkan karakterisasi model yang benar, maka perlu memasukan data-data terkait model seperti menentukan jenis material dan mechanical properties, menggunakan Engineering Data cell. Respon deformasi model akan tergantung pada material yang ditentukan. Untuk melihat material Baja lakukan langkah sebagai berikut : ➢ klik kanan pada Engineering Data cell ➢ Pilih Edit… Anda akan melihat yang berikut ini sebagai default. ➢ Dalam beberapa kasus, Anda tidak akan melihat sumbu grafik bawah, itu tidak menjadi kendala.



Beberapa angka mungkin terlihat familiar, terutama dalam kumpulan unit ini, tapi kita akan menggunakan bahan Baja A992 standar. Sifat material yang kita butuhkan adalah Modulus Elastisitas, E = 29.000.000 psi dan Rasio Poisson, ν = 0,3. Modulus elastisitas dan Poisson Ratio menghasilkan hubungan antara tegangan dan regangan dalam model. Selanjutnya, Sifat material penting lainnya yang dibutuhkan adalah kekuatan baja 50.000 psi (50 ksi) dan kekuatan ultimat baja 65.000 psi (65 ksi). Langkah – langkah untuk mengubah suatu nilai : ➢ klik setiap sel di panel kiri bawah, ➢ lalu masukkan nilai yang diinginkan di kotak yang muncul di panel kanan atas. ➢ Ingat satuannya adalah psi di sini. ➢ Untuk mengubah E dan υ, klik + masuk di depan item menu Isotropic Elasticity untuk membuka opsinya. ➢ Kemudian klik pada setiap sel untuk masuk 29000000 untuk E dan 0,3 untuk υ.



➢ Gunakan proses yang sama untuk mengubah hasil tensile dan compresive yield strength hingga 50.000 dan compressive ultimate strength hingga 65.000.



➢ Jika sudah selesai, maka kita dapatkan nilai dari karakterisasi suatu Material Baja.



➢ Lakukan penyimpanan dengan klik Save. ➢ Untuk kembali ke tab Proyek, tutup A2: Engineerig Data (X) atau klik pada tab Project yang berwarna abu-abu di sebelah kiri tab A2: engineering Data dan biarkan tab Engineering Data terbuka, tetapi tersembunyi.



Geometri Pada menu geomteri, kita akan disajikan pilihan untuk membuat geometri baru dari awal menggunakan program Design Modeler atau Anda akan mengimpor geometri yang sudah ada. Selanjutnya kita akan membuat geometri untuk model batang aksial menggunaan Design Modeler : ➢ klik kanan pada sel Geometri di Menu sistem dan pilih Geometri Baru. ➢ Ini akan membuka program Design Modeler di jendela baru.



Dengan menggunakan Design Modeler, kita akan 'menggambar' bagian sistem kita menggunakan alat gambar dasar dan kemudian mengekstraksi Penampang 2D menjadi elemen 3D.



Untuk melakukannya, ikuti langkah-langkah berikut : ➢ Ubah Units dari default m menjadi inchi dengan menggunakan toolbar Units jika kita memperhatikan bahwa units pada skala jendela ditampilkan dalam m, bukan inci. ➢ Klik pada YZ Plane, yang terletak di Tree Outline di LHS, untuk mendapatkan plane tersebut tersedia untuk menggambar dengan bentuk 2D. Ini akan membuat sumbu X sebagai sumbu arah aksial. ➢ Ubah seleksi dari Modeling Tab yang menampilkan Tree Outline ke Sketching Tab, itu memungkinkan menggambar dimulai.



➢ Gunakan Draw Option untuk menggambar penampang melintang batang



➢ Setelah penampang lingkaran batang dibuat, selanjutnya memberikan dimensi. ➢ Klik Dimesnsions Menu dari draw menu pada LHS ➢ Lalu klik Diameter Option, klik dimana saja pada penampang lingkaran untuk memberikan dimensi. ➢ Masukan nilai diameter pada cell tersebut.



➢ Sekarang pilih fungsi Extrude pada toolbar. Anda akan melihat ekstrusi gambar rangka dari penampang 2D menjadi 3D dalam arah sumbu-x di Sketsa. ➢ Ubah nilai FD1 di menu LHS yang muncul menunjukkan detail Extrude1 menjadi 12 inci. ➢ lalu klik tombol Apply yang ditampilkan di kiri atas. Ini akan membuat batang lingkaran padat dengan panjang ekstrusi yang tepat. ➢ Langkah terakhir klik untuk membuat elemen bar 3D klik tombol Generate. Sekarang kita sudah mempunyai cylindrical bar.



➢ Sebelum kita melanjutkan, mari ganti nama beberapa sketsa dan bagian yang kita miliki di model. ➢ Klik pada + tanda di menu tri outline untuk meluaskan masing-masing.



➢ Klik kanan pada setiap label dan ganti nama Sketch1 menjadi Circular Bar Cross Section dan Extruded Body Part dibuat sebagai AxialBar. ➢ Biarkan program Design Modeller tetap terbuka tetapi buka jendela utama ANSYS dengan mengklik ikon ANSYS (ikon A Hitam & Kuning) di sepanjang bottom toolbar.



➢ Sel Model adalah sel berikutnya yang ingin kita klik kanan dan pilih Edit… untuk dikerjakan. Jendela baru lainnya akan terbuka yang ditandai dengan bola merah dan ikon M raksasa, yang singkatan dari Mechanical. ➢ Jendela Mekanis ini akan memungkinkan Anda untuk mengerjakan meshing batang aksial. Sebuah mesh diperlukan untuk menjalankan Analisis Elemen Hingga (FEA). ➢ Mesh mengambil bagian batang aksial 3D dan mewakili itu karena banyak elemen kecil yang dihubungkan oleh node. FEA tidak dapat berjalan tanpa mesh yang ditentukan.



➢ Klik kanan pada Mesh lalu pilih Generate Mesh. Untuk saat ini kita akan menggunakan elemen mesh default. ➢ Setelah mesh dibuat, itu akan muncul pada toolbar 3D seperti yang ditunjukkan. Jenis elemen ANSYS default secara resmi adalah 3D kuadrat tetrahedron (padat) elemen.



➢ Jika kita ingin memutar bar aksial, Anda dapat menggunakan salah satu tombol tampilan di toolbar.



➢ Di bawah Sizing Menu Item di LHS kita dapat mengubah Sizing-> Relevance Center dari Coarse menjadi Sedang dan klik kanan pada Mesh dan klik Update. ➢ Hasil Mesh bisa berupa mesh halus dan mesh kasar, untuk menghasilkan mesh halus dengan cara memperbanyak elemen yang ditentukan, sedangkan mesh kasar kebalikannya.



➢ Tinggalkan model dengan Medium mesh. Jika kita kembali ke jendela ANSYS Project, akan melihat file tanda centang hijau di sebelah sel Model. ➢ Kembali ke tampilan jendela Mekanis. Anda dapat mengidentifikasi bagian-bagian model secara visual berdasarkan propertinya bagian. Misalnya, jika assembly terbuat dari bagian-bagian dari bahan yang berbeda, Anda dapat mewarnai bagian-bagian tersebut berdasarkan bahan.



➢ Klik langsung pada Geometri Model (bukan di + tapi di Label geometri) dan di bawah menu Definisi, ubah bidang Gaya Tampilan ke Bahan dari Badan Warna. ➢ Warna bagian didasarkan pada penugasan material. Misalnya pada model dengan lima bagian dimana tiga bagian menggunakan baja struktural dan dua bagian menggunakan aluminium, Anda akan melihat tiga bagian baja struktural menjadi satu warna dan dua bagian aluminium dengan warna lain. Legenda akan menunjukkan warna yang digunakan bersama dengan nama bahan. Dalam kasus ini, hanya ada satu warna material yang ditampilkan untuk baja struktural di legenda.



Setup Setup digunakan untuk meluncurkan aplikasi yang sesuai untuk sistem tersebut. Selain itu, setup digunakan untuk menentukan beban, batas, dan untuk mengkonfigurasikan analisis yang sedang dilakukan. Langkah yang dilakukan yaitu :



• Kembali ke Jendela proyek - klik kanan pada sel Setup - pilih Edit • Bagi windows model mekanis hanya perlu klik kanan pada Struktural Statis untuk mengakses fungsi dibutuhkan. Selanjutkan pilih yang akan digunakan seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.



Untuk sistem saat ini, akan menggunakan Insert - Force untuk mewakili beban aksial yang diterapkan dan Insert – Fixed Support untuk mewakili dukungan tetap kondisi batas di ujung bar. Langkah pembuatan Force : Klik kanan pada Static Structural-> Insert-> Force Yang harus dilakukan yaitu



1. Mengubah pilihan Define by box dari Vector ke Components di menu kiri bawah. Jika kamu klik pada kotak ini maka akan dapat melihat opsi menggunakan panah yang disediakan. 2. Mengatur besarnya gaya arah-X menjadi 10.000 lbs. Jika Anda memperhatikan bahwa satuan gaya ada di N, maka perlu untuk mengatur ulang unit menjadi inci dan lb di jendela Mekanis dengan cara memilih Unit dari toolbar utama. Arah sumbu X positif akan menentukan arah gaya positif dalam kasus ini.



Jadi sekarang arah dan besarnya beban sudah ditentukan, tetapi masih perlu menentukan lokasi gaya di batang aksial. Caranya yaitu : •



Klik pada vektor sumbu X di pojok kanan bawah untuk mengubah tampilan agar terlihat di bagian akhir tampilan bar.



• Kemudian ubah kursor dan pilih Face di Toolbar -> klik pada ujung penampang batang sedekat mungkin dengan pusat penampang yang bisa diperkirakan untuk menyorot bagian depan bilah. • Di menu kiri bawah yang menunjukkan details dari "Force" klik box Geometry None Selected yang disorot dengan warna kuning jika muncul kemudian klik tombol Apply yang muncul untuk menambah beban. Jika hanya melihat tombol Apply di Geometry box, klik tombol itu untuk menambahkan muatan. Geometry box akan berubah dan menyatakan 1 Face.



• Klik tampilan ISO (bola biru muda pada sumbu) untuk melihat profil batang dengan beban aksial yang terpasang sekarang.



• Selanjutnya tambahkan kondisi dukungan tetap ke ujung lain dari batang aksial. Gunakan viewing tools untuk putar bilah sampai dapat melihat ujung lainnya. Klik kanan pada Static Structural-> Insert-> Fixed Support dan gunakan to the select face lagi dari toolbar dan pilih face di ujung ini. Untuk mengatur dukungan tetap pada face yang dipilih, gunakan Apply di menu kiri bawah untuk menetapkan kondisi batas tetap ke seluruh permukaan ujung bar.



Jika Anda memeriksa Tree Outline di menu LHS, Anda akan melihat bahwa sekarang ada 1 Force dan 1 Fixed Support leaves ditambahkan. Jika Anda mengklik salah satunya, maka akan melihat fitur terkait disorot dijendela model. Jika Anda mengklik pada Static Structural leaf maka akan melihat semua fitur yang disorot di jendela model. Apa yang direpresentasikan oleh model kita.. Model yang Anda buat di ANSYS adalah batang aksial tetap dengan beban titik di ujungnya. Hal ini bisa dilihat dengan mudah dalam tampilan Plan XY seperti yang ditunjukkan. Anotasi yang ditunjukkan oleh ANSYS ini cukup mendasar dan sebenarnya tidak mewakili beban terkonsentrasi yang khas dan dukungan tetap seperti yang saya gambar pada sketsa di bawah. Perhatikan bahwa saya telah menggambar dukungan sebagai dinding tetap dan beban sebagai panah biru. Ini bukan tampilan ANSYS yang terdiri dari panah merah yang menunjukkan beban yang diterapkan.



Pemecahan Masalah dengan Menjalankan Analisis dan Melihat Hasil Analisis Analisis dijalankan dengan mengklik kanan pada solution leaf di menu kiri dan klik Solve. Hal ini akan mengkonfirmasi tidak ada kesalahan model atau komponen yang hilang. Analisis akan berjalan dan selesai, tetapi tidak dapat melihat hasil analisis apa pun. Analisis dapat dikatakan berhasil dengan cara memeriksa jendela Proyek dan mencatat semua tanda centang hijau melalui Result cell atau dengan memperhatikan tanda centang hijau pada the solution dan solution information leaves di tampilan jendela Mekanis. Untuk dapat melihat dan meninjau hasil analisis secara visual, Anda perlu memberi tahu ANSYS apa yang Anda inginkan untuk melihat. Ada banyak pilihan jadi kita perlu hati-hati dalam mendefinisikan apa yang ingin kita lihat. Hasil yang kami minati untuk masalah analisis pertama ini dengan batang aksial adalah tegangan aksial dan aksial hasil deformasi. Untuk mengatur penampil untuk Axial (Normal) Stress kita akan memilih Solution-> Insert-> Stress-> Normal Stress



Kita tidak perlu mengubah Orientasi di menu kiri bawah dari sumbu X karena ini adalah sumbu arah yang kami minati. Jika tidak, maka kami perlu mengubah informasi ini untuk menjadi normal stres ke arah lain. Untuk mengatur penampil untuk Deformasi Aksial (Normal) kita akan memilih Solution-> Insert-> Deformation-> Directional



Di menu kiri bawah lagi kita tidak perlu mengubah Orientasi dari sumbu X. Sekarang Anda dapat menjalankan analisis lagi dengan mengklik kanan pada Solution, lalu Evaluate All Results atau klik kanan pada Solution, lalu Solve.



Melihat Hasil Stres Aksial (Normal) Klik pada tampilan ISO jika belum selesai. Untuk melihat tekanan normal di bar klik kiri pada Normal Stress leaf pada the Tree Outline. Ubah tampilan menjadi Smooth Contours dari Contour Bands untuk menghaluskan transisi tekanan yang ditampilkan menggunakan opsi toolbar di bawah banded icon.



Pandangan Anda harus berubah untuk menunjukkan tingkat stres warna seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Menurut hasil yang diberikan menurut ANSYS,



Normal Stress pada baris bervariasi nilainya sesuai dengan warna yang ditampilkan.



Warna sangat bagus, tetapi apakah hasil Normal Stress ini benar? Untuk memverifikasi hasil, Anda dapat membandingkan tekanan di bagian batang jauh dari penyangga dan melihat apakah itu sama dengan tegangan aksial teoritis yang diberikan oleh persamaan σ = P / A. Anda dapat meminta ANSYS untuk memberi tahu Anda apa stres yang dianalisis pada titik mana pun di bilah dengan menggunakan opsi Probe, yang ada di toolbar tepat di atas jendela tampilan. Saat opsi ini aktif, Anda dapat mengarahkan kursor ke atas bagian mana pun dari bilah dan cari tahu apa tekanan normal di lokasi spesifik itu. Jika Anda mengklik suatu titik, ANSYS akan memberi label titik itu dengan nilai stres. Untuk menghilangkan label, cukup klik salah satunya dan tekan Delete.



Hasil diatas menyatakan bahwa tegangan normal adalah 12.734 psi (atau 12,7 ksi) di sebagian besar batang yang terletak jauh dari dukungan tetap. Tekanan normal biasanya meningkat hingga maksimum 17.300 psi di beberapa bagian batang terletak sangat dekat dengan ujung dukungan tetap. Anda mungkin mengalami stres maksimum bervariasi yang sedikit lebih besar atau kurang dari 17.300 psi pada ujung penopang karena perbedaan meshing acak dari batang yang terjadi dari model untuk model. Hal ini dianggap tidak apa-apa karena tekanan yang lebih tinggi pada dukungan tetap adalah Efek St. Venant. Dukungannya adalah singularitas karena tiba-tiba menahan kontraksi karena efek Poisson yang ingin dimiliki bar tetapi tidak bisa. Hal ini merupakan kondisi akhir bahwa perkiraan dalam model kami perlu diselidiki lebih dalam mengenai konsentrasi tegangan di ujung batang yang tetap. Jadi apakah Stres Normal 12.734 psi benar? Hitung tegangan untuk batang dengan P = 10.000 lbs dan diameter 1 inci. Luas penampang dari bar adalah 0,7854 in2. Oleh karena itu tegangan yang dihitung



adalah 12.732 psi. Ini menunjukkan bahwa hasil ANSYS adalahsangat akurat untuk stres normal. Melihat Hasil Deformasi Batang Aksial Untuk melihat deformasi yang terjadi di bar klik kiri pada daun Directional Deformation di Outline. Pandangan Kita harus berubah untuk menunjukkan tingkat stres warna seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Kita mungkin perlu berubah dari pita kontur ke kontur halus lagi. Menurut hasil ANSYS, deformasi aksial bervariasi nilainya sesuai dengan legenda warna yang ditampilkan dan deformasi meningkat dari nol hingga maksimum di akhir bebas.



Sekali lagi warnanya sangat bagus, tetapi apakah hasil Deformasi Aksial ini benar? Hasil deformasi menunjukkan bahwa penyangga tidak bergerak - ada 0 deformasi ujung itu. ANSYS juga mengatakan bahwa deformasi total pada ujung bebas batang adalah sekitar 5,2578x10-3 inci dengan beban diterapkan. Anda dapat melihat peningkatan bertahap dalam deformasi dari ujung tetap ke ujung bebas dengan lebih baik jika Kita ubah kontur menjadi Smooth Contours sebagai opsi seperti yang ditunjukkan di bawah ini.



Jadi, apakah deformasi aksial total batang sama dengan 5,2578x10-3 inci? Kita dapat membandingkannya dengan nilai yang kita hitung dari persamaan 'play', δ = PL / AE dengan P = 10.000 lb, L =12 inci, A = 0,7854 in2 dan E = 29.000.000 psi. Deformasi adalah δ = 0,0052685 inci atau 5,2685x10-3inci. Jadi sekali lagi hasil ANSYS yang didapat sangat akurat.



Tinjau Hasil Regangan Normal



• Tambahkan Review Strain Normal menggunakan Solution-> Insert-> Strain-> Normal dan Running analisis kembali. • Catatan dari Strain di sebagian besar bar adalah konstan. Ini karena memiliki stres internal yang sama (dan gaya karena kita memiliki luas penampang yang sama) untuk wilayah batang ini. Kita dapat memeriksa apakah nilai regangan benar dengan membandingkan nilai analisis 4,3912x10-4 in / in dengan nilai hitung 4.3904x10-4 in / in.



Lihat Efek Poisson Perbesar untuk melihat efek Poisson di sepanjang batang aksial dengan membandingkan wireframe yang tidak berbentuk dari bar dengan hasil deformasi.



Kita dapat mengubah Rasio Poisson ke nilai tinggi buatan seperti 0,8 dan melihat lebih banyak efeknya pada hasil. Namun, jumlahnya masih relatif kecil.



PERBANDINGAN UKURAN MESH YANG BERBEDA UNTUK MASALAH AXIAL BAR KASAR



MEDIUM



FINE