Irwan Haryanto

Ini adalah halaman wikipage dari Irwan Haryanto, mahasiswa S2 Teknik Mesin - Perancangan dan Manufaktur Universitas Indonesia

Apa itu DAI5 Framework?

Di bawah ini merupakan penjelasan singkat tentang DAI5 Framework

Simple pipe stress static simulation menggunakan Solidworks

Simulasi ini menggunakan software Solidworks 2015

parameter yang digunakan yaitu :

dia : 100 mm

thickness : 20 mm

length : 2000 mm

material : AISI 304

fixed geometry

external load : force 1000 N

Dari simulasi yang dilakukan ini, dapat dilihat bahwa displacement terbesar terjadi di ujung pipa dimana external force diberikan. Hasil perpindahan ditampilkan dengan skala deformasi 144597 kali lebih besar dari kondisi asli (untuk memudahkan visualisasi).Warna pada pipa menunjukkan besar perpindahan (displacement), di mana warna merah menunjukkan perpindahan terbesar dan biru menunjukkan perpindahan terkecil. Skala perpindahan (URES) terlihat di sebelah kanan, dengan nilai maksimum sekitar 1.3838e-003 mm dan nilai minimum sekitar 1.000e-030 mm. Dari gambar dapat digunakan untuk memvisualisasikan bagaimana pipa berdeformasi di bawah pengaruh gaya yang diterapkan dalam simulasi tersebut.

Daftar pertanyaan terkait Finite element multiphysic

1. apa itu keseimbangan gaya eksternal dalam pegas ?

Percobaan simulasi 1D element bar dan beam pada Solidworks ELEMENT : BAR

Saya mencoba untuk melakukan simulasi menggunakan software solidworks.

Pada solidworks ini fitur yang ada yaitu 2D Simplified yang memungkinkan untuk melakukan simulasi pada permukaan 2D yang diinginkan saja.

Dimensi bar yang digunakan yaitu 100 mm x 100mm x 1000 mm. Dengan Material SS 304 dan fixed fixtured dengan apply force tarik sebesar 1000 N untuk melihat stress strain dan diplacement pada ujung bar tersebut.

Dokumentasi simulasi ada pada gambar di bawah ini.

Percobaan simulasi 1D element bar pada freecad

Berikut adalah hasil simulasi dengan parameter sebagai berikut

Material : A312 304L (stainless steel)

Pipe length = 4m

Diameter = 6in

Wallthicknes = 10s

Applied Force : Fix fixtured, dan gaya tekan searah sumbu X

Dokumentasi simulasi ada pada gambar di bawah ini

Untuk Penjelasan lebih lanjut dapat dilihat pada video di bawah ini

Penjelasan singkat Tentang Hooke's law

Hukum Hooke adalah prinsip dasar dalam mekanika yang menyatakan bahwa deformasi suatu benda elastis (seperti pegas atau material padat) berbanding lurus dengan gaya yang diterapkan padanya, selama batas elastisitas material tersebut tidak terlampaui. Persamaan Hukum Hooke adalah:

𝐹=𝑘⋅𝑥

F=k⋅x

F: gaya yang diterapkan (dalam Newton) k: konstanta pegas (dalam N/m), menggambarkan kekakuan material atau pegas x: perubahan panjang atau deformasi (dalam meter) Hukum ini berlaku pada bahan yang bersifat elastis, di mana material akan kembali ke bentuk semula setelah gaya dilepaskan. Hukum Hooke sangat penting dalam desain struktur dan analisis material di bidang teknik mesin.

Percobaan simulasi 2D element bar pada freecad

Berikut adalah hasil simulasi dengan parameter sebagai berikut

Material : A312 304L (stainless steel)

Pipe length = 4m

Diameter = 6in

Wallthicknes = 10s

Applied Force : Fix fixtured pada kedua ujung pipa, dan gaya tekan searah sumbu Z pada sebesar 8000 N pada 10 mm permukaan di tengah pipa.

Dokumentasi simulasi ada pada gambar di bawah ini

Dengan Freecad:

Dengan Paraview:

Penerapan DAI5 Framework Dalam Penyelesaian Analisa FEM

Berikut adalah bagaimana peran DAI5 dalam penyelesaian studi kasus analisa FEM

Apa itu metode Framework DAI5

DAI5 merupakan impelementasi dari framework yang disebut dengan Conscious thinking.

Framework ini merupakan framework baru (novel framework) dalam penyelesaian masalah yang dikembangkan dari Framework Computational thinking.

Perangkat Concious thinking yaitu brainware dan heartware

Brainware mengacu pada kemampuan/kapasitas dalam berfikir meliputi kemampuan berpikir analitis, berfikir logis, dan berfikir kreatif.

Heartware dalam conscious thinking ini mengacu pada sila pertama pada dasar Negara Indonesia, yaitu “Ketuhanan yang maha Esa”.

Tahapan DAI5

1. Intention (langkah awal dimana ditentukan niat, tujuan yang jelas dan simple)

2. Initial Thinking (dilakukan pemahaman secara komprehensif tentang permasalahan yang akan diselesaikan )

3. Idealization (ditujukan agar proses penyelesaian masalah dapat disederhanakan serta dapat diselesaikan secara efektif dengan melakukan suatu pendekatan atau suatu asumsi-asumsi yang dapat dipertanggungjawabkan)

4. Instruction Set (langkah dimana penyelesaian masalah direncanakan dan diimplementasikan melalui serangkaian langkah-langkah yang terstruktur dan sistematis)

Bagaimana penerapannya dalam FEM Analysis

1. Intention :

Niat yang kuat dan mendalam di hati dan pikiran untuk menyelesaikan permasalahan studi kasus pipa yang diberi beban tertentu dan dengan konfigurasi tertentu

2. Initial Thinking

Pemahaman pada studi kasus pipa secara komprehensif untuk diselesaikan.

Spesifikasi dan konfigurasi pipa yang akan dianalisa adalah :

Panjang 4000 mm

diamter 6in, wallthickness 10s

Tumpuan fix pada kedua ujung pipa

Fix fixtured pada kedua ujung pipa, dan gaya tekan searah sumbu Z pada sebesar 8000 N pada 10 mm permukaan di tengah pipa.

Material SS 304L

3. Idealization

Dengan penjabaran detail yang sudah dijelaskan pada tahap initial thinking, maka dari itu Analisa FEM bisa dilakukan dengan 2D karena distribusi displacement, plane stress dan plain strain cukup dengan Analisa 2D.

Disamping itu dengan Analisa 2D, komputasi bisa dilakukan dengan lebih sederhana dan dapat menghemat waktu.

4. Instruction Set

Menentukan software apa yang akan digunakan pada Analisa 2D yang telah ditetapkan pada tahap idealization. Saya akan menggunakan software FreeCad dan Paraview.

Freecad dipilih karena opensource, gratis dan bisa melakukan untuk desain 3D dan Analisa FEM baik 1D, 2D dan 3D.

Paraview digunakan untuk membantu visualisasi hasil Analisa yang lebih lengkap.

Hasil Akhir Analisa 2D - FreeCad

Hasil Akhir Analisa 2D - Paraview

Kesimpulan

1. DAI5 Framework dapat membantu menyelesaikan studi kasus Analisa FEM dengan lebih sederhana namun tidak mengurangi kualitas hasilnya

2. Tahapan DAI5 Framework dapat mengarahkan pengguna dalam menyelesaikan persoalan dengan baik sesuai intention yang telah diyakini.

UTS FEM

referensi : https://chatgpt.com/share/670e8f17-9390-8009-921c-1191148d694a

Trial coding menggunakan phyton untuk menganalisa FEM temperature and thermal stress simulation

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

1. Constants and Parameters

L = 1.0 # Length of the rod in meters

A = 0.01 # Cross-sectional area in square meters

k = 200 # Thermal conductivity (W/m·K)

E = 210e9 # Young's modulus (Pa)

alpha = 12e-6 # Thermal expansion coefficient (1/K)

T_left = 100 # Temperature at x = 0 (K)

T_right = 200 # Temperature at x = L (K)

n_elements = 10 # Number of elements

1. Element length

dx = L / n_elements

1. Global stiffness matrix (thermal)

K_T = np.zeros((n_elements + 1, n_elements + 1))

1. Assembly of K_T

for i in range(n_elements):

   k_local = (k * A / dx) * np.array([[1, -1], [-1, 1]])

   K_T[i:i+2, i:i+2] += k_local

1. Apply boundary conditions

F = np.zeros(n_elements + 1)

F[0] = T_left

F[-1] = T_right

K_T[0, :] = 0

K_T[-1, :] = 0

K_T[0, 0] = 1

K_T[-1, -1] = 1

1. Solve for temperature distribution

T = np.linalg.solve(K_T, F)

1. Calculate thermal stress

stress = E * alpha * (T - T[0])

1. Plotting results

x = np.linspace(0, L, n_elements + 1)

plt.figure(figsize=(12, 6))

plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(x, T, '-o')

plt.xlabel('Position along the rod (m)')

plt.ylabel('Temperature (K)')

plt.title('Temperature Distribution')

plt.subplot(1, 2, 2)

plt.plot(x, stress, '-o', color='orange')

plt.xlabel('Position along the rod (m)')

plt.ylabel('Stress (Pa)')

plt.title('Thermal Stress Distribution')

plt.tight_layout()

plt.show()

Trial 2 coding menggunakan phyton untuk menganalisa FEM temperature and thermal stress simulation

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

1. Constants

L = 1.0 # Length of the bar in meters

A = 0.01 # Cross-sectional area in square meters

k = 100 # Thermal conductivity (W/m·K)

E = 210e9 # Young's modulus (Pa)

alpha = 12e-6 # Thermal expansion coefficient (1/K)

P = 1000 # Axial load at the free end (N)

T_left = 300 # Temperature at x = 0 (K)

T_right = 500 # Temperature at x = L (K)

n_elements = 10 # Number of elements

1. Element length

dx = L / n_elements

1. Global stiffness matrices and force vector

K_T = np.zeros((n_elements + 1, n_elements + 1)) # Thermal stiffness matrix

K_M = np.zeros((n_elements + 1, n_elements + 1)) # Mechanical stiffness matrix

F = np.zeros(n_elements + 1) # Force vector for mechanical part

1. Assembly for each element

for i in range(n_elements):

   # Thermal element stiffness matrix (1D linear element)

   k_local_T = (k / dx) * np.array([[1, -1], [-1, 1]])

   K_T[i:i+2, i:i+2] += k_local_T

   # Mechanical element stiffness matrix

   k_local_M = (E * A / dx) * np.array([[1, -1], [-1, 1]])

   K_M[i:i+2, i:i+2] += k_local_M

1. Apply thermal boundary conditions

F_T = np.zeros(n_elements + 1)

F_T[0] = T_left

F_T[-1] = T_right

K_T[0, :] = 0

K_T[-1, :] = 0

K_T[0, 0] = 1

K_T[-1, -1] = 1

1. Solve for temperature distribution

T = np.linalg.solve(K_T, F_T)

1. Calculate thermal forces for mechanical analysis

thermal_force = E * A * alpha * (T - T[0])

1. Apply mechanical boundary conditions (fixed end)

F[-1] = P # Axial load at free end

F += thermal_force

K_M[0, :] = 0

K_M[0, 0] = 1

F[0] = 0 # Fixed displacement at x = 0

1. Solve for displacement

u = np.linalg.solve(K_M, F)

1. Calculate stress distribution

stress = E * (np.gradient(u, dx) - alpha * (T - T[0]))

1. Plot results

x = np.linspace(0, L, n_elements + 1)

plt.figure(figsize=(12, 6))

plt.subplot(1, 3, 1)

plt.plot(x, T, '-o')

plt.xlabel('Position along the bar (m)')

plt.ylabel('Temperature (K)')

plt.title('Temperature Distribution')

plt.subplot(1, 3, 2)

plt.plot(x, u, '-o')

plt.xlabel('Position along the bar (m)')

plt.ylabel('Displacement (m)')

plt.title('Displacement Distribution')

plt.subplot(1, 3, 3)

plt.plot(x, stress, '-o', color='orange')

plt.xlabel('Position along the bar (m)')

plt.ylabel('Stress (Pa)')

plt.title('Stress Distribution')

plt.tight_layout()

plt.show()

Berikut adalah flowchart dari phyton code diatas :

Tugas Besar FEM Irwan Haryanto

Analisa 1D Elemen Multiphysics FEM untuk Tegangan Termal dengan Artificial Neural Network (ANN) Menggunakan Framework DAI5 Studi Kasus Bar Baja Silindris 1D

Rumusan Masalah

Bagaimana menyelesaikan analisa tegangan termal secara efisien menggunakan pendekatan 1D FEM?

Bagaimana ANN dapat digunakan untuk mengurangi waktu komputasi dan meningkatkan prediksi analisa FEM?

Bagaimana Framework DAI5 dapat memandu proses ini secara sistematis?

Tujuan

Mengembangkan model multiphysics 1D FEM untuk analisa tegangan termal

Melatih model ANN untuk mempercepat proses simulasi FEM.

Menerapkan Framework DAI5 untuk memastikan struktur kerja yang jelas dan terarah.

DAI 5

Intention: Melakukan analisa dengan kesadaran untuk menghasilkan solusi inovatif yang bermanfaat.

Initial Thinking: Pendekatan dasar menggunakan FEM dan ANN untuk menganalisis fenomena termal-mekanikal.

Idealization:

Model 1D sederhana yang representatif untuk tegangan termal.

ANN sebagai alat percepatan solusi numerik. Metode ANN yang dipakai masih dalam kajian

Persiapan data

Instruction Set: Data training, perancangan model, validasi, hingga interpretasi hasil.

Bar

Fokus pada gaya aksial (tarik atau tekan).

Analisis lebih cocok untuk distribusi tegangan termal akibat ekspansi linier.

Tidak melibatkan momen lentur atau geser.

Dalam konteks analisa tegangan termal, gradien suhu menyebabkan deformasi aksial (panjang batang bertambah/berkurang).

Oleh karena itu, pendekatan bar lebih relevan dan lebih sederhana dibanding beam untuk kasus ini.

Fenomena Tegangan Termal pada Batang 1D

Fenomena tegangan termal terjadi ketika perubahan suhu menyebabkan ekspansi atau kontraksi material yang tidak diimbangi oleh deformasi bebas, sehingga menghasilkan tegangan dalam material. Dalam batang 1D, perubahan suhu ΔT memengaruhi panjang batang L melalui koefisien ekspansi termal linier α. Jika ujung-ujung batang fix, perubahan panjang akibat pemanasan atau pendinginan akan menghasilkan tegangan termal σ. Tegangan ini dapat dihitung menggunakan hubungan:

σ=E⋅α⋅ΔT

di mana E adalah modulus elastisitas material. Tegangan termal yang terjadi dapat menyebabkan deformasi elastis atau bahkan retak jika melampaui batas kekuatan material. Fenomena ini sangat penting dalam analisis struktur yang terpapar suhu ekstrem, seperti pipa, batang logam, dan komponen mesin, untuk memastikan keamanan dan keandalan desain.