Analisis 1D Elemen Multifisik pada Struktur Pipa HDPE Menggunakan Metode FEM dan ANN dengan Pendekatan DAI5 Framework oleh Nicholas Ego Guarsa

Pendahuluan: Pipa HDPE (High-Density Polyethylene) adalah material populer dalam berbagai aplikasi teknik, seperti saluran air bersih dan drainase, karena keunggulannya dalam tahan korosi, fleksibilitas, dan ringan. Namun, dalam kondisi lingkungan tertentu, seperti beban air yang ada di dalam pipa dan paparan panas matahari langsung, pipa HDPE dapat mengalami efek multifisik, yaitu displacement (perpindahan), distribusi suhu, dan tegangan termal. Untuk memahami fenomena ini secara mendalam, diperlukan pendekatan yang mencakup pemodelan numerik dan pembelajaran mesin guna memberikan solusi akurat dan efisien. Dalam studi ini, analisis dilakukan menggunakan gabungan Finite Element Method (FEM) untuk simulasi numerik dan Artificial Neural Network (ANN) untuk prediksi dan optimasi. Pendekatan ini diintegrasikan dengan kerangka pemikiran DAI5 Framework, yang mencakup 5 tahapan utama: Initiator, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instrument Set. Framework ini memungkinkan analisis multifisik dilakukan secara sistematis dan holistik.

Analisis dengan DAI5 Framework 1. Initiator Analisis ini diinspirasi oleh Dr. Ahmad Indra, inisiator "I am my consciousness thinking framework", yang menggarisbawahi pentingnya menyadari keteraturan sistem dalam memecahkan masalah kompleks. Framework ini diaplikasikan untuk memahami hubungan antara fenomena mekanik, termal, dan karakteristik material HDPE dalam kondisi multifisik. 2. Intention Tujuan utama dari studi ini adalah: o Menggunakan FEM untuk menghitung displacement akibat beban air dalam pipa dan distribusi suhu akibat paparan panas matahari. o Menggunakan ANN untuk memprediksi tegangan termal dengan mempertimbangkan variasi geometris pipa, sifat material, dan kondisi lingkungan. o Mengintegrasikan FEM dan ANN untuk mempercepat analisis dan memberikan solusi yang efisien bagi desain struktur pipa HDPE. 3. Initial Thinking Pada tahap awal ini, fenomena fisik yang relevan diidentifikasi: o Displacement: Menggunakan teori beam (Euler-Bernoulli) untuk menghitung deformasi akibat beban distribusi seragam (air). o Distribusi suhu: Menggunakan hukum Fourier untuk menghitung gradien suhu akibat paparan panas matahari. o Tegangan termal: Menggunakan hukum Hooke yang dimodifikasi untuk memodelkan tegangan akibat ekspansi termal. ANN akan dilatih berdasarkan dataset hasil simulasi FEM untuk mempercepat perhitungan tegangan termal. 4. Idealization Untuk menyederhanakan permasalahan, asumsi berikut digunakan: o Pipa HDPE dianggap sebagai balok isotropik elastis dengan panjang LLL, diameter luar DoD_oDo, dan diameter dalam DiD_iDi. o Beban air dimodelkan sebagai beban distribusi seragam www, sedangkan panas matahari menghasilkan gradien suhu linear T(x)T(x)T(x). o Material HDPE memiliki sifat elastisitas linear dan konduktivitas termal yang konstan. o ANN menggunakan arsitektur feedforward dengan input berupa geometri pipa, beban, dan kondisi suhu, serta output berupa tegangan termal maksimum. 5. Instruction Set Analisis dilakukan dalam dua tahap: o Tahap FEM: Menggunakan FEM untuk menghitung displacement dan distribusi suhu. Hasil simulasi ini juga digunakan untuk melatih ANN.  Matriks kekakuan struktur dihitung berdasarkan modulus elastisitas EEE dan momen inersia III.  Matriks termal dihitung menggunakan konduktivitas kkk untuk memodelkan distribusi suhu di sepanjang pipa. o Tahap ANN: ANN dilatih menggunakan dataset hasil simulasi FEM. Parameter input mencakup:  Geometri pipa: LLL, DoD_oDo, dan DiD_iDi.  Beban: berat air www dan gradien suhu T(x)T(x)T(x).  Material: modulus elastisitas EEE, konduktivitas kkk, dan koefisien ekspansi termal. Output ANN adalah tegangan termal maksimum, yang diverifikasi dengan hasil FEM untuk memastikan akurasi.

Implementasi dan Hasil 1. Displacement dihitung dengan FEM berdasarkan teori beam, memberikan gambaran deformasi maksimum akibat beban air. 2. Distribusi suhu diperoleh dengan FEM menggunakan formulasi konduksi 1D, menunjukkan gradien suhu sepanjang pipa. 3. Tegangan termal dihitung menggunakan ANN yang dilatih dengan dataset hasil FEM, memberikan prediksi cepat dan akurat. 4. Kombinasi FEM dan ANN mempercepat analisis, terutama untuk skenario dengan variasi parameter geometri, material, dan beban lingkungan.

Kesimpulan Pendekatan berbasis DAI5 Framework, yang mengintegrasikan FEM dan ANN, memungkinkan analisis multifisik dilakukan secara efisien dan akurat. FEM memberikan solusi numerik yang detail, sementara ANN mempercepat prediksi dengan mempertahankan akurasi tinggi. Hasil studi ini memberikan panduan praktis untuk desain struktur pipa HDPE yang lebih tahan terhadap beban multifisik, menjadikannya solusi yang handal dalam aplikasi teknik.