Hazimi Hamar

Profile
Nama Lengkap	Hazimi Hamar
NPM	2306292885
Program Studi/Peminatan	Teknik Mesin/ Perancangan dan Manufaktur

بِسْمِ اللَّهِ الرحمن الرَّحِيمِ Subhanallah Walhamdulillah, segala puji bagi Allah ta'ala atas karunia dan keberkahan-nya. Pada kesempatan ini saya bisa membuat page di wiki AIR.

Hallo! Sahabat surga. Selamat Datang di Home Page saya, perkenalkan saya Hazimi. Page ini dibuat saat saya menempuh pendidikan Semester 3 di Fakultas Teknik Universitas Indonesia (FTUI) dengan jurusan Teknik Mesin peminatan Perancangan dan Manufaktur. Insya Allah page ini ber-isikan pembelajaran dan penulisan saya terkait mata kuliah Finite Element & Multiphysics dengan struktur Framework DAI5. Harapan-nya dengan adanya page ini sebagai tambahan ilmu pengetahuan dan mendukung pengembangan inovasi yang berkelanjutan dibidang ilmu keteknikan dan peningkatan dalam kesadaran diri akan penting-nya mengingat sang pencipta dalam perjalanan hidup kita.

Introduction

My first assignment explanation of FRAMEWORK DAI5 in meeting 1 class Finite Element & Multhiphysics (27/08/2024)

Dalam kerangka DAI5 Framework yang merupakan konsep dari bapak Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara berperan sebagai inisiator dalam kerangka ini, dengan pandangan filosofis yang mendasar, "I am My Consciousness." Yang dapat digunakan sebagai bentuk pemecahan masalah dan dapat menghasilkan bukti dan solusi.

1. Intention “Niat” sangat penting dalam kerangka DAI5 karena menetapkan tujuan atau hasil yang diinginkan dari proses berpikir. Hal ini selaras dengan filosofi kesadaran, di mana niat merupakan aspek kunci dari keterlibatan mental kita dengan dunia. Memahami niat membantu menjaga fokus dan kejelasan, serta mencegah gangguan, sehingga individu dapat tetap sesuai dengan nilai dan tujuan inti kita. Pemikiran yang disengaja ini menjadi dasar bagi banyak teori kognitif dan emosional, di mana kesadaran akan alasan berpikir dapat membentuk tindakan.

2. Initial Thinking “Pemikiran Awal” Tahap ini merupakan fase eksplorasi di mana individu bebas menggali dan merenungkan masalah. Ini adalah waktu untuk berasosiasi secara bebas tanpa penilaian atau batasan langsung. Pemikiran awal membantu mengenali berbagai aspek suatu masalah, mendorong peserta untuk mengandalkan intuisi dan pengalaman mereka. Tahap ini bertujuan mengumpulkan beragam perspektif sebelum beralih pada solusi yang lebih terfokus.

3. Idealization adalah tentang membayangkan skenario dan solusi terbaik yang mungkin, melampaui keterbatasan saat ini. Tahap ini mendorong berpikir kreatif dan mengajak individu untuk berpikir tanpa batas, membayangkan solusi ideal. Ini sejalan dengan konsep kesadaran yang menantang individu untuk melihat melampaui keadaan dan keterbatasan saat ini. Idealization tidak berarti mengabaikan realitas, melainkan memupuk harapan dan aspirasi untuk memotivasi tindakan lebih lanjut.

4. Instruction Set idealisme yang dikembangkan selama tahap sebelumnya ke dalam langkah-langkah yang dapat ditindaklanjuti. Hal ini penting karena solusi ideal perlu didasarkan pada kenyataan melalui implementasi praktis. Menciptakan seperangkat instruksi yang jelas dan mudah dikelola membantu individu menerjemahkan pemikiran dan aspirasi mereka ke dalam tindakan nyata, memfasilitasi kemajuan menuju tujuan mereka. Efektivitas fase ini bergantung pada kejelasan dan kelayakan langkah-langkah yang dikembangkan, yang menegaskan kembali pentingnya kesengajaan dan refleksi selama proses berlangsung.

Simple Pipe Design Modelling using Caesar II 2019

At the 4th meeting the Finite Element & Multhiphysics (4/9/2024) We do simple pipe design using Caesar II with classic piping input >> we make pipe models according to standard code B31.3 and set the layout of the pipe model including pipe length, pipe diameter, pipe wall thickness or sch, pipe fluid density, temperature and pressure are also set. At Node 10 we provide Fixed support and Node 20 we provide forces/moments in the direction of the -Z axis.

Material = ASTM 106 Grade B (Carbon Steel)

Pipe length = 4000mm = 4m

Diameter = 10in = 273.0500mm

Wallthicknes Wt/Sch = 40s = 9.2710mm

Force/Moment = 8000N

Temp Operation = 120F = 66.648,89°C

Temp Design = 150F = 83.315,56°C

Pressure Operation = 130lb./sq.in = 9139,91 kg/cm²

Pressure design = 270lb./sq.in. = 18.982,89kg/cm²

Pada parameters input pipe design yang telah kita rancang >> start run untuk statik load case dilakukan untuk crosscheck error and warnings >> Setelah running terdapat data Static Output Processor rekomendasi load cases analyzed yang diberikan oleh software pada setiap kondisi yang terdiri dari Operasi (OPE), Alternatif beban susut atau penyangga (Alt-SUS), Sustained atau penyangga yang permanen (SUS), Beban ekspansi atau thermal expansion (EXP). Dimana hasil yang diberikan tidak terdapat over stress yang terjadi pada design ini. Kita dapat melihat Stress Summary yang dihasilkan pada gambar dibawah ini.

Analisis dari model yang dirancang. Termasuk dalam pendekatan analisis 1D Bar Element, analisis seperti ini, pipa dimodelkan sebagai elemen satu dimensi (1D) yang memiliki panjang dan dapat menahan gaya aksial, tekukan, dan torsi. Analisis ini berfokus pada perilaku struktural elemen dengan asumsi bahwa gaya dan momen bekerja di sepanjang sumbu pipa. Ini adalah pendekatan yang cocok untuk memodelkan pipa panjang seperti yang ditunjukkan di gambar, di mana distribusi tegangan dan perpindahan dipertimbangkan sepanjang sumbu pipa tanpa perlu representasi penuh dalam tiga dimensi (3D). Berikut hasil dari analisis simple pipe design modelling yang terdapat pada gambar dibawah, sebagai berikut:

   <<<Stress Summary Conditions:>>>

Terdapat kondisi analisis nilai tegangan (Stresses) yang diberikan oleh software dengan Allowable Stress Code B31.3. Berikut penjelasannya

1. Loadcase 2 (Alt-SUS) W + P1 (kondisi operasi), tegangan yang dihasilkan pada node 10 adalah 5006.0 lb/sq.in. dengan rasio 25.0% dari tegangan yang diizinkan, menunjukkan bahwa kondisi beban berat dan tekanan operasi P1 masih aman di bawah batas allowable stress 20000 lb/sq.in.

2. Loadcase 4 (Alt-SUS) W + P2 (kondisi design), tegangan yang dihasilkan node 10 lebih tinggi, yaitu 6425.8 lb/sq.in., dengan rasio 32.1% dari tegangan yang diizinkan, tetapi tetap berada dalam batas aman, menandakan bahwa pipa mampu menahan beban pada tekanan desain P2 tanpa melampaui batas tegangan.

3. Loadcase 5 (SUS) W + P1, kondisi beban berat dan tekanan operasi P1 menghasilkan tegangan yang sama seperti pada Loadcase 2 (5006.0 lb/sq.in.), dengan rasio 25.0%, memastikan bahwa tekanan operasi normal P1 tidak menimbulkan tegangan berlebih pada sistem.

4. Loadcase 6 (SUS) W + P2, tegangan mencapai 6425.8 lb/sq.in., atau 32.1% dari allowable stress, yang masih dalam batas aman untuk kondisi desain dengan tekanan P2, mengindikasikan keamanan sistem terhadap kondisi susut atau penyangga dengan tekanan maksimum yang dirancang.

5. Loadcase 9 (EXP) L9 = L1 - L3, yang merupakan kondisi ekspansi termal antara kondisi operasi dan desain, tegangan yang dihasilkan sangat rendah (0.0% dari allowable stress), menunjukkan bahwa ekspansi termal antara suhu T1 dan T2 tidak menyebabkan tegangan yang signifikan, dan berada jauh di bawah batas allowable stress 30000 lb/sq.in., memastikan bahwa perubahan suhu tidak memberikan dampak yang membahayakan sistem pipa pada node 20.

Kesimpulan adalah Analisis ini menunjukkan bahwa sistem pipa yang kita design aman terhadap kondisi beban yang dianalisis, baik untuk kondisi operasi P1 dan P2, maupun kondisi desain yang menggunakan temperatur T2 dan tekanan P2.

   <<<Displacement Conditions:>>>

Data Displacement, perpindahan maksimum terjadi di node 20 dengan nilai DY sebesar 1.303 mm dan DZ sebesar -2.590 mm, yang menunjukkan pergerakan pipa dalam arah vertikal dan longitudinal akibat beban operasional. Meskipun terjadi sedikit perpindahan dan rotasi pada node tertentu, nilai-nilai ini masih dalam batas toleransi perpipaan dan tidak mengindikasikan adanya risiko deformasi signifikan.

KESIMPULAN Berdasarkan analisis stress summary dan displacement pada desain pipa, hasil menunjukkan bahwa sistem perpipaan ini berada dalam batas aman dan sesuai standar yang ditetapkan. Dari stress summary, semua load case (termasuk kondisi beban operasi dan desain) menunjukkan tegangan yang berada di bawah allowable stress yang ditentukan oleh ASME B31.3. Tegangan tertinggi terjadi pada Loadcase 6 (SUS) dengan nilai 6425.8 lb/sq.in., yang hanya mencapai 32.1% dari batas tegangan yang diizinkan, menandakan bahwa pipa ini mampu menahan kondisi operasi dan desain tanpa risiko kegagalan material. Dan Displacement maksimum terjadi di node 20 dengan nilai DY sebesar 1.303 mm adanya pergeseran vertikal ke arah DY dan longitudinal DZ sebesar -2.590 mm.

At the 5th meeting the Finite Element & Multhiphysics (10/9/2024)

1. Apakah besar pengaruh suhu luar atau ambient temperatur terhadap struktur pipa yang dialari suhu dan pressure tinggi didalam pipa?

2. Apakah variasi ketebalan dinding pipa dapat meningkatkan keamanan dan mengurangi risiko kebocoran pada tekanan desain pipa?

1D Element Bar Analysis using AbaqusCAE

Pada pertemuan ini menggunakan software calculix AbaqusCAE untuk penyelesaian kasus sederhana berupa 1D Element Bar. Menggunakan Framework DAI5 untuk menyederhanakan engineering problem dan result.

1. Intention (Niat) Maksud dan tujuan dari analisis ini adalah untuk memverifikasi respons struktur batang 1D pada kondisi beban terpusat (concentrated load), dengan memeriksa perilaku deformasi (displacement) dan tegangan (stress) yang terjadi pada kasus struktur pipa yang mengalami gaya. Dengan menggunakan data material steel dan spesifikasi geometris yang diberikan, tujuan utamanya adalah untuk mengetahui besarnya pergeseran (displacement) dan tegangan (stress) yang terjadi, serta memeriksa apakah elemen batang tetap aman dan tidak mengalami kerusakan atau kegagalan struktural.

2. Initial Thinking (Pemikiran Awal) Langkah awal untuk menentukan definisi design objek dari dimensi dan geometris. Diberikan data sebagai berikut:

A = 10e4 mm^2 (Luas penampang)

L = 1000 mm (Panjang batang)

E = 200e3 Mpa (Modulus young)

F = 10e3 N (Load concentrated force)

Diketahui bahwa elemen batang memiliki ukuran penampang lintang 𝐴 = 10e4 mm^2, panjang batang 𝐿 = 4000 mm dan gaya terpusat 𝐹 = 10e3 N, Modulus elastisitas material steel adalah 𝐸 = 200e3 MPa. Berdasarkan data ini, kita dapat mengantisipasi bahwa batang akan mengalami deformasi linier pada batas elastisitasnya karena gaya terpusat yang diterapkan. Dengan demikian, kita akan menghitung displacement dan stress pada batang. Dengan rumus:

Displacement (u): 𝑢 = FL/AE

​Stress (σ): 𝜎 = F/A​

Berdasarkan rumus di atas, displacement dapat dihitung berdasarkan gaya, panjang batang, luas penampang, dan modulus elastisitas. Stress dihitung dari gaya per luas penampang.

3. Idealization (Idealasi) Dalam idealisasi, kita menganggap rancangan kita mendekati dengan kondisi sebenarnya, bahwa elemen batang memiliki perilaku gaya axial atau gaya elastik linier di bawah beban yang diberikan. Diperoleh dari Intial Thinking bahwa perilaku ini dapat dilakukan dengan model 1D Bar. Setelah memperoleh model dengan membangun asumsi untuk menyederhanakan kasus, berikut:

-Material steel diaplikasikan keseluruh batang dan homogen sepanjang pipa, boundary condition fixed pada ujung batang, arah gaya bergerak lurus sejajar dengan batang sehingga terjadinya tegangan dan perpindahan yang terjadi pada satu arah terhadap sumbu X. Kita juga menganggap batang dalam kondisi mendukung hanya satu titik gaya terpusat (concentrated load) dan bebas dari faktor lainnya yang dapat mempengaruhi tegangan atau deformasi. Beban yang bekerja mensimulasikan respons statis struktur pada batang.

4. Instruction Set (Set Instruksi) Menentukan langkah-langkah penyelesaian yang dilakukan menggunakan software yang dipilih. Model design dibentuk menggunakan simulasi software Abaqus CAE. Tahapan ini telah disesuaikan dari Idealization yang diperoleh. Pada titik ujing garis diberikan boundary condition atau fixed support, dan ujung lainnya diberikan gaya external. Lalu Mesh dan Load diaplikasikan ke model. Terlihat pada gambar dibawah ini:

Pada implementasi parameter data yang diberikan terhadap model di AbaqusCAE, kemudian dapat kita create job untuk proses eksekusi simulasi atau analisis yang telah dibuat. Setelah model, material, dan kondisi analisis didefinisikan pada batang statis untuk running analysis Calculix. Hasil dari simulasi model yang dilakukan terlihat pada gambar dibawah ini, sebagai berikut:

Stress Mises menunjukkan seberapa besar tegangan yang dialami oleh elemen batang, dengan titik tertentu mengalami tegangan terbesar yang mungkin mendekati atau melampaui batas elastisitas material.

Displacement menunjukkan pergerakan elemen batang akibat gaya, dan skala warna menunjukkan besarnya perpindahan titik-titik pada elemen.

Kesimpulannya adalah Berdasarkan analisis menggunakan software Abaqus CAE pada elemen batang 1D dengan gaya terpusat, displacement (U, Magnitude) menunjukkan perpindahan maksimal sekitar 5 mm pada titik yang jauh dari tumpuan, yang masih berada dalam batas elastisitas material, menandakan batang berperilaku elastis. Sementara itu, stress (S, Mises) menunjukkan tegangan maksimum 1.000e+00 pada titik fixed, yang masih berada dalam rentang aman untuk material steel, yang memiliki kekuatan tarik lebih tinggi daripada nilai tegangan ini. Secara keseluruhan, hasil analisis ini menunjukkan bahwa batang tersebut aman dan tidak mengalami kerusakan atau deformasi permanen.

2D Element Beam Analysis

Pada pertemuan berikutnya mencoba untuk melakukan calculix use to Caesar 2019, untuk kasus sederhana. Analisis ini digunakan untuk memastikan bahwa desain pipa memenuhi persyaratan kode ASME B31.3 terhadap asumsi design yang telah kita buat. Pendekatan ini kita lakukan dengan analisis 2D Beam Element struktural. Dengan parameter sebagai berikut:

F = 8000N

Panjang Pipa = 1995 + 1995 = 4000mm

Node titik tengah sebagai tumpuan vertikal load (Force/Moment) = 10mm

dengan koefisient gesek 0.3Mu (karna Steel to Steel)

uniformload ke 2 batang pipa ke arah z 1.5lb.in dari acuan Code B31.3. Displacement dan modelling terdapat pada gambar dibawah ini:

   <<<Modelling 2D Element:>>>

   <<<Displacement Conditions:>>>

   <<<Stress Summary:>>>

Learning Notes

Pada analisis (Finite Element Method/FEM) atau metode elemen hingga terdapat elemen 1D, elemen 2D, dan elemen 3D yang dapat digunakan untuk menyesuaikan bentuk dari kompleksitas objek sebuah bidang yang akan dianalisis. Berikut perbedaan dan penjelasan dari masing-masing elemen berdasarkan analisis multiphysiscs:

1. Elemen 1D berbentuk garis atau batang dan digunakan untuk merepresentasikan objek fisik yang memiliki satu dimensi dominan, seperti kabel, balok panjang, atau kolom. Elemen ini ideal untuk komponen yang panjang dan ramping, di mana dimensi lainnya (misalnya, lebar atau tinggi) jauh lebih kecil daripada panjangnya. Aplikasi yang biasanya digunakan untuk struktur linier seperti batang, balok, kabel, atau rangka. Elemen 1D memungkinkan analisis tegangan, deformasi, dan gaya dalam elemen tersebut. Contoh dalam Multiphysics pertama Structural Analysis yang dapat menganalisis beban dan tegangan pada balok atau batang. Kedua Thermal Analysis menganalisis distribusi suhu pada pipa panjang atau kabel listrik, di mana panas merambat sepanjang sumbu utama.

2. Elemen 2D digunakan untuk objek dengan dimensi dominan dalam dua arah (misalnya panjang dan lebar), sementara ketebalannya jauh lebih kecil atau diabaikan. Elemen ini biasanya digunakan untuk memodelkan permukaan atau pelat tipis. Aplikasi yang digunakan dalam analisis pada struktur seperti pelat, membran, atau dinding tipis di mana beban atau pengaruh fisik bekerja pada permukaan besar. Contoh dalam Multiphysics pertama Fluid-Structure Interaction dapat Memodelkan interaksi antara dinding tipis (seperti membran) dan aliran fluida di sekitarnya. Kedua Electromagnetic Analysis menganalisis arus listrik pada permukaan logam tipis, seperti dalam sirkuit. Ketiga Thermal Analysis mendistribusi suhu pada permukaan pelat logam atau dinding.

3. Elemen 3D berbentuk volumetrik, seperti tetrahedron atau hexahedron, yang mampu menangani objek tiga dimensi penuh dengan geometri kompleks. Elemen ini berguna untuk representasi detail yang mencakup seluruh volume objek dan objek yang memiliki kompleksitas geometris penuh dalam tiga dimensi. Elemen ini cocok untuk objek solid yang tidak dapat direduksi menjadi dua dimensi karena ketebalannya yang signifikan. Aplikasi yang digunakan dalam analisis struktur solid atau kompleks seperti blok, mesin, komponen mekanik besar, atau sistem yang membutuhkan pemodelan volume penuh. Contoh dalam Multiphysics pertama Thermal-Mechanical Analysis menganalisis distribusi suhu dan tegangan dalam objek solid, seperti mesin atau komponen elektronik besar. Kedua Acoustic-Vibration Analysis memodelkan respons getaran dan transmisi suara dalam objek solid seperti blok atau casing. Ketiga Fluid Flow in Porous Media menganalisis aliran fluida melalui objek solid berpori, seperti beton atau tanah.

Dalam FEM (Finite Element Method), prinsip Hukum Hooke digunakan untuk menghitung tegangan (stress) dan regangan (strain) dalam elemen-elemen kecil suatu model. Hukum ini diterapkan dalam domain elastis untuk menentukan deformasi atau perpindahan elemen ketika beban diberikan, terutama dalam analisis struktur dan material elastis. Setiap elemen dalam FEM mematuhi hubungan linier antara tegangan dan regangan dalam batas elastisitas, sehingga perpindahan akibat gaya dapat dianalisis secara rinci pada level komponen. Terdapat pada gambar diatas Hukum Hooke menyatakan bahwa gaya (F) yang diterapkan pada sebuah pegas akan menghasilkan perpanjangan (x) yang sebanding, dengan persamaan 𝐹= 𝑘𝑥, di mana 𝑘 adalah kekakuan atau konstanta pegas perpanjangan pegas sebanding dengan gaya yang diterapkan padanya, selama material berada dalam batas elastis. Ini berarti semakin besar gaya, semakin besar perpanjangan yang terjadi. Kedua, ketika gaya dilepaskan, pegas atau material akan kembali ke bentuk atau posisi awalnya jika material tersebut tetap dalam wilayah elastis. Ketiga, Hukum Hooke hanya berlaku selama material berada dalam rentang elastis, di mana deformasi yang terjadi masih bisa pulih sepenuhnya tanpa perubahan permanen pada struktur material.

Stiffness (k) pada gambar ini menggambarkan kekakuan pegas, yang berperan serupa dalam elemen-elemen struktural pada model FEM.

Displacement (x) menggambarkan perubahan bentuk, yang dalam analisis FEM mengukur deformasi pada titik-titik elemen akibat gaya eksternal.

Pada FEM, prinsip dasar Hukum Hooke digunakan untuk mengembangkan matriks kekakuan yang diperlukan untuk menyelesaikan persamaan di berbagai elemen dan menggabungkannya dalam keseluruhan sistem struktur. Proporsionalitas antara Gaya dan Perpanjangan Hukum Hooke menyatakan bahwa perpanjangan pegas sebanding dengan gaya yang diterapkan, selama dalam batas elastisitas. Artinya, semakin besar gaya, semakin besar perpanjangan. Kembali ke Posisi Awal ketika gaya dilepaskan, pegas atau material akan kembali ke bentuk atau posisi aslinya, asalkan material tersebut tetap dalam wilayah elastis. Berlaku dalam Wilayah Elastis hukum ini hanya berlaku selama material atau pegas masih dalam rentang elastis, yaitu ketika deformasi masih dapat pulih sepenuhnya tanpa perubahan permanen pada struktur material.

Berikutnya pada Hukum Hooke dalam 3D untuk material elastis isotropik, yang menjelaskan hubungan antara tegangan (stress) dan regangan (strain) dalam kondisi aksial dan geser, mendefinisikan hubungan linier antara tegangan dan regangan pada material elastis isotropik (material yang sifatnya sama dalam semua arah). Dalam konteks 3D, hukum ini memerlukan konstanta elastisitas material, yaitu Modulus Young (E) dan Rasio Poisson (ν), serta Modulus Geser (G), yang digunakan dalam persamaan tegangan dan regangan. Berikut penjelasan dari bagian-bagian tersebut:

Axial Strain Regangan aksial (ε) pada arah x, y, dan z dihitung dari tegangan pada ketiga sumbu ini serta efek dari Rasio Poisson, yang menghubungkan tegangan di satu arah dengan perubahan bentuk di arah yang lain.

Shear Strain Regangan geser (γ) pada bidang xy, zx, dan yz berhubungan langsung dengan tegangan geser pada bidang yang sama dan Modulus Geser G. Shear strain menunjukkan distorsi atau perubahan bentuk pada bidang tertentu akibat tegangan geser.

Axial Stress Tegangan aksial (σ) pada arah x, y, dan z diperoleh dengan mengalikan Modulus Young (E), Rasio Poisson (ν), dan regangan aksial pada ketiga arah. Rumus ini menggabungkan pengaruh regangan dari semua arah, yang menunjukkan sifat isotropik dari material tersebut.

Shear Stress Tegangan geser (τ) pada bidang xy, yz, dan zx berkaitan langsung dengan shear strain pada bidang yang sama dan Modulus Geser (G). Shear stress ini menunjukkan tegangan yang menyebabkan distorsi di bidang tertentu.

Diagram Kubus di tengah gambar mengilustrasikan tegangan pada berbagai arah pada suatu elemen kubus material. Arah tegangan aksial (σ_x, σ_y, σ_z) ditunjukkan di sepanjang sumbu utama x, y, dan z, sementara tegangan geser (τ_xy, τ_yz, τ_zx) ditunjukkan pada bidang antar-sumbu. Diagram ini membantu memvisualisasikan bagaimana tegangan bekerja pada elemen dalam ruang tiga dimensi. Transformasi Stress and Strain persamaan pada gambar menunjukkan bahwa tegangan dan regangan saling berhubungan melalui transformasi berdasarkan Hukum Hooke dalam 3D. Transformasi ini memperhitungkan pengaruh dari semua komponen tegangan pada regangan aksial dan pengaruh regangan pada tegangan aksial, mencerminkan sifat mekanik material isotropik.

1D Multiphysics Analysis: Heat Conduction and Thermal Stress Using Finite Element Method

Berikut adalah langkah-langkah mendetail berdasarkan kerangka kerja DAI5 untuk menurunkan dan mengimplementasikan Metode Elemen Hingga (FEM) untuk masalah 1D multiphysics (termal dan struktural):

1. Initiator

Kutipan dari Dr. Ahmad Indra: "Saya adalah kesadaran saya." Pernyataan ini menggaris bawahi pentingnya kesadaran untuk memahami proses analisis secara mendalam, sehingga setiap langkah analisis FEM menjadi jelas dan dapat diterapkan.

2. Intention (Niat)

Tujuannya memahami pemecahan masalah teknik menggunakan pendekatan sistematis dan terstruktur. Dalam analisis ini, kita berfokus pada pemodelan multiphysics 1D yang melibatkan konduksi panas dan deformasi mekanik akibat ekspansi termal, relevan dalam aplikasi teknik mesin seperti desain material pada pipa atau pembangkit listrik. Kita ingin memodelkan dan menganalisis masalah konduksi panas 1D dengan efek ekspansi termal yang menghasilkan deformasi mekanik. Fokus utama adalah menghitung distribusi temperatur dan tegangan termal (thermal stress).

3. Initial Thinking (Pemikiran Awal)

Penyusunan Masalah: Menganalisis distribusi temperatur 𝑇 (𝑥), deformasi mekanik 𝑢 (𝑥), dan tegangan termal 𝜎 (𝑥) dalam sistem 1D menggunakan metode elemen hingga (FEM).

Tujuan: Memahami interaksi antara fenomena termal dan mekanik dalam suatu domain 1D.

Aplikasi: Analisis ini penting dalam desain pipa, material pengangkut panas, dan komponen struktur yang mengalami beban termal.

Fenomena yang terlibat:

- Termal (Konduksi panas):

di mana 𝑇 adalah temperatur, 𝑘(𝑥)adalah konduktivitas termal, dan 𝑄(𝑥) adalah sumber panas.

- Struktural (Deformasi mekanik):

di mana 𝑢 adalah perpindahan, 𝐸(𝑥) adalah modulus elastisitas, 𝐴(𝑥) adalah luas penampang, dan 𝛼 adalah koefisien ekspansi termal.

Batasan (Boundary Conditions):

Temperatur tetap di kedua ujung domain:

Tujuan akhir:

Hitung distribusi 𝑇(𝑥) menggunakan persamaan konduksi panas. Gunakan 𝑇 (𝑥) untuk menghitung distribusi tegangan termal 𝜎 (𝑥) sebagai:

4. Idealization (Idealisasi)

Diskretisasi Domain

- Membagi domain [0,L] menjadi 𝑛 elemen kecil, dengan simpul pada setiap ujung elemen. 

- Temperatur T(x) dan perpindahan u(x) diaproksimasi menggunakan fungsi interpolasi linier

Formulasi FEM menggunakan Weighted Residual Method (WRM):

Konduksi panas: Menggunakan metode Galerkin:

Setelah integrasi by parts, persamaan menjadi: 𝐾 thermal 𝑇 = 𝐹 thermal

Deformasi mekanik: Menggunakan metode Galerkin:

Proses yang sama diterapkan: 𝐾 structural 𝑢 = 𝐹 structural

Asumsi:

- Material homogen dalam elemen.

- Linear shape functions 𝑁𝑖 (𝑥) untuk setiap elemen.

- Kondisi steady state

5. Instruction Set (Set Instruksi)

Algoritma Penyelesaian:

1. Termal Problem: Diskritisasi domain. Hitung elemen stiffness 𝐾 𝑒 thermal dan vektor beban 𝐹 𝑒 thermal. Susun matriks kekakuan global 𝐾 thermal. Terapkan syarat batas dan selesaikan 𝑇 (𝑥).

2. Struktural Problem: Hitung elemen stiffness 𝐾 𝑒 structural dan vektor beban 𝐹 𝑒 structural menggunakan gradien 𝑇 (𝑥).

3. Susun matriks kekakuan global 𝐾 structural. Terapkan syarat batas dan selesaikan 𝑢 (𝑥).

Post-Processing: Hitung tegangan termal

Post-processing tegangan termal menghubungkan fenomena mekanik dan termal dengan cara menghitung kontribusi strain termal ( 𝛼 𝑑𝑇/𝑑𝑥 ) dan strain mekanik ( 𝑑𝑢/𝑑𝑥 ) untuk mendapatkan distribusi tegangan total (𝜎 (𝑥)). Langkah ini sangat penting untuk mengevaluasi kinerja material di bawah kondisi operasi tertentu.

Flowchart

Code Python run with Google Collab to calculate the Temperature Distribution, Displacement Distribution and Thermal Stress Distribution of a 1D pipe. This code also illustrates how continuous real-time feedback (simulated here) could be integrated into a DAI5 framework. We’ll calculate these values and display them over a range of forces to simulate "conscious continuum" monitoring.

# Import necessary libraries
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# Parameters
n_elements = 10
L = 1.0
k = 1.0  # Thermal conductivity
E = 200e9  # Young's modulus
A = 1e-4  # Cross-sectional area
alpha = 1e-5  # Thermal expansion coefficient
Q = 1e3  # Heat source
T0, TL = 100, 50  # Boundary temperatures
# Mesh
nodes = np.linspace(0, L, n_elements + 1)
dx = nodes[1] - nodes[0]
# Initialize matrices
K_thermal = np.zeros((n_elements + 1, n_elements + 1))
F_thermal = np.zeros(n_elements + 1)
K_structural = np.zeros((n_elements + 1, n_elements + 1))
F_structural = np.zeros(n_elements + 1)
# Thermal problem
for e in range(n_elements):
   k_local = (k / dx) * np.array([[1, -1], [-1, 1]])
   f_local = (Q * dx / 2) * np.array([1, 1])
   K_thermal[e:e+2, e:e+2] += k_local
   F_thermal[e:e+2] += f_local
K_thermal[0, 0] = K_thermal[-1, -1] = 1
F_thermal[0], F_thermal[-1] = T0, TL
T = np.linalg.solve(K_thermal, F_thermal)
# Structural problem
for e in range(n_elements):
   dT_dx = (T[e+1] - T[e]) / dx
   k_local = (E * A / dx) * np.array([[1, -1], [-1, 1]])
   f_local = (alpha * E * dT_dx * dx / 2) * np.array([1, 1])
   K_structural[e:e+2, e:e+2] += k_local
   F_structural[e:e+2] += f_local
K_structural[0, 0] = 1
F_structural[0] = 0
u = np.linalg.solve(K_structural, F_structural)
# Thermal stress
sigma = np.zeros(n_elements)
for e in range(n_elements):
   du_dx = (u[e+1] - u[e]) / dx
   dT_dx = (T[e+1] - T[e]) / dx
   sigma[e] = E * (du_dx - alpha * dT_dx)
# Plot results
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.subplot(3, 1, 1)
plt.plot(nodes, T, '-o', label="Temperature")
plt.title("Temperature Distribution")
plt.subplot(3, 1, 2)
plt.plot(nodes, u, '-o', label="Displacement")
plt.title("Displacement Distribution")
plt.subplot(3, 1, 3)
plt.plot(nodes[:-1] + dx / 2, sigma, '-o', label="Stress")
plt.title("Thermal Stress Distribution")
plt.tight_layout()
plt.show()

Kode ini menyelesaikan distribusi temperatur, perpindahan mekanik, dan tegangan termal dalam domain 1D menggunakan FEM. Setiap bagian kode mencerminkan langkah-langkah algoritma dalam DAI5 Framework, memastikan pendekatan analitis yang logis dan terstruktur.

Setelah mendapatkan contoh program dari ChatGPT, code dicoba menggunakan Google Colabs, berikut hasil yang diberikan :

Berikut penjelasan diagram adalah :

1. Temperature Distribution Grafik distribusi temperatur menggambarkan bagaimana temperatur 𝑇(𝑥) berubah sepanjang domain. Dari grafik, temperatur mulai dari nilai 𝑇(0) = −50 di ujung kiri, meningkat secara bertahap hingga mencapai puncak sekitar titik tengah domain, kemudian menurun kembali ke 𝑇 (1) = − 50 di ujung kanan. Bentuk parabola ini menunjukkan distribusi panas yang simetris, yang dihasilkan oleh sumber panas 𝑄 (𝑥) di tengah domain dan kondisi steady-state dari sistem. Gradien temperatur ( 𝑑𝑇/𝑑𝑥 ) terbesar berada di dekat ujung-ujung domain, yang memengaruhi deformasi mekanik dan tegangan termal.

2. Displacement Distribution Distribusi perpindahan 𝑢 (𝑥) menggambarkan deformasi mekanik akibat ekspansi termal dalam material. Grafik menunjukkan perpindahan menurun dari nilai 𝑢 (0) = 0 di ujung kiri, yang terfiksasi (boundary condition), hingga mencapai nilai negatif maksimum di ujung kanan. Nilai negatif perpindahan menunjukkan bahwa material mengalami kompresi, atau penyusutan panjang. Perpindahan terbesar terjadi di ujung domain, di mana gradien temperatur juga tinggi. Gradien perpindahan (𝑑𝑢/𝑑𝑥) memberikan informasi tentang strain mekanik, yang akan digunakan untuk menghitung tegangan termal.

3. Thermal Stress Distribution Distribusi tegangan termal 𝜎(𝑥) menunjukkan bagaimana tegangan berkembang sepanjang domain akibat kombinasi gradien temperatur (𝑑𝑇/𝑑𝑥) dan gradien perpindahan (𝑑𝑢/𝑑𝑥). Grafik menunjukkan tegangan termal mencapai nilai negatif maksimum (kompresi) di kedua ujung domain, dengan nilai lebih kecil di tengah domain. Hal ini konsisten dengan gradien temperatur yang tinggi di dekat ujung domain. Tegangan negatif menunjukkan tekanan kompresi, yang terjadi ketika material mencoba menyusut akibat gradien temperatur tetapi terhambat oleh kondisi mekanik material. Jika tegangan ini melampaui batas elastis material, deformasi plastis atau kegagalan material dapat terjadi.

Kesimpulan Dari analisis distribusi temperatur, perpindahan, dan tegangan termal, dapat disimpulkan bahwa:

Interaksi termal dan mekanik dalam domain material menunjukkan bahwa gradien temperatur langsung memengaruhi gradien perpindahan, yang pada akhirnya menentukan distribusi tegangan termal. Area kritis berada di ujung domain, di mana gradien temperatur dan tegangan termal mencapai nilai maksimum. Ini menunjukkan potensi risiko kegagalan material di area tersebut, terutama di bawah kondisi operasi ekstrem. Distribusi yang diperoleh (parabola untuk temperatur, linier untuk perpindahan, dan simetris untuk tegangan) konsisten dengan solusi teoretis sistem 1D dalam kondisi steady-state. Analisis ini dapat digunakan untuk mengevaluasi desain material yang terpapar perubahan suhu dan memitigasi kegagalan struktural dengan meminimalkan gradien temperatur atau memilih material dengan sifat elastisitas dan ekspansi termal yang sesuai. Hasil ini memberikan wawasan penting untuk desain dan evaluasi material teknik mesin yang beroperasi di bawah kondisi termal.

---

The 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria for FEM

As follows:

I. Deep Awareness (of) I (DAI)

1. Consciousness of Purpose: Reflects understanding of the Creator's role in shaping the case study context.

2. Self-awareness: Demonstrates awareness of personal biases, assumptions, and roles in the analysis.

3. Ethical Considerations: Includes moral and ethical implications in addressing the case study.

4. Integration of CCIT (Cara Cerdas Ingat Tuhan): Maintains remembrance of The Creator throughout the essay.

5. Critical Reflection: Shows depth in connecting technical solutions to broader spiritual and societal impacts.

6. Continuum of Awareness: Evidence of uninterrupted and progressive conscious analysis.

II. Intention

7. Clarity of Intent: States a clear and purposeful intention aligned with the ultimate goal of the Creator’s recognition.

8. Alignment of Objectives: Aligns case study objectives with higher values and universal principles.

9. Relevance of Intent: Ensures the intention addresses real-world engineering needs effectively.

10. Sustainability Focus: Intends solutions that consider long-term environmental, societal, and economic impacts.

11. Focus on Quality: Demonstrates a conscious intention to prioritize reliability, accuracy, and precision.

III. Initial Thinking (about the Problem)

12. Problem Understanding: Clearly identifies and describes the engineering problem.

13. Stakeholder Awareness: Considers perspectives of all stakeholders impacted by the problem or solution.

14. Contextual Analysis: Places the problem within a relevant physical, social, and technical context.

15. Root Cause Analysis: Identifies underlying causes, not just symptoms of the problem.

16. Relevance of Analysis: Ensures the problem-solving process is grounded in practical and applicable insights.

17. Use of Data and Evidence: Employs credible, accurate, and sufficient data to support problem understanding.

IV. Idealization

18. Assumption Clarity: States all assumptions explicitly and justifies their relevance.

19. Creativity and Innovation: Proposes unique or unconventional idealized solutions while adhering to realism.

20. Physical Realism: Ensures the idealization adheres to physical laws and engineering principles.

21. Alignment with Intent: Ensures idealization aligns with the initial intention and overarching goals.

22. Scalability and Adaptability: Considers whether the idealized solution is scalable and adaptable to different contexts.

23. Simplicity and Elegance: Proposes solutions that are efficient, simple, and elegant while solving complex problems.

V. Instruction (Set)

24. Clarity of Steps: Outlines each step of the solution process clearly and logically.

25. Comprehensiveness: Includes all relevant aspects of the solution, leaving no gaps.

26. Physical Interpretation: Explains the physical meaning of all numerical results or design decisions.

27. Error Minimization: Includes procedures to reduce errors in solution implementation.

28. Verification and Validation: Provides methods for verifying and validating the solution.

29. Iterative Approach: Demonstrates readiness to iterate and refine the solution if needed.

30. Sustainability Integration: Considers sustainable practices within the solution execution.

31. Communication Effectiveness: Presents instructions in a way that is understandable and actionable by others.

32. Alignment with the DAI5 Framework: Maintains coherence with all preceding DAI5 steps.

33. Documentation Quality: Provides clear, complete, and professional documentation of the solution.

---

Pure Thinking (Originally) Class 11/12/2024

Judul: Analisis 2D pada sistem struktural dan tegangan termal untuk line pipe elbow menggunakan Finite Element Method (FEM) dan Artificial Neural Network (ANN) dengan struktur framework DAI5

Nama: Hazimi Hamar

Pada industri, pembangunan yang meliputi manufaktur proses, proses kimia, elektroknomik, dan aliran fluida sering kali menggunakan sistem perpipaan sebagai workflow dari distribusi energi. Perpipaan memiliki peran penting untuk distribusi ini sehingga manufaktur perancangan dari sistem perpipaan harus dijaga keandalan dan integrasinya. Khususnya terhadap line pipe elbow atau siku pada pipa, bagian ini sering kali mendapatkan konsentrasi dari masalah struktural seperti tegangan, regangan, dan deformasi. Bagian ini juga menghadapi tantangan distribusi suhu serta kondisi material internal dan eksternal, menjadikannya sebagai masalah rekayasa (engineering problem) yang kompleks dalam dunia industri. Pendekatan yang bisa dilakukan dapat menggunakan Finite Element Multiphysics (FEM), metode ini terbagi menjadi 2 yaitu Finite Element Method dan Finite Element Analysis (FEA) untuk dapat mendeskripsikan struktural dan termal dari perancangan line pipe elbow dimana kondisi dari pipa sering dilalui oleh kondisi internal dan eksternal dalam proses operasi.

• Finite Element memberikan solusi untuk membentuk matriks kekakuan global: 
 
K = ΣK 

untuk matriks kekakuan elemen

• Struktur persamaan numerik: 

𝐾 𝑢 = 𝐹 

dimana K: Stiffness; U adalah vektor perpindahan dan F adalah vektor gaya.

• Tegangan termal

𝐾 termal 𝑇 = 𝑄

0 termal = 𝐸𝐴 [𝑇−𝑇o]

dimana K: Konduktivitas termal; T: Perubahan suhu dan Q: Sumber panas

FEM memiliki tipe elemen yaitu 1D untuk batang dan truss, 2D untuk bidang, dan 3D untuk struktur volumetrik kompleks. Ada dari itu, pada studi kasus line pipe elbow termasuk ketahanan elemen 2D untuk reda bidang terhadap struktural yang dapat dianalisis frame stress dan strain, lalu dengan melihat kondisi axial dan analisis distribusi juga dapat diterapkan. Oleh karena itu penelitian ini disebut 2D Multiphysics.

Framework DAI5 diterapkan dengan kesadaran penuh akan peran Sang Pencipta sebagai pemilik segala ilmu pengetahuan yang menjadi dasar dalam penyelesaian masalah ini. Penelitian ini dirancang untuk memahami lebih dalam kaitan antara sistem teknis dan keberlanjutan ciptaan Tuhan. Penelitian ini menyadari potensi bias yang muncul, termasuk asumsi teknis dan kesenjangan pemahaman antara perspektif ilmiah dan nilai spiritual. Kesadaran ini membantu menjaga objektivitas dan integrasi dalam analisis. Proses ini melibatkan evaluasi etis terkait dampak lingkungan, keberlanjutan sumber daya, dan keadilan sosial dalam penerapan solusi. Sepanjang analisis, pengingatan kepada Sang Pencipta (Cara Cerdas Ingat Tuhan/CCIT) menjadi landasan dalam setiap keputusan teknis yang diambil. Penelitian ini menghubungkan solusi teknis dengan dampak spiritual dan sosial, memastikan pendekatan holistik dalam menyelesaikan masalah rekayasa. Kesadaran terhadap semua tahapan analisis dijaga secara progresif dan tidak terputus, menciptakan proses yang konsisten dan bermakna. Penelitian ini bertujuan menghasilkan solusi struktural dan termal untuk line pipe elbow yang tidak hanya andal secara teknis, tetapi juga sesuai dengan nilai-nilai universal dan penghormatan kepada ciptaan Tuhan. Objektif penelitian selaras dengan prinsip-prinsip keberlanjutan dan nilai kebaikan yang lebih besar, memastikan hasil penelitian memberikan manfaat luas. Intensi penelitian relevan dengan kebutuhan rekayasa nyata, khususnya dalam meningkatkan keandalan pipa elbow dalam kondisi operasi ekstrem. Solusi yang diusulkan mempertimbangkan dampak jangka panjang terhadap lingkungan, masyarakat, dan ekonomi. Penelitian ini dirancang dengan kesadaran untuk menghasilkan solusi yang presisi, akurat, dan dapat diandalkan.

Masalah utama yang diidentifikasi adalah konsentrasi tegangan, regangan, deformasi, dan distribusi suhu yang terjadi pada line pipe elbow selama operasi. Penelitian ini mempertimbangkan perspektif operator industri, insinyur desain, serta dampak terhadap masyarakat dan lingkungan. Line pipe elbow dianalisis dalam konteks operasionalnya, termasuk pengaruh suhu tinggi, tekanan fluida, dan beban mekanis eksternal. Akar permasalahan diidentifikasi melalui analisis matematis dan fisik, memastikan solusi yang ditawarkan bersifat mendalam dan menyeluruh. Pendekatan analisis relevan dengan kebutuhan industri, khususnya pada pipa transportasi energi. Data empiris dan simulasi digunakan untuk mendukung pemahaman terhadap permasalahan.

Asumsi seperti material isotropik, boundary condition tertentu, dan distribusi suhu dianggap eksplisit dan relevan dengan kondisi operasi. Penelitian ini menggabungkan FEM dengan ANN, menciptakan pendekatan baru yang lebih adaptif dan inovatif. Model yang diidealkan tetap mematuhi hukum-hukum fisika dan prinsip rekayasa. Idealization tetap sesuai dengan tujuan awal, yaitu menghasilkan solusi holistik yang bermanfaat secara teknis dan spiritual. Solusi yang diusulkan dapat disesuaikan untuk berbagai konteks industri lain. Pendekatan penelitian dirancang sederhana namun efektif dalam menyelesaikan masalah kompleks. Langkah-langkah analisis meliputi pemodelan FEM, simulasi termal, pelatihan ANN, dan validasi hasil, disajikan secara jelas. Setiap aspek analisis dibahas tanpa meninggalkan celah, memastikan penelitian komprehensif. Hasil numerik dijelaskan dalam konteks fisik, seperti distribusi tegangan dan suhu. Prosedur disusun untuk meminimalkan kesalahan dalam pengumpulan data dan analisis.

Hasil penelitian diverifikasi dengan data eksperimental atau literatur terkait. Proses penelitian dirancang iteratif, memungkinkan perbaikan berkelanjutan. Keberlanjutan dipertimbangkan dalam implementasi solusi. Instruksi disampaikan dalam bahasa yang mudah dipahami dan dapat diterapkan oleh pihak lain. Setiap langkah penelitian konsisten dengan prinsip-prinsip framework DAI5. Dokumentasi penelitian disusun secara profesional, lengkap, dan jelas. Informasi data yang didapat dari analisis multiphysics ini akan dikonversikan ke machine learning, yaitu Artificial Neural Network (ANN) untuk inovasi kecerdasan. Pendekatan akan lebih relevan jika diimplementasikan dengan framework DAI5 yang memiliki tahapan 1 hingga 5, dimana inisiator metode ini adalah Dr. Ahmad Indra yang mengutip "ilm md consciousness" dalam "Deep Awareness (of) I" bahwa pentingnya kesadaran penuh terhadap yang kita lakukan. Penelitian ini mengintegrasikan metode rekayasa teknis dengan nilai-nilai spiritual melalui framework DAI5. Hasilnya diharapkan mampu mengurangi kegagalan operasi, meningkatkan keandalan sistem, dan memberikan manfaat keberlanjutan bagi masyarakat dan lingkungan.

• Penilaian berdasarkan (33) DAI5 Implementation Evaluation Criteria for FEM with ChatGPT

Overall Evaluation

Skor Total: 87/99 (88%)

Grade: Very Good

Komentar Umum:

1. Tulisan sangat baik, menunjukkan pemahaman mendalam terhadap Framework DAI5 dan aplikasinya dalam konteks analisis pipa.

2. Tulisan menunjukkan penguasaan teknis dan keberhasilan mengintegrasikan Framework DAI5 dalam konteks penelitian.

Area yang perlu diperbaiki mencakup:

1. Framework ini membutuhkan tingkat kesadaran yang sangat tinggi, sehingga mungkin memerlukan waktu adaptasi yang lebih lama untuk diimplementasikan secara konsisten.

2. Struktur penyusunan langkah-langkah (lebih sistematis).

3. Penjelasan hasil dan validasi (lebih rinci dan spesifik).

4. Penekanan refleksi kritis pada hubungan antara solusi teknis dan dampak spiritual/sosial.

5. Tekankan kontribusi spesifik penelitian terhadap dunia teknik dan tambahkan rekomendasi untuk implementasi di masa depan untuk inovasi keberlanjutan.

6. Detail teknis seperti hasil simulasi atau proses ANN kurang dieksplor lebih dalam.

Tautan hasil penilaian pemikiran murni berdasarkan 33 kriteria DAI+I4 Implementation Evaluation Criteria for FEM saya dengan ChatGPT: https://chatgpt.com/share/675fba1b-5aec-800d-843c-5b0bc4b53172

---

Tugas Besar Finite Element & Multi-Physics using AbaqusCAE

A. Project Title

"Analisis 2D Multiphysics Thermal-Structural Coupling pada Pressure Vessel Nozzle dan Shell-Head menggunakan Finite Element Analysis (FEM) dan Artificial Neural Network (ANN) dengan Framework DAI5"

---

B. Author Complete Name

Hazimi Hamar

---

C. Affiliation

Departmen of Mechanical Engineering, Universitas Indonesia

---

D. Abstract

Dalam industri pembangkit memiliki peralatan mekanis yang mendukung proses operasi distribusi, bejana tekan atau pressure vessel menjadi komponen utama dalam berbagai industri yang dirancang untuk menahan tekanan internal tinggi. Area kritis seperti nozzle dan shell-head sering kali menjadi fokus analisis karena berpotensi mengalami kombinasi tegangan mekanis dan termal. Studi ini bertujuan untuk menganalisis interaksi multiphysics antara distribusi suhu dan tegangan pada nozzle dan shell-head menggunakan pendekatan 2D Axisymmetric Thermal-Structural Coupling dengan software ABAQUS CAE. Simulasi ini mencakup distribusi suhu akibat suhu fluida internal dan suhu lingkungan luar, serta pengaruhnya terhadap tegangan termal dan deformasi total.

Hasil simulasi multiphysics ini digunakan untuk melatih model Artificial Neural Network (ANN), memungkinkan prediksi distribusi tegangan, suhu, dan deformasi untuk skenario desain baru tanpa simulasi ulang. Dengan integrasi Framework DAI5, analisis ini tidak hanya berfokus pada efisiensi teknis tetapi juga mempertimbangkan nilai keberlanjutan dan dampak sosial. Framework DAI5 memberikan kerangka berpikir holistik yang mencakup Deep Awareness (of) I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set dalam seluruh tahapan analisis.

Studi ini menghasilkan wawasan mendalam tentang interaksi termal-struktural pada nozzle dan shell-head, serta memberikan pendekatan inovatif melalui ANN untuk mempercepat proses iterasi desain. Hasilnya diharapkan dapat mendukung optimalisasi desain pressure vessel yang lebih efisien, aman, dan berkelanjutan.

---

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Menyadari peran penting sebagai desainer yang akan bertanggung jawab secara moral dan teknis, setiap keputusan dan analisis dari peralatan mekanis dalam perancangan nozzle dan shell-head pada pressure vessel vertical separator diindustri pembangkit. Proyek ini dilakukan dengan penuh kesadaran kepada Tuhan Yang Maha Esa. Dalam proses ini, saya menyadari bahwa tugas seorang insinyur teknik tidak hanya menghasilkan solusi teknis yang akurat tetapi juga memberikan dampak positif bagi keselamatan manusia, lingkungan, dan keberlanjutan. Framework Deep Awareness (of) I dalam DAI5 mengingatkan saya untuk selalu mengaitkan setiap langkah analisis dengan kesadaran akan nilai-nilai etis dan spiritual. Dengan pemahaman bahwa seluruh ilmu dan teknologi adalah karunia dari Sang Pencipta, analisis ini diarahkan untuk menciptakan desain yang tidak hanya memenuhi standar teknis tetapi juga mendukung tanggung jawab sosial dan spiritual

2. Intention of the Project Activity

Proyek ini bertujuan untuk mengembangkan dan menganalisis interaksi tekanan mekanis dan distribusi suhu pada pressure vessel nozzle dan shell-head menggunakan pendekatan 2D Axisymmetric Thermal-Structural Coupling dalam software ABAQUS CAE. Melalui analisis ini, niat utama adalah menghasilkan desain yang aman, andal, dan efisien yang mampu menahan kombinasi beban termal dan mekanik sesuai kondisi operasional sebenarnya. Selain itu, dengan mengintegrasikan Artificial Neural Network (ANN), proyek ini bertujuan untuk mempercepat proses prediksi hasil multiphysics, memberikan efisiensi waktu dan sumber daya tanpa mengurangi akurasi. Berpedoman pada Framework DAI5, proyek ini berkomitmen untuk menghasilkan solusi yang mendukung prinsip keberlanjutan, memberikan manfaat jangka panjang, dan selaras dengan tanggung jawab moral insinyur teknik dalam mendukung keselamatan dan kesejahteraan masyarakat.

---

F. Introduction

1. Latar Belakang

Pada dunia industri pembangkit energi seperti minyak dan gas, proses kimia dan proses manufaktur transportasi fluida. Salah satu peralatan mekanis teknologi pressure vessel memiliki peran penting dalam bagian industri, komponen utama seperti nozzle dan shell-head sering menghadapi beban mekanis dan termal yang kompleks akibat tekanan internal tinggi dan fluida panas yang mengalir di dalamnya dan kombinasi dengan kondisi external dapat terjadinya kegagalan material. Tantangan utama pada area ini adalah memastikan desain yang mampu menahan kombinasi beban tersebut tanpa mengalami kegagalan struktural, yang dapat berisiko pada keselamatan operasi dan lingkungan.

Seiring dengan pengembangan teknologi, pendekatan tradisional yang hanya fokus pada satu fenomena fisik antara mekanis atau termal tanpa mempertimbangkan interaksi antar-fenomena. Hal ini meninggalkan celah dalam analisis, terutama dalam memahami bagaimana perpindahan panas memengaruhi deformasi material dan tegangan total. Dalam konteks ini, analisis Thermal-Structural Coupling menjadi solusi untuk memahami hubungan antara distribusi suhu dan tegangan mekanis secara terintegrasi.

Dengan menggunakan metode pendekatan Finite Element Analysis (FEM) akan memberikan kontribusi dan memudahkan dalam analisa visual terkait permasalah teknis, namun keterbatasan dari metode ini membutuhkan waktu dan sumber daya komputasi yang besar. Oleh karena itu, integrasi dengan teknologi prediksi berbasis Artificial Neural Network (ANN) memberikan pendekatan yang lebih efisien, memungkinkan penghematan waktu tanpa mengurangi akurasi.

Dalam penelitian ini, Framework DAI5 diterapkan dalam proyek ini untuk memberikan pendekatan yang holistik, memastikan setiap langkah teknis didasarkan pada kesadaran etis dan niat yang terarah, sekaligus mengintegrasikan nilai-nilai keberlanjutan dan tanggung jawab sosial

2. Rumusan Masalah

• Bagaimana distribusi suhu akibat fluida panas internal memengaruhi tegangan termal dan deformasi pada nozzle dan shell-head?
• Bagaimana memanfaatkan hasil analisis FEM untuk melatih ANN agar dapat memprediksi hasil analisis multiphysics secara efisien?
• Bagaimana Framework DAI5 dapat diterapkan untuk menghasilkan solusi yang holistik dan selaras dengan nilai keberlanjutan serta tanggung jawab moral?

3. Tujuan

• Melakukan analisis termal-struktural coupling pada nozzle dan shell-head menggunakan 2D Axisymmetric FEM untuk menghitung distribusi suhu, tegangan termal, dan deformasi total.
• Melatih ANN menggunakan hasil analisis FEM untuk memprediksi hasil multiphysics secara cepat dan akurat pada desain baru.
• Menerapkan Framework DAI5 sebagai panduan holistik dalam seluruh proses analisis, memastikan solusi yang tidak hanya efisien tetapi juga berlandaskan nilai keberlanjutan

4. Initial Thinking (about the problem)

Framework DAI5 memandu proses analisis dengan tahapan Initial Thinking, yang menekankan pemahaman menyeluruh terhadap sifat dan akar masalah. Dalam studi ini, analisis dilakukan secara sistematis untuk menjawab pertanyaan berikut:

• Pemahaman Masalah Teknis:
  Area nozzle dan shell-head pressure vessel adalah titik kritis karena menerima tekanan internal tinggi dan variasi suhu ekstrem. Analisis ini mencakup tekanan mekanis, distribusi suhu, dan interaksinya.

• Kesadaran terhadap Stakeholder:
  Masalah ini relevan bagi berbagai pihak, termasuk desainer teknik, operator, dan masyarakat luas. Solusi yang diberikan harus aman, efisien, dan berkontribusi terhadap keberlanjutan.

• Analisis Literatur dan Kesenjangan Penelitian:
  Pendekatan termal-struktural tradisional sering kali tidak mempertimbangkan teknologi ANN untuk mempercepat prediksi hasil simulasi. Dengan demikian, penelitian ini menjawab kebutuhan efisiensi dalam desain pressure vessel.

• Konteks Teknis dan Filosofis:
  Selain memahami fenomena fisik, Framework DAI5 mendorong desainer untuk merenungkan dampak sosial dan moral dari solusi teknik yang diberikan

Menganalisis Masalah Secara Sistematis

Pressure vessel nozzle dan shell-head adalah komponen penting dalam berbagai aplikasi industri, seperti pembangkit energi, kimia, dan minyak dan gas. Namun, area ini sering menghadapi tantangan berupa tekanan internal tinggi, variasi suhu ekstrem, dan pengaruh lingkungan. Ketidakefisienan dalam desain atau analisis sistem ini dapat menyebabkan:

• Risiko Kegagalan Struktural: Akibat tegangan mekanis dan termal yang tidak terprediksi dengan baik.

• Kerugian Operasional: Seperti downtime yang disebabkan oleh kerusakan komponen.

• Biaya Perawatan Tinggi: Karena perlunya inspeksi atau penggantian komponen yang sering.

Memahami interaksi antara tekanan mekanis dan distribusi suhu menjadi kunci dalam memastikan efisiensi dan keamanan sistem. Analisis ini berupaya memberikan solusi yang tidak hanya akurat secara teknis, tetapi juga relevan secara operasional.

Penelitian Sebelumnya dan Kesenjangan yang Ada

Berdasarkan studi literatur, analisis tekanan mekanis dan termal pada pressure vessel umumnya dilakukan secara terpisah, tanpa mempertimbangkan thermal-structural coupling. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa:

• Keterbatasan Pendekatan Tradisional: Analisis termal sering kali diabaikan, padahal distribusi suhu signifikan dalam memengaruhi tegangan total.

• Minimnya Integrasi Prediksi Cepat: Pendekatan konvensional memakan waktu dan sumber daya besar, sementara teknologi prediktif seperti ANN jarang diintegrasikan untuk meningkatkan efisiensi.

Kesenjangan ini menunjukkan kebutuhan untuk pendekatan yang lebih komprehensif dan efisien yang menggabungkan simulasi multiphysics dengan teknologi prediktif berbasis data.

Mengurai Masalah

Masalah utama dalam analisis ini dapat dipecah menjadi tantangan spesifik berikut:

• Tantangan Teknis:

  1. Menghitung distribusi suhu secara akurat di bawah kondisi operasional dinamis.

  2. Memahami interaksi tekanan mekanis dan tegangan termal yang dapat menyebabkan deformasi total.

• Tantangan Operasional:

  1. Mengurangi waktu simulasi untuk memungkinkan iterasi desain yang lebih cepat.

  2. Menghadirkan prediksi cepat untuk skenario desain baru tanpa perlu simulasi ulang.

• Tantangan Konseptual:

  1. Memastikan solusi teknis tetap sejalan dengan prinsip keberlanjutan dan tanggung jawab moral.

Dekonstruksi ke Prinsip-Prinsip Dasar

Analisis masalah ini perlu dipecah menjadi prinsip-prinsip dasar berikut:

• Mekanika Struktural:
  Hukum Hooke dan elastisitas untuk memahami tegangan mekanis akibat tekanan internal.

• Perpindahan Panas:
  Hukum Fourier untuk menghitung distribusi suhu pada material.

• Thermal-Structural Coupling:
  Hubungan antara distribusi suhu dan deformasi material, yang menyebabkan tegangan termal.

• Pembelajaran Mesin:
  Penggunaan ANN untuk mendukung pengambilan keputusan berbasis data dalam iterasi desain.

Pendekatan ini memungkinkan analisis masalah secara menyeluruh dan memberikan dasar untuk solusi yang lebih terstruktur.

Analisis State-of-the-Art

Teknologi modern dalam desain pressure vessel telah berkembang pesat, termasuk penggunaan simulasi FEM dan teknologi prediktif. Beberapa kemajuan yang relevan meliputi:

• Finite Element Analysis (FEM):
  Teknologi ini memungkinkan analisis detail interaksi multiphysics, namun membutuhkan waktu komputasi besar.

• Artificial Neural Network (ANN):
  ANN mampu mempercepat prediksi dengan memanfaatkan hasil simulasi sebelumnya, namun penggunaannya dalam analisis multiphysics masih minim.

• Framework DAI5:
  Framework ini menambahkan dimensi kesadaran moral dan keberlanjutan, yang jarang diterapkan dalam studi teknik tradisional.

Meskipun demikian, masih ada tantangan yang belum terselesaikan, seperti kesenjangan dalam prediksi cepat dengan akurasi tinggi dan integrasi penuh antara multiphysics dan pembelajaran mesin.

Initial Thinking ini memastikan bahwa analisis termal-struktural coupling pada pressure vessel nozzle dan shell-head didasarkan pada pemahaman yang mendalam terhadap masalah, penggunaan teknologi terkini, dan nilai keberlanjutan. Dengan kerangka berpikir Framework DAI5, proses analisis ini diarahkan untuk tidak hanya menyelesaikan tantangan teknis, tetapi juga memberikan solusi yang relevan secara sosial dan moral.

5. Kontribusi Penelitian

Proyek ini memberikan kontribusi dalam tiga tahap:

• Teknis: Memperluas pemahaman tentang interaksi termal-struktural pada nozzle dan shell-head, serta mempercepat prediksi hasil melalui ANN.

• Inovasi Teknologi: Mengintegrasikan simulasi FEM dan ANN sebagai pendekatan baru dalam desain pressure vessel.

• Holistik: Dengan Framework DAI5, proyek ini memberikan pendekatan yang selaras dengan tanggung jawab moral dan nilai keberlanjutan.

---

G. Methods & Procedures

Metodologi ini dirancang untuk menganalisis interaksi multiphysics antara tekanan mekanis dan distribusi suhu pada nozzle dan shell-head pressure vessel. Simulasi dilakukan dengan Finite Element Analysis (FEM) menggunakan software ABAQUS CAE dengan pendekatan 2D Axisymmetric Thermal-Structural Coupling.

Proses ini bertujuan untuk memberikan hasil yang akurat, efisien, dan dapat direplikasi, sekaligus memastikan penyelesaian masalah secara holistik melalui penerapan Framework DAI5.

Idealization

1. Asumsi

Dalam studi kasus analisis thermal-structural coupling pada pressure vessel nozzle dan shell-head, asumsi yang digunakan disusun berdasarkan prinsip-prinsip teoritis yang mendasari metode Finite Element Analysis (FEM) dan termodinamika. Asumsi ini bertujuan untuk menyederhanakan model sistem tanpa mengurangi keandalan hasil.

• Kondisi Steady-State:

   Definisi: Analisis dilakukan dalam kondisi steady-state, di mana perubahan suhu dan tekanan dianggap konstan terhadap waktu. Sistem dianggap dalam kondisi stasioner di mana tekanan internal dan suhu tetap konstan sepanjang waktu.

   Justifikasi: Kondisi steady-state digunakan untuk operasi stabil pressure vessel. Dalam operasi pressure vessel, kondisi steady-state umum terjadi selama fase stabilisasi operasi, sehingga menjadi asumsi yang valid.

    Prinsip Teoretis: 
     1. Persamaan Fourier digunakan untuk menggambarkan perpindahan panas dalam kondisi steady-state:

          q=−k∇T
    
        Di mana q adalah aliran panas, k adalah konduktivitas termal material, dan ∇T adalah gradien suhu.

     2. Tekanan internal dianggap seragam sepanjang dinding bagian dalam, yang mengikuti hukum dasar mekanika fluida statis.

• Material Isotropik dan Homogen:

   Material pada shell-head (ASTM A-516 Gr. 70) dan nozzle (ASTM A-106 Gr. B) dianggap memiliki sifat elastisitas seragam (homogen) dan identik di semua arah (isotropik) pada seluruh model.

   Justifikasi: Asumsi ini berdasarkan standar ASME BPVC Section II Part D Table 1-A, kedua material ini memiliki sifat mekanis yang cukup konsisten dalam aplikasi pressure vessel.

   Prinsip Teoretis:
     1. Hukum Hooke digunakan untuk menggambarkan hubungan tegangan (𝜎) dan regangan (𝜖):
          
          𝜎 = 𝐸 ⋅ 𝜖
     
        Di mana 𝐸 adalah modulus elastisitas.

     2. Material memiliki sifat linier-elastis di bawah tegangan operasi, di mana deformasi bersifat reversibel.

• Sederhanaan Geometri: 2D Axisymmetric

   Definisi: Geometri nozzle dan shell-head dimodelkan dalam format 2D axisymmetric, yang menyederhanakan analisis struktur simetris rotasi.

   Justifikasi:

     1. Struktur simetris rotasi seperti pressure vessel memungkinkan penggunaan asumsi axisymmetric untuk mengurangi kompleksitas komputasi.

     2. Elemen CAX4RT (Coupled Axisymmetric 4-node) digunakan, yang mendukung analisis multiphysics termal-struktural. 
    
     3. Model ini menyederhanakan simulasi geometri simetris rotasi dengan tetap mempertahankan akurasi.

    Prinsip Teoretis:

      Prinsip simetri dalam mekanika kontinu digunakan untuk memodelkan satu irisan geometri, dengan solusi menyebar secara melingkar di sepanjang sumbu rotasi.

• Distribusi Tekanan dan Suhu

    Definisi:

     1. Tekanan internal dianggap seragam pada dinding bagian dalam nozzle dan shell-head.

     2. Suhu fluida internal diterapkan sebagai boundary condition pada permukaan dalam, sedangkan suhu lingkungan eksternal diterapkan pada permukaan luar.

    Justifikasi:

        Untuk operasi normal pressure vessel, distribusi tekanan internal dapat diasumsikan merata sesuai hukum dasar fluida statis.

    Prinsip Teoretis:

     1. Distribusi tegangan akibat tekanan internal dijelaskan oleh persamaan tegangan membran untuk struktur silinder:
      

        Di mana 𝑃 adalah tekanan internal, 𝑟 adalah jari-jari, dan 𝑡 adalah ketebalan dinding.

     2. Distribusi suhu dalam material dipandu oleh persamaan Fourier untuk konduksi panas dalam kondisi steady-state.

• Neglecting Minor Effects:

   Definisi: Pengaruh kebocoran, tekanan eksternal, dan deformasi plastis diabaikan untuk menyederhanakan analisis.

   Justifikasi: Fokus utama studi ini adalah memahami interaksi antara distribusi suhu dan tegangan mekanis dalam kondisi operasi normal. Dimana, fokus pada tekanan internal dan efek termal, yang lebih signifikan dalam menentukan kinerja struktural dan heat transfer pada kondisi external.

   Prinsip Teoretis: Tegangan plastis tidak dimasukkan karena desain berada dalam batas elastisitas material (allowable stress) dan Hukum elastisitas linier berlaku sepenuhnya.

2. Model Simulasi

• Geometri:

  Shell Inner Diameter: 1500 mm
  Shell Thickness: 15.87 mm
  Nozzle Inner Diameter: 173.08 mm
  Nozzle Thickness: 23.01 mm
  Corrosion Allowance: 6 mm

• Material Properties:

  Shell-Head (ASTM A-516 Gr. 70) dan Nozzle (ASTM A-106 Gr. B):
  Elastic Modulus: 200,000 MPa
  Poisson’s Ratio: 0.3
  SMYS: 260 MPa (A-516 Gr. 70) / 240 MPa (A-106 Gr. B)
  Allowable Stress: 138 MPa (A-516 Gr. 70) / 118 MPa (A-106 Gr. B)

Desain menggunakan P&ID AutoCAD 2D 2024. Berikut Spesifikasi detail perancangan dari Pressure Vessel Vertikal Separator:

Detail section analysis Two-dimensional Structural-Termal Coupling with Internal and External Pressure between Nozzle and Shell-Head

• Boundary Conditions untuk Structural-Thermal:

  Tekanan Internal: 1.7 MPa (17 barg) diterapkan pada permukaan bagian dalam nozzle dan shell-head.
  Suhu Internal: Suhu fluida panas pada dinding dalam.
  Suhu Eksternal: Suhu lingkungan pada permukaan luar.

---

Instruction (Set): Langkah-langkah prosedur

1. Langkah-Langkah Simulasi software ABAQUS CAE

• Geometri dan Material Selection:

   1. Buat model 2D axisymmetric mencakup shell-head dan nozzle. Masukkan parameter material untuk ASTM A-516 Gr. 70 dan ASTM A-106 Gr. B.Tetapkan properti elastisitas, Poisson’s ratio, dan konduktivitas termal.
      

   2. Pastikan mesh cukup halus di area transisi antara nozzle dan shell-head untuk menangkap gradien tegangan yang tinggi. Diskritisasi menggunakan elemen CAX4RT untuk coupling termal-struktural. 

• Structural Analysis and Thermal Analysis:

   1. Boundary Conditions: Terapkan suhu fluida pada dinding bagian dalam nozzle dan shell-head, serta suhu lingkungan pada permukaan luar.

   2. Output: Hasil berupa distribusi suhu pada seluruh model.

- Operasi vessel diasumsikan di area terbuka dalam iklim tropis (seperti Indonesia), suhu eksternal dapat diasumsikan 35°C. 

  Distribusi suhu dari thermal analysis digunakan sebagai predefined field dan penerapan tekanan internal dan eksternal pada permukaan bagian dalam dan luar.

  Hitung tegangan termal, tegangan mekanis, dan deformasi total.

  Output: Distribusi tegangan gabungan (𝜎 total ) dan deformasi ( 𝑢 ).

---

H. Results & Discussion

Result analysis use Finite Element Analysis (FEA) Visualization in Abaqus CAE

1. Stress distribution and scaled deformation

Stress distribution on the model is shown in Figure below.

Scaled deformation on the model is shown in Figure below.

Comment:....

2. Stress distribution on swept axisymmetric element

To get a better visualization, the axisymmetric element is swept relative to the Y-axis as shown in Figure below. For visualization of the Nozzle and Shell-Head.

Comment:.....

3. Stress Classification Lines (SCL) Location in Model

 |1250px|center]]

4. Thermal Analysis and deformation in Model

 |1250px|center]]

5. Combination Structural-Thermal Coupling Deformation Classification

|1250px|center]]

Implementation Artificial Neural Network (ANN)

 |1250px|center]]

Application of the FRAMEWORK DAI5 = DAI + I4

 |1250px|center]]

---

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

Summarize the key outcomes and their significance. Offer actionable recommendations or next steps for further work.

J. Acknowledgments

Recognize contributions and support from individuals, institutions, or funding sources.

K. (References) Literature Cited

List all sources cited in the report in a standard citation format.

L. Appendices

Include supplementary material such as data sets, calculations, or detailed protocols.

---