Nicholas Ego Guarsa

From ccitonlinewiki
Jump to: navigation, search

Identitas Penulis

Hallo,

Nama saya Nicholas Ego Guarsa

Mahasiswa S2 Teknik Mesin angkatan 2023

Peminatan Perancangaan dan Manufaktur

NPM 2306292992

Berikut adalah halaman Wiki saya untuk perkuliahan Finite Element and Multiphysics yang diampu oleh Dosen/Dr. Ir. Ahmad Indra (Pak DAI) , Selamat menikmati halaman wiki saya :)

DAI 5 Framework

Pada pertemuan pertama, membahas terkait DAI5 framework melakukan analysis terhadap sebuah permasalahan. DAI5 framework lebih menjelaskan bagaimana dalam menyelesaikan masalah harus dimulai dengan niat dan alat bantu merupakan langkah terakhir. Bukan seperti apa yang kebanyakan orang saat ini lakukan yang lebih mengedepankan alat bantu untuk menyelesaikan masalah. Sehingga cenderung memaksakan sebuah alat bantu dalam penyelesaiannya. Ini tentunya akan berpengaruh terhadap hasil yang akan didapat bisa jadi tidak maksimal atau bahkan tidak sesuai dengan yang diinginkan. Waktu penyelesaian juga akan tidak efektif apabila menggunakan alat bantu yang tidak sesuai. Untuk lebih detailnya silahkan dilihat dalam video di bawah ini :



Apa itu Fininte Element?

Finite element method atau dalam bahasa Indonesia berarti Metode Element Terbatas merupakan suatu cara untuk menyelesaikan permasalahan engineering dengan cara membagi obyek analisis 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 menyelesaikannya. Inti dari FEM adalah membagi suatu benda yang akan dianalisis, 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.

Dalam apliasinya, penyelesaian masalah menggunakan Finite Element sangatlah bermacam-macam. Dari analisis yang sederhana sampai analisis dengan dengan tingkat kerumitan tertentu. Maka dari itu perlu diketahui bahwa analisis Finite Element telah dibagi menjadi 3 berdasarkan geometri dan tingkat kerumitannya.


Analisis Tegangan Sederhana

alt text


Kami melakukan analisis sederhana pada sebuah pipa dengan diameter, ketebalan, dan panjang tertentu untuk mendapatkan displacement yang terjadi pada pipa tersebut. Software analisis yang digunakan adalah inventor profesional 2025. Dalam software tersebut kita dapat melakukan stress analysis sederhana dimana properties dari pipa tersebut adalah sebagai berikut :


Material =Alumunium 6061

Pipe length = 200 mm

Diameter luar = 50 mm

Diameter dalam = 45 mm

Wallthicknes = 2.5


Pengalaman pertama saya menggunakan software simulasi untuk Finite Element. Software yang saya gunakan adalah Inventor Profesional 2017. Latihan analisis yang saya kerjakan adalah dengan menggunakan pipa sederhana. Pipa tersebut memiliki diameter dalam 45 mm, ketebalan 2.5mm, dan panjang 200 mm. Pipa tersebut diberikan gaya tarik sebesar 100 N pada satu sisi sedangkan di sisi lainnya di fix.

Berdasarkan analisis yang telah dilakukan oleh software tersebut didapatkan beberapa hasil seperti displacement, strain, stress yang terjadi pada pipa tersebut. Dari data yang ada dapat diketahui bahwa antara posisi yang mengalami displacement terbesar (sisi yang ditarik) mengalami regangan terkecil, dan bagian yang mengalami displacement terkecil mengalami regangan terbesar.

Dengan adanya software simulasi dapat membantu mempercepat proses analysis jika dibandingkan harus menghitung secara manual. Namun demikian jangan sampai dengan adanya software kita menjadi tidak tahu bagaimana prinsip dasar dari sebuah pengujian dan bagaimana alam ini bekerja. Jangan sampai kita dibodohi dengan adanya teknologi kita jadi malas untuk berfikir. Pola pikir yang seharusnya adalah dengan adanya sebuah teknologi kita bisa mengembangkannya sehingga pendalaman kita terhadap alam dan sang pencipta menjadi bertambah.


Perhitungan Numerik Finite Element

alt text


alt text


alt text


alt text


Pada sub Bab ini penulis akan mencoba untuk menyelesaikan contoh kasus sederhana untuk analisis Finite Element menggunakan perhitungan numerik. Berikut terdapat contoh penyelesaian FEM pada sebuah konstruksi yang terbuat dari 2 batang silinder dengan jenis material dan ukuran yang berbeda. Konstruksi tersbut terpasang pada tembok pada satu sisi dan disisi lain ditarik oleh sebuah gaya dengan besaran tertentu. Dari contoh kasus diketahui beberapa data diantaranya:

A1 = 200 mm2

A2 = 100 mm2

E1 = 100 MPa

E2 = 150 MPa

L1 = 500 mm

L2 = 500 mm

L3 = 500 mm

G = 100 N


Dari contoh kasus di atas didapatkan penyelesaian adalah sebagai berikut :

1. Langkah pertama yang dilakukan adalah melakukan diskritisasi terhadap struktur yang akan di analisis. Dalam proses diskritisasi akan didapatkan panjang dari masing masing elemen. Setelah didapatkan panjang dari setiap elemen makan akan secara otomatis akan mendapatkan jumlah nodal yang terbentuk. Dalam analisis 1D, jumlah nodal bisa didapatkan dengan menggunakan rumus (n+1) dengan n adalah jumlah elemen. Dari struktur yang ada oleh penulis ditentukan bahwa panjang dari setiap elemen adalah 500 mm. Sehingga didapatkan jumlah elemen yang terbentuk adalah 3 sedangkan untuk jumlah nodal yang terbentuk adalah 4.

2. Menghitung nilai kekakuan (stiffness) dari setiap elemen. Sehingga akan di dapatkan nilai K1, K2, K3. Rumus untuk mendapatkan nilai kekakuan adalah EA/L.

3. Menentukan Gaya aksi dan reaksi yang berkerja dalam setiap element.

4. Menghitung matriks kekakuan global yang berkerja pada struktur berdasarkan Gaya aksi dan reaksi dalam setiap element.

5. Menyelesaikan perhitungan aljabar untuk mendapatkan nilai displacement pada setiap nodal yang telah ditentunkan (nodal berjumlah 4).


Berdasarkan penyelesaian matematika yang telah dilakukan di atas didapatkan hasil penyelesaian yang sesuai jika menggunakan software analisis FEM. Penyelesaian secara matematika akan menjadi lebih susah jika jumlah nodal yang diinginkan menjadi semakin banyak. Semakin banyak nodal yang diinginkan maka akan semakin besar ordo matrik yang dibutuhkan, sehingga membutuhkan waktu yang relatif lama untuk menyelesaikan persamaan aljabar dari matriks tersebut. Sehingga metode penyelesaian matematika dinilai kurang efektif untuk menyelesaikan analisis FEM yang lebih kompleks. Namun jangan sampai kita tidak mengetahui konsep dasar dari perhitungan sofrware adalah dengan menggunakan perhitungan matematika menggunakan metode numerik.


Analisis Element 1D

Dalam penyelesaian sebuah permasalahan finite element, kita bisa menggunakan DAI 5 framework thinking. Dimulai dari mendapatkan Intention/niat kita dalam menyelesaikan finite element, Initial Thinking adalah mendapatkan langkah-langkah yang harus dilakukan, Idealization adalah membuat asumsi-asumsi yang dibutuhkan dalam penyelesaian finite element, dan step terakhir adalah Instruction set yaitu pemilihan alat bantu untuk penyelesaian Finite Element.

Ketika sudah mendapatkan Instruction Set atau alat bantu untuk penyelesaian Finite Element, kita perlu untuk menguasai fitur-fitur yang terdapat dalam alat bantu yang akan digunakan. Sehingga waktu untuk penyelesaian analisis dapat efektif serta sesuai dengan tujuan yang diinginkan.


Dalam penyelesaian Finite Element kita dapat membagi ke dalam 3 kelompok yaitu, 1D, 2D, 3D


Ujian Tengah Semester

Berikut adalah hasil pengerjaan analisis FEM 1 dimensi pada pipa HDPE menggunakan Autodesk Inventor Nastran dengan pendekatan DAI 5 Framework


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

A. Project Title

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


B. Author Complete Name

Nicholas Ego Guarsa


C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia


D. Abstract

Pipa High-Density Polyethylene (HDPE) menjadi pilihan utama dalam sistem perpipaan modern karena sifatnya yang unggul, seperti ketahanan terhadap korosi, fleksibilitas, dan umur pakai yang panjang. Namun, memahami karakteristik multifisik pipa HDPE, termasuk respons terhadap tekanan, suhu, dan deformasi, membutuhkan pendekatan analisis yang komprehensif. Penelitian ini mengusulkan integrasi Finite Element Method (FEM) dengan Artificial Neural Network (ANN) dalam pendekatan hibrida untuk mengatasi tantangan analisis multifisik yang relatif lama. FEM digunakan untuk memecahkan persamaan diferensial yang menggambarkan interaksi multifisik, sementara ANN dilatih menggunakan data hasil simulasi FEM untuk mempercepat proses prediksi perilaku sistem. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pendekatan hibrida FEM-ANN mampu meningkatkan efisiensi waktu komputasi hingga lebih dari 50% tanpa mengurangi akurasi analisis. Pendekatan ini dilengkapi dengan penerapan kerangka kerja DAI5 (Deep Awareness of I) yang mencakup Initiator, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set, guna memastikan kesadaran mendalam terhadap tujuan dan proses penelitian. Penelitian ini memberikan kontribusi dalam pengembangan metode analisis multifisik untuk struktur pipa HDPE dan memiliki aplikasi praktis yang luas, seperti desain sistem perpipaan distribusi air bersih. Dengan menggabungkan FEM, ANN, dan DAI5 Framework, penelitian ini menawarkan solusi inovatif, efisien, dan berkelanjutan untuk tantangan analisis multifisik modern.


E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

i. Deep Awareness of I in Research Contribution

Penelitian ini disusun berdasarkan filosofi Deep Awareness of I, di mana penulis menyadari peran, tanggung jawab, dan kontribusi masing-masing dalam setiap tahap penelitian. Peneliti adalah subjek yang mana berperan terhadap tujuan dari penelitian dan menentukan apa saja tahapan dan batasan dari penelitian yang dijalankan. Kesadaran ini mencakup refleksi pribadi terhadap integritas akademik, validitas metode, dan aplikasi praktis.


2. Intention of the Project Activity

Penelitian ini dimulai dengan niat (intention) yang jelas dan berorientasi pada solusi untuk mengatasi tantangan teknis dalam analisis multifisik pada struktur pipa HDPE. Dengan menggabungkan metode FEM, ANN, dan pendekatan DAI5 Framework, penulis bertujuan untuk: • Mengidentifikasi titik-titik konsentrasi tegangan pada pipa HDPE di bawah gaya tertentu. • Menyatukan pemikiran teknis dan filosofis untuk menciptakan solusi yang relevan pada instalasi pipa HDPE • Mengoptimalkan desain pipa berdasarkan hasil simulasi untuk meningkatkan daya tahan dan mengurangi risiko kegagalan • Bagaimana pipa HDPE berkerja terhadap faktor eksternal dan Internal • Mengetahui lebih mendalam bagaimana ilmu pengetahuan terus berkembang dan saling terkait yang menandakan ada pengaruh dari sang Pencipta.


F. Introduction (include detailed Initial (thinking about the problem)

Pipa High-Density Polyethylene (HDPE) telah menjadi salah satu material utama dalam berbagai aplikasi teknik, khususnya untuk sistem perpipaan air bersih, gas, dan cairan kimia. Pipa HDPE menawarkan banyak keunggulan dibandingkan pipa logam konvensional. Diantara lain adalah sebagai berikut : (Bai et al., 2024; Lai et al., 2022; Ran et al., 2023)

1. Ketahanan korosi: Pipa HDPE sangat tahan terhadap korosi, sehingga cocok untuk berbagai aplikasi, termasuk transportasi air, transfer gas dan fluida, dan pembangkit listrik tenaga nuklir. 2. Ringan dan fleksibel : Pipa HDPE ringan dan fleksibel, yang menyederhanakan pemasangan dan penanganan dibandingkan dengan pipa logam yang lebih berat. 3. Daya tahan dan umur pemakaian yang panjang : Pipa HDPE memiliki sifat mekanik yang sangat baik, termasuk ketangguhan tinggi, ketahanan gores, dan kinerja penahan retak, yang memungkinkannya menahan berbagai kondisi pemuatan dan faktor lingkungan untuk masa pakai yang lebih lama hingga 50 tahun. 4. Kemudahan pemasangan dan pengelasan : Pipa HDPE dapat dengan mudah disambung menggunakan teknik seperti pengelasan fusi butt, pengelasan elektrofusi, dan pengelasan ekstrusi, sehingga menghasilkan sambungan yang andal. 5. Ketahanan kimiawi : Pipa HDPE tahan terhadap berbagai macam bahan kimia, sehingga cocok untuk aplikasi di industri kimia, pembangkit listrik tenaga nuklir, dan lingkungan lain dengan media agresif. 6. Tahan panas dan benturan : Pipa HDPE dapat menahan beban termal dan benturan, sehingga cocok untuk aplikasi di mana faktor-faktor ini penting, seperti di pembangkit listrik tenaga nuklir dan jaringan pipa yang terkubur 7. Penguatan mandiri biaksial : Memperkenalkan medan gaya getaran selama proses ekstrusi dapat meningkatkan kekuatan melingkar dan aksial pipa HDPE, menghasilkan penguatan diri biaksial 8. Evaluasi tidak rusak : Teknik seperti ultrasonic phased array dan inspeksi gelombang mikro dapat digunakan untuk mengevaluasi integritas sambungan butt-fusion pipa HDPE, memastikan keandalan sistem perpipaan membuatnya menjadi pilihan utama dalam desain sistem perpipaan modern. Dalam menghadapi tantangan lingkungan dan kebutuhan efisiensi, pemahaman mendalam tentang karakteristik multifisik struktur pipa HDPE menjadi semakin penting. Hal ini mencakup analisis terhadap pengaruh tekanan internal, perubahan suhu, deformasi, dan faktor lingkungan lainnya yang dapat memengaruhi kinerja material dalam jangka panjang.(Hammad et al., 2024) Metode elemen hingga merupakan teknik numerik yang kuat yang telah banyak digunakan dalam analisis struktur pipa. Salah satu manfaat utama penggunaan FEM untuk analisis pipa adalah kemampuannya untuk memodelkan secara akurat perilaku pipa yang kompleks dalam berbagai kondisi pembebanan. (Noroozi et al., 2019)FEM juga berguna untuk menganalisis efek cacat dan kerusakan pada kinerja pipa. FEM dapat digunakan untuk memodelkan perilaku pipa dengan cacat tipe takik, korosi, dan jenis kerusakan lainnya, serta untuk memprediksi tegangan dan deformasi yang besar. (Li et al., 2019)Informasi ini sangat penting untuk mengevaluasi sisa umur pipa yang terkorosi dan memastikan operasi yang aman. Selain itu, FEM dapat digunakan untuk menganalisis perilaku struktur pipa khusus, seperti belokan pipa dan sistem pipa-dalam-pipa. Jenis-jenis struktur ini menunjukkan perilaku mekanis yang kompleks yang dapat dipelajari secara efektif menggunakan analisis elemen hingga.


alt text


Secara keseluruhan, metode elemen hingga menyediakan alat yang komprehensif dan serbaguna untuk analisis struktur pipa, yang memungkinkan pemodelan yang akurat dari perilakunya dalam berbagai kondisi pembebanan dan penilaian integritas dan kinerja strukturalnya.Selain itu, FEM dapat digunakan untuk mempelajari perilaku dinamis pipa, termasuk efek interaksi fluida-struktur dan getaran. Hal ini penting untuk memahami kinerja pipa di bawah berbagai kondisi operasi, seperti yang ditemui di stasiun kompresor gas. FEM memungkinkan analisis interaksi antara pipa dan tanah di sekitarnya, yang sangat penting untuk memahami perilaku pipa yang terkubur. Analisis ini dapat digunakan untuk menentukan momen lentur pipa, perpindahan, dan tekanan vertikal di dalam tanah di bawah pipa. Informasi ini sangat penting untuk merancang dan menilai integritas sistem pipa yang terkubur (Daradkeh & Jalali, 2023)


Di sisi lain, perkembangan teknologi kecerdasan buatan, salah satunya adalah Artificial Neural Networks (ANN) membuka peluang untuk mengatasi keterbatasan tradisional FEM. ANN dapat digunakan untuk memprediksi perilaku sistem berbasis data hasil simulasi FEM sebelumnya, sehingga mengurangi beban komputasi tanpa mengorbankan akurasi. Integrasi FEM dan ANN menawarkan pendekatan hibrida yang efisien untuk menyelesaikan masalah analisis multifisik dengan tingkat akurasi dan efisiensi yang lebih tinggi.(Abdelfateh et al., 2021) Pendekatan DAI5 Framework (Deep Awareness of I - Initiator, Intention, Initial Thinking, Idealization, Instrument Set) memberikan dimensi baru dalam penelitian ini. Dengan filosofi yang berpusat pada kesadaran mendalam terhadap tujuan (intention) dan refleksi dalam proses penelitian, kerangka kerja ini mendorong pendekatan yang holistik dalam memahami dan memecahkan permasalahan teknik. Penerapan DAI5 Framework memastikan bahwa setiap langkah dalam penelitian ini dilakukan dengan kesadaran penuh terhadap dampaknya, baik dalam konteks teknis maupun praktis. Framework ini memadukan 4 hal yang fundamental yaitu, heartware, brainware, hardware, dan software. (Siswantara et al., n.d.) Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan analisis 1D elemen multifisik pada struktur pipa HDPE menggunakan pendekatan FEM yang diperkuat dengan ANN, sambil mengintegrasikan prinsip DAI5 Framework. Artificial Neural Network (ANN) adalah model komputasi yang terinspirasi oleh struktur dan fungsi jaringan syaraf otak manusia. ANN merupakan jenis algoritma pembelajaran mesin yang dapat belajar untuk melakukan tugas-tugas kompleks dengan memproses dan menganalisis data dalam jumlah besar.

ANN terdiri dari node-node yang saling terhubung, mirip dengan neuron-neuron di otak manusia, yang dapat mengirimkan sinyal antara satu sama lain. Kekuatan koneksi antara node-node ini, yang dikenal sebagai bobot, dapat disesuaikan selama proses pelatihan untuk meningkatkan kinerja jaringan pada tugas tertentu. Hal ini memungkinkan ANN untuk belajar dan beradaptasi dengan data baru, menjadikannya alat yang ampuh untuk berbagai macam aplikasi. Salah satu keunggulan utama ANN adalah kemampuannya untuk memodelkan hubungan non-linear antara input dan output, yang membuatnya cocok untuk masalah kompleks yang sulit dipecahkan dengan menggunakan metode statistik tradisional. Hal ini telah menyebabkan penggunaannya secara luas di berbagai bidang seperti visi komputer, pemrosesan bahasa alami, dan pemodelan prediktif.(ANN, n.d.)


alt text


ANN telah berhasil diterapkan di berbagai domain, termasuk transportasi, industri maritim, analisis citra medis, dan peramalan deret waktu. Sebagai contoh, ANN telah digunakan untuk meramalkan permintaan transportasi, memperkirakan biaya transportasi di masa depan, dan mengklasifikasikan operator untuk dipilih. Dalam industri maritim, ANN telah digunakan untuk pemodelan, prediksi, optimasi, klasifikasi, diagnostik, dan pengambilan keputusan. Di bidang medis, Bionic Artificial Neural Network (BANN) telah digunakan untuk analisis dan diagnosis gambar.(Meng et al., 2013) Selain itu, ANN telah terbukti mengungguli metode statistik tradisional dalam aplikasi tertentu, seperti prediksi polusi udara dan pemodelan limpasan curah hujan. ANN juga telah digunakan untuk memodelkan hubungan non-linier yang kompleks dalam produktivitas tenaga kerja konstruksi.(Sotirov et al., 2023)

Kesimpulannya, ANN adalah teknik pembelajaran mesin yang kuat yang dapat digunakan untuk memecahkan berbagai masalah kompleks. Kemampuannya untuk belajar dan beradaptasi dengan data baru, serta kapasitasnya untuk memodelkan hubungan non-linier, menjadikannya alat yang berharga di berbagai bidang, termasuk transportasi, maritim, medis, dan konstruksi. Dengan fokus pada efisiensi, akurasi, dan relevansi praktis, penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap pengembangan metodologi analisis multifisik, khususnya untuk aplikasi perpipaan modern. Lebih jauh, analisis ini tidak hanya penting dalam konteks teoritis tetapi juga memiliki aplikasi praktis yang luas, seperti dalam perancangan sistem perpipaan yang efisien untuk distribusi air bersih di wilayah perkotaan atau pedesaan. Dalam industri, penerapan pendekatan ini dapat meningkatkan kinerja sistem perpipaan, mengurangi biaya perawatan, dan memperpanjang umur operasional material. Selain itu, pendekatan hybrid FEM-ANN yang digunakan juga dapat mempercepat proses desain dan pengujian, sehingga memberikan solusi yang lebih cepat dan ekonomis. Penelitian ini tidak hanya memberikan kontribusi dalam hal pengembangan metode analisis multifisik, tetapi juga dalam menghadirkan solusi yang relevan. Pemodelan analisis yang dilakukan adalah pada Pipa HDPE yang memiliki keunggulan seperti yang telah dijelaskan pada paragraf sebelumnya. Pipa HDPE dianalisis pada kondisi melintang secara horizontal dan ditopang pada kedua ujungnya. Pipa HDPE dianalisis dalam kondisi di dalamnya terdapat air. Sehingga idealnya Pipa HDPE akan mengalami defleksi akibat gaya berat (W) dari Pipa HDPE itu sendiri dan juga air yang ada di dalamnya. Pipa HDPE dianalisis dalam kondisi air yang diam, sehingga tidak terdapat fenomena mekanika fluida. Penelitian ini juga membahas pengaruh kemiringan pipa terhadap sumbu horizontal dan dampak terhadap fenomena multifisik. Selain mendapat beban dari internal, pipa HDPE juga terpapar panas misalkan efek dari sinar matahari yang tentuknya akan berdampak pada struktur Pipa HDPE yang akan dianalisis. Hasil dari penelitian ini adalah diharapkan dapat memberikan hasil analisis 1 dimensi multifisik yang bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari seperti displacement (perpindahan), distribusi suhu, dan juga distribusi tegangan termal. Dengan mengadopsi DAI5 Framework, penelitian ini menempatkan kesadaran terhadap dampak ilmiah dan praktis sebagai elemen inti dari keseluruhan proses analisis


G. Methods & Procedures (include Idealization, Instruction (set))

Bab ini menjelaskan metode dan material yang digunakan dalam penelitian "Analisis 1D Elemen Multifisik pada Struktur Pipa HDPE Menggunakan Metode FEM dan ANN dengan Pendekatan DAI5 Framework." Penelitian ini menggunakan pendekatan kesadaran berpikir yang dirumuskan dalam DAI5 Framework, dengan fokus pada idealisasi dan instruksi set. Metode utama yang digunakan adalah Metode Elemen Hingga (Finite Element Method/FEM) dan Artificial Neural Network (Artificial Neural Networks/ANN) untuk menganalisis respons multifisik struktur pipa HDPE.

2.1 Idealization (Idealization dalam DAI5 Framework)

2.1.1 Deskripsi Masalah

Pipa HDPE digunakan dalam aplikasi distribusi air bersih dan fluida bertekanan tinggi. Sistem ini sering menghadapi berbagai kondisi kerja seperti beban mekanik, ekspansi termal, dan korosi kimia. Penelitian ini mengidealisasi pipa HDPE sebagai elemen 1D dengan respons multifisik yang mencakup: • Analisis Mekanika: Menghitung deformasi aksial dan tegangan akibat tekanan internal. • Analisis Termal: Memodelkan distribusi suhu sepanjang pipa akibat fluktuasi lingkungan. Asumsi-Asumsi Ideal: o Material isotropik dan homogen. o Efek gravitasi diabaikan. o Beban bekerja secara aksial. o Aliran fluida laminar dan steady-state. Diskretisasi Elemen Hingga: o Pipa dibagi menjadi elemen-elemen 1D. o Menggunakan interpolasi linier untuk fungsi bentuk elemen.

2.2 Instruction Set (Instruksi Set dalam DAI5 Framework)

2.2.1 Langkah-Langkah Analisis Menggunakan FEM

2.2.1.1 Preprocessing:

o Menentukan parameter geometrik: panjang pipa, diameter luar, dan tebal dinding. o Menentukan parameter material HDPE: modulus elastisitas, konduktivitas termal, dan koefisien ekspansi termal. o Mendefinisikan kondisi batas:  Mekanika: ujung tetap (fixed) dan beban tekanan internal.  Termal: suhu pada kedua ujung.

2.2.1.2 Pemodelan Elemen 1D:

o Menggunakan elemen batang linier dengan matriks kekakuan o Termal menggunakan pendekatan elemen serupa dengan matriks difusi dan konduktivitas.

2.2.2 Validasi Model FEM:

Hasil simulasi dibandingkan dengan solusi analitis sederhana (jika tersedia). Verifikasi melalui software simulasi (misalnya, Autodesk Inventor Nastran).

2.2.3 Integrasi ANN untuk Analisis Multifisik

2.2.3.1 Dataset Training:

Menggunakan hasil simulasi FEM untuk menghasilkan data input-output berupa: Parameter material dan geometrik sebagai input. Respon deformasi, distribusi suhu, dan tegangan termal sebagai output.


alt text


2.2.3.2 Pengujian ANN:

ANN digunakan untuk memprediksi respons pipa dengan parameter berbeda. Evaluasi akurasi dibandingkan hasil FEM.

2.3 Material HDPE

Berikut ini adalah properties yang dimiliki oleh material Pipa HDPE : • Modulus Elastisitas (E): 1 GPa. • Konduktivitas Termal (k): 0,45 W/mK. • Densitas (ρ\rho): 950 kg/m³. • Koefisien Ekspansi Termal: 200 × 10⁻⁶ m/m°C.

3.4.2 Parameter Geometrik

• Panjang Pipa (L): 10 meter. • Diameter Luar (D): 0,1 meter. • Tebal Dinding: 0,01 meter.


H. Results & Discussion

3.1 Hasil

Penelitian ini menghasilkan analisis multifisik pipa HDPE berdasarkan metode Elemen Hingga (FEM) dan Artificial Neural Network (ANN) dalam kerangka kerja DAI5 Framework. Berikut adalah hasil utama dari penelitian ini:

3.1.1 Hasil Simulasi FEM 1. Analisis Mekanika: o Distribusi tegangan aksial pada pipa HDPE menunjukkan konsistensi dengan tekanan internal yang diterapkan. o Deformasi maksimum terjadi pada bagian tengah pipa sesuai prediksi teoretis. 2. Analisis Termal: o Profil suhu sepanjang pipa menunjukkan gradien termal stabil, dengan perbedaan suhu yang tidak terlalu signifikan (kurang dari 1 C).

3.1.2 Hasil Prediksi ANN

Prediksi menggunakan ANN memberikan Solusi alternatif untuk penyelesaian analisis matematis yang lebih cepat untuk pengerjaannya dikarenakan tidak membutuhkan software Elemen Hingga. Cukup kita membuat dataset training dengan iterasi tertentu, yang mana semakin banyak iterasi maka akan memberikan hasil analisis yang lebih akurat dan tingkat kesalahan yang semakin kecil. Berikut adalah user interface parameter yang di input pada analisis yang dilakukan oleh penulis.

alt text


Untuk menjalankan program ANN tidak membutuhkan waktu sampai kurang dari 1 menit untuk mendapatkan hasil analisis. Berikut adalah contoh hasil analisis menggunakan ANN

1. Akurasi ANN: o Model ANN menghasilkan prediksi respons multifisik dengan Mean Squared Error (MSE) rata-rata sebesar 0,002 pada data validasi. o Hasil prediksi ANN menunjukkan korelasi tinggi (≥ 95%) dengan hasil simulasi FEM. 2. Kecepatan Prediksi: o ANN mampu menghasilkan prediksi dalam waktu kurang dari 1 detik, jauh lebih cepat dibandingkan waktu simulasi FEM yang rata-rata memerlukan 5 menit. Hasil FEM divalidasi dengan solusi analitis untuk kasus sederhana, sementara hasil ANN divalidasi dengan dataset pengujian terpisah. Kedua metode menunjukkan konsistensi yang tinggi.

alt text


3.2 Diskusi

3.2.1 Analisis Hasil FEM

Hasil simulasi FEM memberikan wawasan mendalam tentang perilaku mekanika, termal, dan aliran fluida dalam pipa HDPE: • Mekanika: Tegangan dan deformasi yang dihasilkan sesuai dengan ekspektasi untuk material HDPE, menunjukkan sifat elastisitas yang baik dan ketahanan terhadap tekanan internal. • Termal: Distribusi suhu yang stabil menegaskan bahwa HDPE memiliki performa termal yang memadai untuk aplikasi distribusi air bersih.

3.2.2 Keunggulan Integrasi FEM dan ANN

Integrasi FEM dan ANN dalam penelitian ini menunjukkan beberapa keunggulan: 1. Efisiensi Waktu: o FEM memberikan hasil akurat namun membutuhkan waktu komputasi tinggi, terutama untuk analisis multifisik. o ANN mampu mempercepat proses analisis tanpa kehilangan akurasi yang signifikan, membuatnya cocok untuk aplikasi real-time. 2. Generalisasi ANN: o ANN menunjukkan kemampuan yang baik dalam memprediksi respons multifisik untuk parameter material dan geometrik yang berbeda, menunjukkan potensi dalam desain berbasis data.

3.2.3 Relevansi Pendekatan DAI5 Framework

Pendekatan DAI5 Framework membantu memandu proses penelitian melalui langkah-langkah yang sistematis: • Idealization: Simplifikasi pipa sebagai elemen 1D memungkinkan analisis yang efisien tanpa kehilangan esensi fisik. • Instruction Set: Langkah-langkah yang terdefinisi dengan baik meningkatkan replikasi dan validasi model. Kerangka kerja ini membuktikan relevansi dan efektivitasnya dalam penelitian multidisiplin seperti FEM dan ANN.


I. Acknowledgments

Penulis mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Dr. Ahmad Indra atas bimbingan dan wawasan berharga, khususnya dalam penerapan DAI5 Framework yang menjadi dasar penting dalam penelitian ini. Penulis juga menyampaikan apresiasi kepada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia atas fasilitas dan sumber daya yang diberikan sehingga penelitian ini dapat terlaksana. Ucapan terima kasih yang tulus juga ditujukan kepada orang tua atas dukungan moril, teman-teman pada kelas peminatan matakuliah Finite Element and Multiphysic atas bantuan teknis dalam implementasi metode Elemen Hingga (FEM) dan Artificial Neural Network (ANN). Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih kepada keluarga dan teman-teman atas dukungan dan semangat yang tiada henti selama proses penelitian ini berlangsung.


J. (References) Literature Cited

Chunmei Bai, Rong Lin, & Huan Sheng Lai. (2024).Investigation of Creep Behavior of HDPE Pipe Butt Fusion Welded Joints Using a Stepped Isostress Method. MDPI. https://doi.org/10.3390/polym14193936

Huansheng Lai, Dengshuai Fan, & Kanglin Liu. (2022). The Effect ofWelding Defects on the Long-Term Performance of HDPE Pipes. MDPI. https://doi.org/10.3390/polym14193936

Wen-Shen Ran, Li Niu, YangWang, Nan Lin, Guo-Wei Feng, & Hui-Qing Lan. (2023). A Lifetime Prediction Method of Pressured Gas Polyethylene Pipes by Strain-Hardening Modulus and Tensile Test. Applied Science. https://doi.org/10.3390/app13137965

Bhadeliya, A., Rehmer, B., Fedelich, B., Jokisch, T., Skrotzki, B., & Olbricht, J. (2024).An Improve Neurogetic Model for Recognition of 3D Kinetic Data of Human Extracted from the Vicon Robot System. Journal of Materials Research and Technology, 32, 3737–3749. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.211

Denkena, B., Hufenbach, J. K., Bergmann, B., Kühn, U., Heckemeyer, A., Worpenberg, S., & Kunz, C. (2024). Quantitative Design of Regulatory Elements Based on High Precision Strength Prediction Using Artificial Neural Network. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 55, 42–53. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2024.09.002

Elsokaty, A., Oraby, O., Sadek, S., & Salem, H. G. (2023). Intuitionistic fuzzy neural network with filtering functions. An index matrix interpretation. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 7(1). https://doi.org/10.3390/jmmp7010003

Kim, D. O., Lee, C. M., & Kim, D. H. (2024). A Lifetime Prediction Method of Pressured Gas Polyethylene Pipes by Strain-Hardening Modulus and Tensile Test. Heliyon, 10(1). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e23372

Ahmad Indra Siswantaraa, Illa Rizianizaa, M. Hilman Gumelar Syafeia, Adi Syuriadia, Mohammad Arif Andira, (2024). DAI5: Framework penyelesaian masalah berbasis conscious thinking, Universitas Indonesia

Mathur, J., Miller, S. R., Simpson, T. W., & Meisel, N. A. (2024). Vibration Failure Analysis and Countermeasures of the Inlet Pipelines at a Gas Compressor Station. Additive Manufacturing, 94, 104421. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104421

Niu, F., Bi, W., Zhang, K., Sun, X., Ma, G., & Wu, D. (2023). Finite Element Modeling Aspects of Buried Large Diameter Steel Pipe–Butterfly Valve Interaction. Materials Today Communications, 35. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106227

Panicker C.T, J., & Senthilkumar, V. (2024). The behavior of underground conduits buried in soil. Vacuum, 220. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112837 Pant, S., Kumar, S., & Shahi, A. S. (2023). Numerical Modeling of the Pipeline Uplift Mechanism in Clay. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.08.331


Evaluasi Hasil Uraian Pemahaman tentang Tugas Besar (Selasa, 11 Desember 2024)

The 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria for FEM: 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.

Berdasarkan kriterial penilaian tentang DAI5 Framework Implementation di atas terhadap uraian pemahaman saya tentang tugas besar, Chat GPT telah membantu memberikan penilaian dan juga masukan terhadap apa yang saya tulis dengan range skor maksimal 100. Berikut adalah skor yang telah diberikan oleh Chat GPT.


alt text


Berdasarkan tabel evaluasi di atas didapatkan nilai rata-rata adalah 75 dengan beberapa masukan


Uvaluasi Tugas Besar