konversi model dari LISA untuk analisa lanjut

.

.

perangkat lunak LISA  adalah program bantu analisa menggunakan elemen hingga, keberadaanya sudah cukup lama sekitar tahun 2000 sekian sudah ada. Seperti juga ditunjukan dalam  dokumentatsi tutorial praktikum, awalnya diberikan terpisah untuk pre-processor dan post-processor, namun versi terakhir 8.00 tahun 2013 sudah menggabungkannya. Data masukan dan hasil juga dalam format bentuk Xml yg dapat dibuka dengan teks editor. Pengembangannya berakhir karena suatu alasan dan kelihatannya terpecah dengan adanya Mecway, sayang sekali dua solver dalam satu interface yg dikembangkan hanya akan membingungkan pengguna umum karena kendala masalah kompatibilitas dan kesetaraan. Keadaan tersebut menjadikan solver yg didukung LISA hanya dapat berjalan pada operasi Windows dengan 32bit yg pastinya sangat terbatas pada jumlah nodes yg dapat diselesaikan. Sya pribadi juga termasuk salah satu pengguna dan sudah bebarapa tulisan pada postingan terdahulu menggunakannya. 

.

(source: Sonnenhof Holdings, 2013) link

.

Berhentinya pengembangan dan keterbatasan solver tersebut menjadikan sya dulu urung untuk membeli lisensi yg cukup terjangkau walau sudah sempat mengisi PayPal pribadi, mungkin akan sya pertimbangkan ulang. Keterbatasan tersebut dapat ditutupi dengan menjadikan format data masukan program elemen hingga lain seperti CalculiX atau OpenSees yg mendukung 64bit processor. 

.

.

Format data masukan juga pernah dipelajari dan sya membuat semacam konversi dengan bahasa Python tempo waktu, namun belum sempat diselesaikan penuh terutama pada kondisi pembebanan muka (face of solid element) dan mungkin akan sya lanjutkan dengan C# dan dotNET.

.

.

selain keterbatasan solver yg hanya 32bit, LISA juga hanya mampu pada analisa linear elastik, dengan arti tidak dapat untuk large deformation, plasticity/damage dan contact. Tanpa perlu pembuatan program konversi juga sebearnya sudah dapat dilakukan dengan menggunakan Gmsh karena format tersebut disediakan, walau terbatas pada mesh namun cukup lengkap fasilitas export untuk Code_Aster, Abaqus/CalculiX,  Nastran, OpenSees, OOFEM, LS-Dyna, OpenRadioss, Tochnog dll. Sebagai diberikan contoh sederhana seperti diatas, diterapkan beban merata permukaan pada bagian kubus sebesar 50MPa dan beban defleksi sebesar -0.1mm arah vertikal (Z).  Hasil analisa linear dengan LISA ditunjukkan dibawah ini,

.

.

.

terlihat defleksi dan tegangan pada part atau bagian setengah lingkaran adalah nol, selain itu tegangan pada bagian kubus cukup tinggi dan diperkirakan sudah terjadi plastisitas. Kondisi tersebut perlu menggunakan solver advanced lain seperti CalculiX, untuk itu sya melakukan konversi dengan  program bantu Gmsh. Disediakan juga plugins untuk mesh quality check pada Gmsh untuk mengetahui tingkat kelayakan dari bentuk elemen yg dibuat.

.

.

.

.

.

setelah format Gmsh dari hasil export pada LISA yg telah dibuka maka selanjutnya dapat disimpan pada banyak format, dalam hal ini sya menggunakan Abaqus/CalculiX. Distribusi untuk OS Windows dapat menggunakan dari bConverged namun terlihat masih versi lama dan ini dapat dengan mudah dilakukan updates dengan overwrites solver pada folder instalasi. Terdapat dokunebtasu dasar penggunaan CGX sebagai pre-processor untuk memilih group of nodes dan permukaan untuk definisi tumpuan dan beban atau bidang kontak, selain itu juga sebagai post-procesor untuk menampilkan hasil analisa dan animasi. Translator geometry dari CAD yaitu format Vda dan Acis juga diberikan.

.

.

.

terlihat hanya mesh dan element group atau part saja yg dapat dikonversi, group nodes dan surface atau face tidak diberikan oleh LISA, sehingga perlu definisi tambahan untuk data masukan: material, tumpuan dan bidang kontak.

.

.

.

.

setelah data masukan tambahan telah diberikan maka dapatt dilakukan running dan melihat hasilnya, yaitu deformasi kedua buah part, tegangan leleh kriterian vonMises, regangan plastis ekivalen dan tegangan permukaan kontak.

.

.

.

.

.

akurasi dapat ditingkatkan dengan penggunaan elemen jenis quadratic, jika pada saat konversi terlewat maka dapat dilakukan dengan Gmsh. Kekurangannya adalah pada geometri dengan permukaan lengkung, midside nodes hanya dengan menambahkan begitu saja. Hal ini tidak terlalu masalah jika bidang lengkung tersebut tidak terjadi kontak diantaranya, namun jika terdapat kontak maka sebaiknya perbaikan hal tersebut dilakukan dengan LISA karena mempunyai feature untuk Fit to Cylinder.

.

.

.

.

.

.

analisa tekuk linear eigen dapat dilakukan pada LISA namun terbatas untuk elemen solid dan balok atau beam, untuk elemen shell perlu menggunakan solver lain seperti CalculiX. Hal tersebut juga dapat sekalian diperlukan untuk data masukan koordinat geometri akibat ketidak-sempurnaan misal h/200  untuk lokal dan L/500 untuk global. Setelah ditetapkan maka dengan adanya penentuan material plastis dan analisa deformasi besar akan didapat nilai tekuk yg lebih mendekati karena sudah jenis nonlinear, pengaruh tegangan residu awal dapat mengguanakn reduksi modulus elastisitas yg digunakan yaitu berkisar 85%

.

.

contoh berikut adalah balok WF150.75.5.7 dengan kondisi tumpuan sederhana sendi-rol bentang 1000m (1.0m) dan offset ujung sebesar 50mm Beban adalah terpusat ditengah bentang dengan perwakilan merata permukaan 1.0MPa pada luasan 3750MPa jadi sebesar 3.75kN, faktor tekuk yg dihasilkan adalah sebesar 76.5 yg terendah dengan artian sebanding beban tekuk 286.9kN. Tekuk badan webs pada tumpuan juga terdeteksi pada ragam tekuk berikutnya, namun nilainya cukup besar (aman) sehingga kemungkinana tidak diperlukan stiffenner. 

.

.

.

.

.

contoh lain adalah balok kantilever panjang 600mm dengan profil UNP150.40.5.7 yg dibebani beban terpusat pada ujung bagian webs sebesar 30kN. Analisa nonlinear plastisitas material dan large deformation, jenis quadratic shell elemen beserta layering ketebalan digunakan pada kasus ini untuk tujuan akurasi. Dari plot grafik terlihat solver tidak mencapai konvergensi, hanya sampai pada penerapan beban kurang dari 90%. Hasil keluaraan regangan plastis juga masih cukup kecil yaitu sekitar 2% yg masih dibawah kondisi aman.

.

.

.

.

.

.

.

karena sebelumnya penggunaan beban adalah gaya tidak mampu mencapai konvergensi, maka digunakan beban adalah perpindahan arah-Y negatif sebesar 20mm. Saat ini solver mampu mencapai konvergensi dan plot grafik hubungan perpindahan dan reaksi tumpuan menunjukan kapasitas maksimum ultimit adalah sekitar 30kN, regangan plastis juga mencapai batas maksimum aman yaitu sekitar 5% lebih. Penerapan tegangan residu awal akan mereduksi kapasitas tersebut, karena merupakan kombinasi yg akan dijumlahkan oleh solver pada semua bagian model.

.

.

.

.

.

hasil dari peningkatan beban defleksi sebesar 40mm, terlihat regangan plastis ekivalen maksimum bergerak ke tengah bentang dari yg sebelumnya pada tumpuan. Jumlah elemen ditinkatkan menjadi empat lapis pada sisi ketebalaan.

.

.

.

.

peningkatan beban defleksi menjadi sebesar 60mm,

.

.

.

.

contoh lain adalah batang dengan profil siku L50.50.5 panjang 500mm dan mutu baja fy=235MPa, kedua ujung tumpuan adalah jepit. Dilakukan konversi dari jenis elemen linear pada Gmsh karena akan menggunakan elemen shell pada CalculiX jenis quadratic (S8R) layered sebanyak empat lapis pada ketebalan. Ketidak sempurnaan geometris diambil dari salah satu hasil analisa ragam getar atau frekwensi dengan skala maksimum adalah 5mm. Beban defleksi diterapkan sebesar 5mm, hasil kapasitas ultimit analisa tekuk nonlinear ditunjukan pada plot grafik hubungan incremental beban defleksi dengan reaksi tumpuan, menunjukkan sekitar 115kN maksimum.

.

.

.

.

.

.

karena hasil keluaran regangan plastis ekuivalen maksimum masih dibawah batas 5% maka sya melakukan analisa ulang dengan penapenambahan beban defleksi dua kali lipat sebelumnya yaitu sebesar 10mm, hasilny sebagai berikut. Analisa tekuk nonlinear besar dipengaruhi model ketidak sempurnaan geometris, bisanya diambil seperseratus sampai duaratus dari lebar terbesar penampang profil (b/100 ~ b/200) untuk tinjauan lokal dan seperlimaratus sampai seribu panjang batang (L/500~L/1000) untuk global. Khusus untuk ketidak sempurnaan tinjauan lokal bentuk yg diambil kurang jelas ditentukan baku dalam peraturan dan sebaiknya memang ditinjau banyak model dari hasil ragam getar, ragam tekuk atau kurva lajur lengkung khusus.

.

.

.

.

berikut adalah contoh balok T100.75.5.7 dengam panjang 500mm, kedua ujung jepit, mutu baja fy=235MPa, kapasitas tekan diperkirakan dapat mencapai 215kN

.

.

.

.

.

.

selain elemen jenis solid 3D tiga dimensi, LISA juga dapat menganalisa model elemen 1D satu dimensi yaitu balok (beam) dan rangka batang (truss) juga elemen 2D dua dimensi plane stress/strain, axyssimetry, dan plate atau shell. Terdapat pilihan lanjut jenis linear atau quadratic untuk akurasi hasil perhitungan. Elemen balok pada CalculiX juga mampu untuk analisa tingkat lanjut seperti large deformation, plasticity dan contact jika diperlukan karena secara internal oleh solver dilakukan ekpansi menjadi elemen solid pada keadaan sesungguhnya.

.

.

.

.

.

penggunaan elemen balok jenis linear kurang baik di CalculiX maka perlu mengkoversinya menjadi jenis quadaratic di Gmsh. setelah dilakukan export ke format Abaqus/CalculiX maka jenis elemen perlu diganti dari yg sebelumnya jenis truss (T3D3) menjadi jenis beam (B32 atau B32R) 

.

.

.

.

.

.

.

khusus untuk elemen 2D yaitu plate dan shell perlu memperhatikan arah sumbu lokal elemen karena ini berpengaruh terhadapat definisi masukan untuk material orthotropic dan juga data keluaran gaya maupun tegangan.

.

.

dicuba analisa dengan kondisi ketiga sisi tumpuan adalah jepit dan beban lajur merata sebesar 10MPa pada bentang. Ketebalan pelat adalah 5mm dengan element quadratic (S8R) pada CalculiX mengaktifkan layering sebanyak dua lapis dengan feature composite, material adalah baja dan analisa linear elastis biasa. Terlihat bagian tumpuan menunjukan nilai yg cukup tinggi mengacu kriteria leleh vonMises jika digunakan mutu fy=235MPa, dapat dilakukan analisa lanjut meninjau plastisitas dan large deformation pengaruh ketebalan terhadap aksi atau gaya membrane.

.

.

.

.

.

berikut hasil dengan memperhitungkan plastisitas material dan deformasi besar, menggunakan jumlah elemen adalah empat lapis pada ketebalan.

.

.

.

.

contoh lain berikut adalah penggunaan kemampuan advanced dari solver CalculiX untuk analisa tekuk nonlinear. Model tabung pendek diameter 100mm, ketinggian 200mm, tebal 5mm, mutu baja fy=235MPa. Material nonlinear dengan plastisitas, ketidak sempurnaan geometri diambil sama dengan ketebalannya atau sebesar 5mm maksimum dari salah satu hasil analisa frequensi atau ragam getar. Walaupun mesh ketgori sedang atau kasar menengah namun solver masih dapat mencapai konvergensi dengan penerapan beban defleksi sebesar 10mm, beban maksimum yg dapat dicapai berkisar 450kN dengan kondisi kedua ujung adalah jepit. Beban aktualnya untuk perencanaan pastinya lebih kecil karena regangan plastis equivalen sudah menunjukan cukup besar dengan uji tekan tersebut.

.

.

.

.

.

.

.

perbandingan cepat terhadap pengaruh ketebalan yg dibuat lebih tipis yaitu sebesar 2.5mm serta beban defleksi separuh dari sebelumnya (5mm) hasil menunjukan kapasitas maksimum tekan adalah sekitar 180kN. Sebenarnya perlu model tegangan residu awal (initial residual stress) agar hasilnya lebih mendekati dengan aktual, namun jika untuk sebagai estimasi awal dan praktis dapat menggunakan reduksi modulus elastisitas sebesar 15% lebih kecil. Perbaikan model dengan adanya tegangan residu awal tetap diperlukan pada tinjauan akhir atau final agar lebih akurat dan teliti, sensitifitas ketidak sempurnaan juga perlu diambil banyak model untuk mencari nilai batas bawah (lower bound) untuk faktor aman dalam desain.

.

.

.

dicoba lainnya contoh sederhana model balok beton bertulang 2D dua dimensi (plane stress) beserta tulangan equivalen (truss), analisa pada LISA masih dalam kondisi material linear elastik. Tentunya hasil hanya memberikan gambaran awal saja bukan perilaku sesungguhnya untuk itu perlu menggunakan material terbatas plasticity atau kerusakan (damage) pada CalculiX.  Pengaruh tumpuan yg terpusat juga akan ditinjau karena adanya singularitas, perbandingan hasilnya dengan rigid body pada  bagian tersebut. 

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

perlu tambahan contoh lain balok beton 3D tiga dimensi yg menggunakan elemen solid baik itu pada beton dan tulangannya, hubungan pertemuan antara sengkang dan tulangan pokok ditentukan hubungan sliding constraints.  Diginakan meshing jenis hexahedral terstruktur dan perlu penyederhanaan tulangan bulat menjadi pesegi ekivalen, hubungan lekatan tulangan pokok akibat adanya ribs pada jenis deformed bars tidak ditinjau karena keterbatasan solver.  Penggunaan kondisi symmetri akan cukup berguna mereduksi jumlah nodes pada model, dapat diterapkan untuk kondisi lentur satu arah seperti balok. Hal tersbut tidak tepat untuk kondisi pembebanan kompleks seperti  kolom yg menerima lentur dua arah (biaxial) atau adanya torsi, sehingga baiknya dimodelkan penuh tiga dimensi. Penggunaan elemen rangka batang atau truss pada pembesian mungkin akan berpengaruh terhadap tingkat pengekangan (confinement) dan aksi dowel, untuk itu dapat dipisah atau dikelompokan material beton bagian dalam (core) dan luar (cover). Pemodelan aksi dowel tulangan perlu menggunakan elemen balok atau beam yg mana DOF's tidak kompatibel dengan elemen solid, untuk itu mesh nodes perlu dipisah pada model dan dihubungkan dengan equal displacement constraint hanya pada translasi.

.

.

program bantu elemen hingga LISA cukup mudah dalam pengoperasian karena sudah menggunakan grafis dan menu dalam pemodelan, keterbatasan jenis analisa dan kapasitas solver masih dapat ditutupi dengan konversi model dasar mesh dengan Gmsh. Pembuatan program konversi khusus (in-house code) yg dibuat sendiri diperlukan, agar semua definisi seperti material, titik tumpuan terkekang atau defleksi, beban titik nodal, definisi group permukaan untuk kontak dan beban diperlukan untuk mempercepat proses migrasi kepada solver yg lebih advanced dan meampu untuk model besar dengan jumlah nodes banyak. Versi terbatas sebagai perkenalan dan familiarize baik untuk pelajar, peneliti maupun praktisi juga disediakan dengan model dengan maksimum 1300 nodes yg mana ini sudah cukup untuk tujuan tersebut.

.