Jumat, 16 Februari 2018

perbaikan model solid untuk analisa FE

seperti yg sudah sebelumnya sya posting, program 3D CAD yg bagi sya mudah, ringan dan cukup cepat adalah SketchUp. pertama sya kenal lewat Google yg mendistribusikannya secara cuma-cuma versi 6.00 sekitar tahun 2006 dimana saat itu sya mengunakan AutoCAD untuk pemodelan 3D solid dan tampilan perspektif. terlihat mencolok sekali perbedaannya saat itu yaitu feature push (extrude) ke segala arah bebas tanpa perlu berganti UCS. permasalahan pada akurasi object lengkung yg mana SketchUp menggunakan pendekatan poligonal, membagi object lengkung dengan beberapa segmen tingkat kehalusan tergantung banyaknya. hal ini tidaklah terlalu masalah untuk digunakan sebagai model analisa FE karena mempunyai konsep yg sama, akurasi geometri juga dapat ditempuh dengan input value box.

diatas adalah contoh modeling object solid dengan kerumitan menengah atau medium, dikatakan belum rumit karena hanya terdapat beberapa lubang dan lengkungan belum adanya object pertemuan bidang lengkung seperti pertemuan beberapa pipa menyilang. SketchUp biasa sya gunakan untuk desain konsepsual atau hanya sekedar untu project sendiri DoItYourself di rumah. kemampuan rendernya mendukung hobby lain sya tentang pengetahuan dasar pantulan benda dan jatuh banyangan.

mencoba dengan plugin render engine lain, terlihat lebih baik dalam setting material namun hasil default bayangan masih kurang dibandingkan sebelumnya.

sedangkan untuk kebutuhan yg lebih serius yaitu numerical dengan bantuan plugin export file type STL dan IGES dari beberapa programmer volunteer maka model tersebut sudah dapat dibuat dasar meshing untuk analisa FE.

meshing yg dapat cepat dilakukan karena otomatisasi adalah jeni elemen tetrahedral, namun sebaiknya dibuat quadratic dengan titik tambahan tengah mengikuti geometri.

penentuan group permukaan untuk definisi kondisi tumpuan, beban permukaan dan kontak juga dapat ditentukan pengguna dengan diberi penamaan angka dengan sebelumnya dibuat null semua terlebih dahulu. pengahalusan mesh daerah konsentrasi tegangan juga dapat dilakukan dengan penentuan file koordinat dan bounding box.

berikut hasil perbaikan dengan elemen quadratic, sekilas cukup cepat dan baik dalam modelisasi dan meshing namun sisi lain mempunyai konsekuensi terhadap peningkatan jumlah nodes yg mencapai lebih dari 6 kali dari sebelumnya yaitu penggunaa elemen linear. perlu resource komputer dan waktu yg tinggi, inipun tidak menjamin dan bisa gagal untuk model yg besar dan rumit dgn analisa non-linear material dan kontak.

saat dibuka dengan program grafis CalculiX terasa berat jika bersamaan ditampilkan nodes, kemungkinan besar hal tersebut tidak terjadi jika hanya menggunakan element hexahedral.

program mesher diatas hanya untuk otomatis tetrahedral, jika pengguna ingin membuat menjadi hexahedral terstruktur atau tidak maka model SketchUp perlu disimpan dalam format IGES dan dilakukan perbaikan dan partisi untuk ketentuan meshing hexahedral.

terlihat model lengkung terdiri dari banyak bidang lengkung kecil dan ini perlu diperbaiki dengan menyatukannya, setelah itu dilakukan explode untuk pemisahan beberapa object solid tsb agar dapat digunakan penerapan material masing-masing.

sya belum melakukan partisi untuk tujuan meshing hexahedral. hanya secara cepat saja mencoba kompatibilitas file dibuat dari SketchUp, meshing menggunakan metode yg sama. default setting di SALOME terlihat menghasilkan ukuran yg hampir seragam.

... need to be add,

unstructured hexa-dominat
structured hexahedral

eksentrisitas balok dan pelat lantai dgn elemen FE continuum

secara prinsip dapat dengan mudah diketahui bahwa eksentrisitas pelat terhadap balok meningkatkan kekakuan lenturnya sehingga lendutan yg terjadi lebih kecil daripada balok dengan tanpa eksenstrisitas. berikut ditampilkan hasil berbagai model tersebut dengan penggunaan elemen shell & beam continuum yg pada CalculiX dilakukan expansi menjadi elemen 3d solid jenis quadratic. pada analisa gedung beton bertulang atau struktur baja secara global biasanya eksentrisitas tersebut diabaikan, hal ini dikarenakan pada daerah momen negatif akibat beban gravitasi yaitu daerah tumpuan pelat lantai beton mengalami retak akibat tertarik dan menjadikan kekakuan lentur daerah tersebut tereduksi cukup besar.

Ditinjau portal beton bertulang tiga dimensi dengan denah lingkaran dengan diamater 8.00m dan ketinggian kolom 4.00m, balok dimensi 30x60cm dan kolom 40x40cm, tebal pelat 30cm dan menerima beban merata sebesar 5tonf/m^2.

hasil dengan eksentrisitas positif (atas),

hasil dengan tanpa eksentrisitas (center),

hasil dengan eksentrisitas negatif (bawah),

hasil dengan eksentrisitas positif (atas) dan pengurangan dimensi tinggi balok,

perbedaan hasil tersebut ditampilkan dengan tabel dan grafik dibawah,

karena struktur beton bertulang merupakan material yg non homogen dan non elastis (beton) retak saat mengalami tegangan tarik maka perhitungan diatas adalah hanya bersifat sebagai indikasi awal, kondisi sesungguhnya sangat tergantung dari kondisi atau posisi balok (eksentrisitas) sesungguhnya terlaksana dilapangan dan kekakuan lentur efektif hubungannya dengan retak beton dan regangan tarik tulangan. jika yg ditinjau adalah optimalisasi, pada kasus diatas yg terbaik adalah penempatan eksentrisitas balok sisi bawah (negatif) yg akan menghasilkan tegangan terendah dibanding model lainnya, namun sisi lain adalah kendala permukaan lantai yg tidak datar/flat hanya mungkin tidak masalah jika beban adalah butiran grnular atau cairan liquid dan juga ini menguntungkan secara pandangan arsitektural jika struktur expose terlihat flat dari bawah.

peningkatan waktu penyelesaian FE berbagai jenis analisa

sebenarnya kebutuhan waktu penyelesaian software FE sangat spesifik terhadap geometri dan properties material serta kondisi bebannya, dalam kondisi nomal atau wajar maka solver akan cepat mencapai konvergensi namun jika dalam kondisi yg extreme misal tumbukan (punch atau crash) maka pastinya konvergensi dicapai lebih lama. berikut dilakukan perbandingan kebutuhan waktu penyelesaian solver FE untuk berbagai jenis analisa,

jenis analisa linear elastis (3.074s) , beban merata diterapkan pada pelat dan tambahan pada flens.

jenis analisa nonlinear material plastisitas (4.476s), beban merata direduksi karena hampir terjadi pergerakan benda kaku (rigid body motion) jika bebannya besar.

jenis analisa kontak dgn material tetap elastis (5.671s),

jenis analisa kontak dgn material plastis (16.94),

ditampilkan dengan grafik perbandingan, terlihat pada penggunaan element shell continuum kebutuhan waktu penyelesain masalah kontak dengan plastisitas meningkat lebih dari 5x (lima kali) dari analisa lienar statis biasa.

*updates: menggunakan element solid

jenis analisa linear elastis (1.977s) , beban merata diterapkan pada pelat dan tambahan pada flens.

jenis analisa nonlinear material plastisitas (4.319s), beban merata direduksi

jenis analisa kontak dgn material tetap elastis (3.762s),

jenis analisa kontak dgn material plastis (12.339),

ditampilkan dengan grafik perbandingan, terlihat pada penggunaan element solid hexahedral kebutuhan waktu penyelesain masalah kontak dengan plastisitas meningkat lebih dari 6x (enam kali) dari analisa linear statis biasa.

dari waktu yg dibutuhkan solver untuk analisa tingkat lanjut (contact & plasticity) menunjukan bahwa penggunaan elemen shell continuum tidak lebih cepat, hanya mempercepat pada saat pemodelannya saja.

**updates: tahap modeling, meshing & definisi bidang kontak komponen splice plate