Senin, 05 Februari 2024

penggunaan spreadsheet untuk laporan perhitungan

keberadaan program spreadsheet seperti Lotus dan Excel sudah ada terlebih dahulu dan banyak digunakan untuk perhitungan olah data statistik berbasis tabel. Keunikan dari cell yg dapat berfungsi sebagai data masukan dan rumusan untuk menampilkan hasil secara langsung dan interaktif menjadikan banyak juga engineer yg menggunakan perangkat tersebut di masa awal. Baik juga sebagai pengantar pemrograman untuk pemula karena cukup mudah, pencabangan dan iterasi (goal seek) dan juga scripting  disediakan. Selain kelebihan terebut plot grafik data lebih mudah dan beragam, sya diawal mengenal komputer untuk perhitungan analisa dan desain struktural juga menggunakannya. Sifatnya yg sebagai perangkat perkantoran umum menjadikan banyak pengembang (developer) membuat perangkat sejenis spreadsheet tersebut, dari yg komersil ataupun free/opensource pastinya saat ini akan banyak sekali dan hampir tak terhitung dan mungkin cukup asing. 

.


(source : SSS Alan Conroy, 2007)

.

Kelebihan lain adalah pseudo-code dalam programming yg cukup berguna jika dikombinasikan dengan fungsi drag, manupulasi dan kombinasi data text dan numeric dapat dilakukan dengan mudah. Misal mengkonversi model analisa atau mesh format Gmsh menjadikan format SAP2000, membuat parametric drawing CAD dua dan tiga dimensi, dll. Belakangan pengembang Microsoft melakukan hal yg sangat berbeda, yaitu  menanamkan feature pada cell untuk scripting Python sehingga library yg kaya dari dristribusi Anaconda dapat digunakan. Selain itu cell protection sangat berguna untuk menghindari ketidak sengajaan perubahan oleh sendiri atau yg lain, pengguna hanya dibatasi mengakses pada cell yg tidak terkunci.

.


(source: Stefan Kinnestrand, 2023)
.

Namun dengan adanya pilihan lain seperti Matlab, Maple atau Mathcad maka jenis perangkat Spreadsheet kurang diminati karena deteksi kesalahan perhitungan akibat variabel masukan dan tampilan rumus serta unit akan kesulitan. Tulisan ini ditunjukan kepada yg masih menggunakan dan sya memberikan sedikit catatan dalam menghindari kesalahan tersebut, serta kelebihan yg tidak atau  belum dimiliki sofware khusus perhitungan tersebut. Bagi pengguna yg bekerja pada sitem operasi Linux tersedia banyak pilihan diantaranya, OpenOffice/LibreOffice (Calc), Calligra Suite (Sheets), OnlyOffice (Spreadsheet), Gnumeric, SIAG Office (Grid), WPS Office (Spreadsheet), SoftOffice/FreeOffice (PlanMaker), dll. Sya pribadi adalah pengguna lama OpenOffice, namun belakangan ini juga tertarik juga dengan OnlyOffice jadi perangkat opensource tersebut yg akan digunakan.

.


.

dibawah adalah contoh sederhana, yg utama mengenai penaman default cell pada kolom depan  (G) menjadikan sesuai yg dapat dikenali sehingga akan lebih mudah dalam pengelolaan worksheet dan juga deteksi masalah. Pada kolom sebelahnya (G) diberikan juga fungsi pembacaan rumusan [=FORMULA(...)] agar dapat dilihat langsung, cukup disembunyikan saat printing. Kolom diantaranya dapat diberikan tampilan rumus yg lebih umum secara matematis, sifatnya pelengkap saja dapat tidak diberikan atau ditinggalkan dulu jika dipandang membuat pekerjaan perhitungan lebih lama. 

.

.

penamaan variable cukup dengan melakukan penimpaan Name Box pada cell aktif, dapat diakses dan menujunya menggunakan drop down.

.

.

perhitungan laporan biasanya banyak menggunakan subscript pada variabel, untuk membuatnya dengan cara cepat dapat dengan cara pilihan pada menu klik kanan setelah dipilih sebelumnya.

.

.

Penentuan format angka untuk bilangan integer dan float diperlukann untuk tujuan kejelasan. Penentuan cara cepat adalah dengan klik kanan cell aktif lalu pilih Format Cells

.

.

Penggunaan Data Validity dengan list juga berguna untuk membatasi input data masukan oleh pengguna, misal dalam contoh diatas adalah diameter tulangan.

.

.

kendala satuan atau unit juga diberikan dengan fungsi [=CONVERT_ADD(...)] namun perlu ditentukan sebelumnya target satuan yg diinginkan. Contoh diatas satuan luasan dikonversi terlebih dahulu untuk menghasilkan perhitungan berat dalam satuan kilogram. Banyak satuan sudah didukung namun kelihatannya belum lengkap dan perlu menambahkan atau menyesuaikan untuk satuan lainnya.

.


.


.


.
penggunaan fungsi perintah diatas untuk satuan (unit) secara langsung akan mempunyai sifat statis, jika satuan diharapkan dinamis dapat diganti secara bebas terbatas maka perlu cell pointer seperti dibawah. Satuan pada kolom (C) dan (E) dapat diganti dengan menimpanya atau menentukan drop-down list menggunakan Data Validity. Pilihan lain untuk penulisan satuan seperti luasan atau volume dapat menggunakan tanda pangkat contoh: cm^2, m^3,  dll
.

.
untuk satuan lain yg belum didukung dapat menggunakan feature program Calculator bawaan Windows 7 dengan mode kerja pilihan Scientific dan Unit conversion diaktifkan pada menu View. Program lain mengenai konversi satuan yg lebih advanced seperti ConvertAll juga dapat digunakan.
.

.

pemberian komentar jika terdapat asumsi sebuah nilai variabel yg sifatnya tetap atau umum, misal: percepatan gravitasi, berat jenis material baja atau beton, nilai modulus elastisitas baja, dll. Hal tersebut ditujukan untuk kemudahan pengingat sendiri atau saat digunakan oleh yg lain. Komentar tersebut akan tampil saat sejenak cursor berada pada cell rujukan, ada tanda dot kecil berwarna oranye juga disudut kanan atas dan ini dapat ditampilkan permanen dengan pilihan pada klik kanan.

.


.

penggunaan Conditional Formating untuk hasil perhitungan apakah sudah memenuhi syarat atau belum,  perlu dibuat style & format cell terlebih dahulu untuk tampilan hasil. Setelah dibuat kemudian tetapkankriteria pada cell yg sudah dipilih.

.

.

.

.

pencabangan perhitungan sering banyak ditemui, perlu dibuat keseluruhan namun hasil keluaran saat mencetak akan tampil juga. Penggunaan fungsi Group and Outline pada menu Data mempermudah untuk disembunyikan atau ditampilkan kembali berdasarkan kriteria secara manual. Terlihat penyembunyian group dari baris dapat diterapkan pada sub-group juga.

.

.

.

mengenai dukungan fungsi rumus sudah banyak, diantaranya untuk fungsi: matematika, statistik, array(matrix), satuan (unit), manipulasi text, programming (logical) dll

.


.


.


.


.


.


.


.



.

mengenai gambar skematis hasil perhitungan atau data masukan perlu dibuat skalatis atau proportional, untuk itu diperlukan faktor skala terhadap lebar dan tinggi. Agar tidak keluar batas (fit to scale) maka diperlukan penentuan sebesar 60% area chart. Titik acuan origin juga dapat ditentukan misal untuk titik pusat berat penampang. Dapat saja dipilih automatic namun penentuan ukuran chart areas yg bersifat tetap akan menjadikan gambar mengalami distorsi dan tidak proposional. 

.



.


.

beberapa tilisan artikel terkait yg pernah saya buat di waktu sebelumnya

  • Suatu Tips (mungkin) penggunaan OpenOffice.org -- link
  • Penggunaan BASIC -- link
  • Interpolasi Linear -- link
  • Interpolasi data x-y tidak beraturan -- link
  • Penggunaan Goal Seek -- link
  • BASIC – Penggunaan Perintah (If...Then...Else) -- link
  • Pendekatan luas bidang dari suatu fungsi kurva -- link
  • VisiCalc, bagian awal dari sejarah software SpreadSheet -- link
  • Mengekstrak data dari tabel -- link
  • OpenOffice.org 3 sdh release :) -- link
  • Lembar Perhitungan Otomatis menggunakan OpenOffice.org WRITER -- link
  • Menampilkan hasil analisa balok sederhana secara visual -- link


.

*updates

untuk pengguna yg cukup banyak mengandalkan spreadsheet dalam perhitungan maka sebaiknya menggunakan LibreOffice karena banyak fitur yg lebih lengkap seperti dibawah. Sebagai catatan lain menu Help disediakan terpisah dan perlu download lain dan install kemudian. Tampilan dan perilaku antarmuka juga dapat dibuat mirip dengan OpenOffice seperti Sidebar yg biasa sya gunakan dari sebelumnya yaitu pada IBM Lotus Symphony. Sayangnya project dari IBM tersebut tidak berlanjut, padahal design interface cukup bagus dan sederhana dan saya dulu menunggu dukungan untuk Math dan Draw.

.


.


.


.

Variable yg telah diberi nama dapat ditentukan pada lingkup global keseluruhan atau lokal (sheet) yg termasuk didalamnya saja.

.


.

mengenai tambahan keterangan rumus dapat memanfaatkan fungsi replace, kemudian lakukan copy/paste pada Math Editor. Bahasa atau syntax cukup mirip sehingga hanya diperlukan sedikit editing menyesuaikan tanpa perlu mengetik ulang. Lajur kolom (H) tersebut dapat dihapus kemudian jika sudah selesai dibuat semua tampilan matematis. 

.



.

Kamis, 01 Februari 2024

kondisi tumpuan ideal pada analisa dengan element solid

 .



.

kondisi ideal biasanya agak sulit diterapkan secara langsung pada bidang permukaan element solid, namun dengan adanya feature rigid body akan dapat mempermudah. Kekangan translasi dan rotasi diterapkan pada master nodes sehingga slave nodes akan mengikuti berdasarkan kompatibilitas acuan node tersebut. Walau demikian penggunaan feature tersebut tetap dapat memberikan kekangan berlebih untuk komponen yg sngat pendek (stocky), untuk itu masih juga diberikan feature lain yaitu coupling constraint.

.


.

berikut kondisi (d) yaitu tumpuan kedua ujung adalah sendi, nilai K=1.0 dan rasio kelangsingan adalah ~200, terlihat hasilnya sudah cukup mendekati dengan perhitungan tangan.

.


.


.


.

perhitungan tekuk Euler diatas hanya berlaku untuk kolom panjang dengan asumsi terjadinya tekuk pada arah subu lemah dan sumbu kuat, sedangkan FEA dengan elemen solid dan analisa eigenbuckling dapat juga memperhitungkan tekuk lokal dan juga kondisi kolom pendek. Jenis analisa tersebut walau sudah lebih baik namun masih mempunyai keterbatasan yaitu asumsi bahan masih elastis. Analisa tekuk nonlinear dengan memperhitungkan plastisitas material beserta deformasi besar diketahui dapat jauh lebih baik dalam memprediksi, ketepatan terlihat lebih ditentukan oleh modelisasi ketidak sempurnaan geometri dan tegangan residu awal.


.


kondisi (a) jepit-jepit, Nilai K=0.5, hasil Pcr=188.0kN

.


kondisi (b) jepit-sendi, Nilai K=0.7, hasil Pcr=134.31kN

.


kondisi (c) jepit-bebas, Nilai K=1.0, hasil Pcr=94.02kN

.


kondisi (e) jepit-bebas, Nilai K=2.0, hasil Pcr=47.01kN

.


kondisi (f) sendi-bebas, Nilai K=2.0, hasil Pcr=47.01kN

.

terlihat hasil analisa pada model dengan nilai kelangsingan kolom K tidaksama dengan 1.0 maka akan menunjukkan perbedaan, perlu perubahan panjang kolom pada model FE untuk kesesuaian agar termasuk kategori kolom langsing.

Rabu, 24 Januari 2024

dokumentasi penunjang solver CalculiX

solver FE CalculiX berlisensi terbuka, feature advanced banyak dari kontribusi pengembang lain sehingga dokumentasi pada bawaan hanya bersifat umum. Rujukan diberikan pada catatan kaki atau daftar pustakan, jika pengguna ingin mempelajari lebih lanjut dan spesifik pada feature tertentu perlu merujuk aslinya. Kompleksitas dari kemampuan software menjadikan tidak memungkinkan dijadikan satu, berikut daftar rujukan atau dokumentasi penunjang yg saya kelompokaan berdasarkan element, nonlinearitas tumpuan dan material.  Khusus untuk material pastinya akan jauh lebih rumit dan kompleks karena software CalculiX dapat terintegrasi dengan database dan implementasi dari library TFEL/MFront yg dikenal advanced.

.


.

Element type

  • A three-node shell element based on the discrete shear gap and assumed natural deviatoric strain approaches, Rama, G.; Marinkovic, D.; Zehn, M. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2017 (link)
  • Efficient three-node finite shell element for linear and geometrically nonlinear analyses of piezoelectric laminated structures, Rama, G.; Marinkovic, D.; Zehn, M. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2017 (link)
  • An Efficient 3D Timoshenko Beam Element with Consistent Shape Functions, Yunhua Luo, Adv. Theor. Appl. Mech., Vol. 1, 2008 (link)

Boundary condition

  • Introduction of a segment-to-segment penalty contact formulation, Jaro Hokkanen, MSc Thesis, Aalto University, 2014 (link
  • Robust Algorithms for Contact Problems with Constitutive Contact Laws, Saskia Sitzmann. Ph.D Thesis, Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg, 2016 (link)

Material

  • Efficient Non-Linear Finite Element Implementation of Elasto-Plasticity for Geotechnical Problems, Johan Clausen, Ph.D. thesis. Esbjerg Institute of Technology, 2007 (link)
  • Finite element modelling:Analysis of Reinforced Concrete Elements, Laurentiu-Fabian Bitiusca, Master’s Thesis, Aalborg University, 2016 (link)
  • How to use MFront in CalculiX, Rafal B., 2015 (link)
  • A new 3D damage model for concrete under monotonic, cyclic and dynamic loadings, Jacky Mazars, François Hamon & Stéphane Grange, Journal of  Materials and Structures, 2014 (link)
  • Damage Models for Concrete, Gilles Pijaudier-Cabot, Jacky Mazars, Elsevier - Failures of materials, 2017 (link)
  • A New Model To Forecast The Response Of Concrete Structures Under Severe Loadings: THE Îœ DAMAGE MODEL J. Mazars, F. Hamon, Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures, 2012 (link)
  • Finite-element modelling of reinforced concrete, Chiruta George, MSc thesis, Aalborg University, 2014 (link)
  • Implicit numerical integration and consistent linearization of inelastic constitutive models of rock salt, Thomas Nagel, Wolfgang Minkley, Norbert Böttcher, Dmitri Naumov, Uwe-Jens Görke, Olaf Kolditz 2017 (link)
  • A smooth hyperbolic approximation to the Mohr-Coulomb yield criterion, A.J. Abbo and S.W. Sloan (1995) link
  • Implementation of a multi-surface, compressible and perfect plastic behaviour using the Drucker-Prager yield criterion and a cap, Thomas Helfer (2018) link
  • Implementation of the Modified Cam Clay Model in MFront/OpenGeoSys, Christian Silbermann, Thomas Nagel (2023) link
  • Isotropic and anisotropic descriptions of damage in concrete structures, Stéphanie Fichant, Christian La Borderie, Gilles Pijaudier-Cabot (2017) link
  • Invariant-based implementation of the Mohr-Coulomb elasto-plastic model in OpenGeoSys using MFront,  Thomas Nagel,(2019) link
  • Implementation of Hoek-Brown Failure Criterion in MFront, OpenGeoSys (2024) link
  • Distortional plasticity framework with application to advanced high strength steel, Frédéric Barlat, Seong-Yong Yoon, Shin-Yeong Lee, Min-Su Wi, Jin-Hwan Kim (2020) link
  • Modeling of the quasibrittle fracture of concrete at meso-scale: Effect of classes of aggregates on global and local behavior, Alexandre Gangnant, Jacqueline Saliba, Christian La Borderie, Stéphane Morel (2019) link
  • Soil mechanics and plastic analysis or limit design, D. C. Drucker, W. Prager, (1952) link

Mesher (Gmsh)
  • Quality Measures for Curvilinear Finite Elements, A. Johnen, C. Geuzaine, T. Toulorge, and J.-F. Remacle, TILDA: Towards Industrial LES/DNS in Aeronautics, 2021 (link)
  • A frontal approach to hex-dominant mesh generation, Tristan Carrier Baudouin, Jean-François Remacle, Emilie Marchandise, François Henrotte & Christophe Geuzaine, Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 2014 (link)
  • Quasi-structured quadrilateral meshing in Gmsh -- a robust pipeline for complex CAD models, Maxence Reberol, Christos Georgiadis, Jean-François Remacle, Universit´e catholique de Louvain, 2021 (link)
  • Blossom-Quad: a non-uniform quadrilateral mesh generator using a minimum cost perfect matching algorithm, J.-F. Remacle, J. Lambrechts, B. Seny, E. Marchandise, A. Johnen and C. Geuzaine, International Journal For Numerical Methods In Engineering, 2002 (link)
  • Quasi-structured quadrilateral meshing in Gmsh -- a robust pipeline for complex CAD models, Reberol, M., Georgiadis, C. & Remacle, J.-F, 2021 (link)
  • Frame field smoothness-based approach for hex-dominant meshing, Bernard, P.-E., Remacle, J.-F., Kowalski, N. & Geuzaine, C., 2016 (link)
  • Efficient computation of the minimum of shape quality measures on curvilinear finite elements, A. Johnena, C. Geuzaine, T. Toulorge, J.-F. Remacle, 2016 (link)

Solver
  • Linear Equation Solvers on GPU Architectures for Finite Element Methods in Structural Mechanics, Peter Wauligmann, MSc thesis, Technische Universität München, 2020 (link)
  • Structural multi-model coupling with CalculiX and preCICE, Alexandre Trujillo Boqu´e, MSc thesis, Technische Universität München, 2018 (link)

Real cases
  • Investigation and Validation of Numerical Models for Composite Wind Turbine Blades, William Finnegan, Yadong Jiang, Nicolas Dumergue, Peter Davies, Jamie Goggins, 2021 (link)
  • Numerical and experimental studies of compression-tested copper, mortar contact method, Gabriel Jesús Torrente-Prato, 2017 (link)
  • Calculation Engine for Floor Vibration Analysis Tool, Steel Construction Institute, 2018 (link)
  • Simulation of additive manufacturing using Calculix Procedure to calculate the temperature distribution during additive manufacturing, Ossama Dreibati, 2017 (link)
  • Performance evaluation of open-source structural analysis solver, CalculiX and Code-Aster, for linear static and contact problems, S.-K. Park, D.-W. Seo, H. Jeong, M. Kim, 2018 (link)
  • A new robust co-simulation approach for transient Fluid-Structure Interaction problems, Marie Gibert, 2022 (link)
  • Nonlinear Vibration of Bladed Discs, Stefano Scalvini, 2021 (link)
  • Numerical Simulation of Inductive Heating in Additively Manufactured Aircraft Engine Parts, Roberto González Celma, 2017 (link)
  • Analysis and simulation of aeroelastic effects in turbomachinery, Camus Sarah, 2024 (link)
  • Thermal Ratcheting Analysis of the High-Temperature Reactor Vessel using CalculiX, Jin Haeng Lee & Jonggan Hong, 2022 (link)
  • Calculation Engine for Floor Vibration Analysis Tool, Steel Construction Institute, 2018 (link)

Kamis, 18 Januari 2024

rasio volume tetrahedral pada mesh hex-dominant

.



.

berdasarkan beberapa pengalaman pribadi, terlihat meshing jenis hex-dominant dengan Gmsh adalah yg paling unggul dibandingkan lainnya seperti automatic tetrahedral atau structured hexahedral. Part atau bagian object 3D akan diisi dan dipenuhi sebanyak dan sedapat mungkin dengan elemen hexahedral, sedangkan bagian yg rumit dengan elemen tetrahedral. Tidak diperlukannya partisi secara manual menjadikan pemodelan dan proses meshing akan cepat, juga dihasilkan mesh yang cenderung merata dan terstruktur minim adanya distorsi.  

.


.

Namun disisi lain adanya kekurangan pada pilihan elemen quadratic daerah transisi, node bagian tengah sisi diagonal tidak terhubung sehingga diperlukan penentuan hubungan constraint yg mana belum dapat dilakukan secara otomatis pada pre-processor FE CalculiX saat ini.

.


.

kekurangan hal tersebut diatas bukanlah menjadi kendala berarti karena jenis linear hexahedral (incompatible) tersedia.  Pengisi jenis elemen linear tetrahedral perlu dibatasi karena formulasinya yg kurang baik dan terlalu tinggi kekakuannya, untuk itu diperlukan perhitungan rasio volume dari jenis elemen tersebut terhadap elemen keseluruhan. Semakin kecil nilai rasio maka akan semakin baik dan cukup akurat dapat mewakilkan. Berikut tahap yg sya tempuh untuk tujuan tersebut yaitu memisahkan kelompok element set dengan nama yg berbeda serta perintah perhitungan volume pada keywords.

.


.


.


.


.


.


.


.

terlihat masih terdapat rasio volume sebesar 12.56% dengan elemen tetrahedral sebagai pengisi namun setelah dicoba running hasilnya sudah cukup mendekati dengan meshing automatric full tetrahedral jenis quadratic tingkatan kehasulas medium dan fine merata.

.


.



.

sebelumnya jenis mesh hex-dominant adalah pada object atau part sederhana yg dibentuk dengan pola extrusion, berikut perbandingan lain yaitu pada pola revolve.

.


.


.


.



.