ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA Elfrida Saragi., Utaja' ABSTRAK ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA. Bimetal adalah dua material yang mempunyai koefisien ekspansitermal yang berbeda ditempelkan menjadi satu. Bila dipanaskan pada temperatur tinggi kedua materialmengalami perubahan ukuran dan tegangan(stress) yang berbeda. Bimetal banyakdipakaipada alat -alat otomatik seperti pada skring,pembatas suhudan lain-lain. Analisisperubahan ukuran atau bentuk (regangan) dantegangan belum banyak dilakukan.Pada pustaka hanyadiuraikan pemakaian bimetal. Dalam makalah ini akandiuraikananalisismaterialbimetal yang berdimensi dua menggunakan metode elemen hingga untuk menghitung jarak perpindahan ujung bahan dantegangan (stress) yang timbul danmengaplikasikannya menggunakan software ANSYS. ABSTRACT BIMETAL ANALYSIS WITH FINITE ELEMEN METHOD. Bimetal is two materials having different coefficient of thermal expansion that is stuck together. When heated with high temperature the two materials experience changing of dimensions and stress which are different. Bimetal is widely used for automatic instruments such as. Analysis of changingof dimensions or stress is rarely carried out. In literature is only discussed the usageof bimetal. This paperdiscusses analysis of two dimensional bimetal materialusing finite element methodto calculate transfer distanceof materialedge and stress arisen and apply it usingANSYS software. PENDAHULUAN Bimetal adalah dua materialyangmempunyai modulus elastisitas yangberbeda ditempelkan menjadi satu.Pemakaian bimetal dalam teknik banyak digunakan pada skring, pembatas suhu,termometer, dan lain -lain. Analisis perubahan ukuran atau bentuk (regangan)dan teganganbelum banyak dilakukan. Pada pustaka hanya diuraikan pemakaian bimetal. Untuk menghitung besamya tegangan (stress) digunakan metodeelemen hingga. Pendekatan yang dipakaipada distribusi tegangan adalah dengan azas potensialminimum dengan menyelesaikan lebih dahuludistribusi suhu.Untuk menyelesaikan distribusi suhudan distribusitegangan untuk bidang atau .Pusat Pengembangan Teknologi InfOrn1aSi dan Komputasi -BA TAN ..Pusat Pengembangan perangkat Nuklir -BATAN 183
14
Embed
ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Informatika/lkstn... · ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA Elfrida Saragi.,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
Elfrida Saragi., Utaja'
ABSTRAK
ANALISIS BIMETAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA. Bimetal adalah duamaterial yang mempunyai koefisien ekspansi termal yang berbeda ditempelkan menjadi satu. Biladipanaskan pada temperatur tinggi kedua material mengalami perubahan ukuran dan tegangan (stress)yang berbeda. Bimetal banyak dipakai pada alat -alat otomatik seperti pada skring, pembatas suhu danlain-lain. Analisis perubahan ukuran atau bentuk (regangan) dan tegangan belum banyak dilakukan. Padapustaka hanya diuraikan pemakaian bimetal. Dalam makalah ini akan diuraikan analisis material bimetalyang berdimensi dua menggunakan metode elemen hingga untuk menghitung jarak perpindahan ujungbahan dan tegangan (stress) yang timbul dan mengaplikasikannya menggunakan software ANSYS.
ABSTRACT
BIMETAL ANALYSIS WITH FINITE ELEMEN METHOD. Bimetal is two materialshaving different coefficient of thermal expansion that is stuck together. When heated with hightemperature the two materials experience changing of dimensions and stress which are different. Bimetalis widely used for automatic instruments such as. Analysis of changing of dimensions or stress is rarelycarried out. In literature is only discussed the usage of bimetal. This paper discusses analysis of twodimensional bimetal material using finite element method to calculate transfer distance of material edgeand stress arisen and apply it using ANSYS software.
PENDAHULUAN
Bimetal adalah dua material yang mempunyai modulus elastisitas yang berbedaditempelkan menjadi satu. Pemakaian bimetal dalam teknik banyak digunakan padaskring, pembatas suhu, termometer, dan lain -lain. Analisis perubahan ukuran ataubentuk (regangan) dan tegangan belum banyak dilakukan. Pada pustaka hanyadiuraikan pemakaian bimetal. Untuk menghitung besamya tegangan (stress)digunakan metode elemen hingga. Pendekatan yang dipakai pada distribusi teganganadalah dengan azas potensial minimum dengan menyelesaikan lebih dahulu distribusisuhu. Untuk menyelesaikan distribusi suhu dan distribusi tegangan untuk bidang atau
.Pusat Pengembangan Teknologi InfOrn1aSi dan Komputasi -BA TAN
..Pusat Pengembangan perangkat Nuklir -BATAN
183
Risalah wkakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XN, Juli 2003 (183-196)
benda berdimensi dua yang akan dianalisis dibagi menjadi sejumlah elemen. Elementersebut bisa berbentuk segitiga maupun segi empat.
Langkah -langkah penyelesaian dimulai dengan menyelesaikan distribusi suhu.Hasil distribusi suhu akan dipakai sebagai data untuk mencari perubahan ukuran(regangan). Dari regangan dapat dicari distribusi tegangan. Proses penyelesaiandilakukan dengan software Ansys clan software yang telah dikembangkan oleh P2PNBAT AN. Dari penyelesaian dengan software Ansys diharapkan nilai regangan clantegangan dapat diketahui.
TEORI
Distribusi Suhu
Penyelesaian distribusi suhu dengan elemen hingga dilakukan dengan carabenda yang akan dianalisis dibagi -bagi menjadi sejumlah elemen. Model matematikdistribusi suhu dua dimensi, dinyatakan dengan
di mana k = konduktivitas termalt = tebalh = koefisien perpindahan panas konveksi
Q' = sumber panas di dalam bendaTf= suhu fluida.
Penyelesaian akhir untuk distribusi suhu dalam bentuk matrikss dapat dituliskansebagai berikut
(2)Ka=fdi mana K = matrikss kekakuan
a = sebagai fungsi suhu (TJ, Tn)f = beban gaya yang diberikan = 0
Penyelesaian persamaan (2), akan menghasilkan suhu di semua node. Distribusi suhuini akan dipakai untuk menentukan regangan pada analisis stress dengan persamaansebagai berikut
Go = [at:\T aL\T 0] T (3)
di mana /1 T = Perbedaan temperatur = T elemen
a. = Koefisien termal ekspansi
184
Analisis Bimetal dengan Metode Elemen Hingga (Elfrida Saragi, Utaja)
Elemen Hingga untuk Stress
Penyelesaian distribusi stress yang akan diuraikan, menggunakan elemenberbentuk segi tiga atau segi empat dengan fungsi bentuk linear.
Strain nodal displacement matrikss B disajikan dengan persamaan sebagaiberikut
00 m23
0[m21 B=LN= 0
(4)m31
m21
m33
m23
m31
m22 0
0 m32
m32 m22 m33
di mana mij = koefisien fungsi bentuk.
Penyelesaian distribusi stress dengan metode elemen hingga (MEH)memberikan persamaan
K a = f (5)di mana; K = matrikss kekakuan
a = pergeseranf = gaya = f~
Beban gaya akibat strain dapat dituliskan sebagai berikut;IE: = BT D 80 tA (6)
di mana t = tebal platA = luas permukaan elemen.
Elemen matrikss kekakuan sebagai berikut
Ke = BT D B tA (7)
Pergeseran a dapat diperoleh daTi penyelesaian persamaan (6) dan (7) dengan,., ,..
Persamaan (4) clan persamaan (8) dipakai untuk menentukan regangan f, padapersamaan di bawah ini
185
Risalah Lokakarya Komputasi dalam gains clan Teknologi Nuklir XIV, Juli 2003
& = B ae. (9)
Untukplane stress, nilai modulus elastisitas dapat dituliskan sebagai berikut
1 J1
1J1ED=
2I-J1
0 0
di mana E = modulus elastisitas~ = Poisson ratio
Secara umum point stress didefinisikan ke dalam matriks0" = De
di mana
a=[axx O"xy[O"yy
Untuk mendapatkan nilai tegangan (stress) akibat adanya pengaruh suhu clannilai initial stress vector( U 0 ) = 0 dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut
Dua buah material ditempe1kan menjadi satu yang mempunyai muai panjangyang besamya masing -masing a1 clan a2 ada1ah 2,02E-5 clan 1,7E-6 dengan ukuranpanjang sebesar 5 cm , 1ebar sebesar 1 cm clan teba1nya 0.2 cm. Diberikan suhu awa1sebesar 300 C clan dipanaskan sampaikan dengan suhu 1000 C. Hitung1ah pergeseranclan stress akibat adanya pengaruh suhu pada batang tersebut.Jawab: panjang = 5 cm
1ebar = 1 cmteba1 = 0.2 cm.
186
Analisis Bimetal dengan Metode Elernen Hingga (Elfiida Saragi, Utaja)
Model matematik distribusi suhu dua dimensi, dinyatakan dengan ;
Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains clan Teknologi Nuklir XN, Juli 2003
-.19390E-10 .00000 .00000
SYZ SXZ
.12020E-09 .00000
.10195E-09 .00000
-.13499E-09 .00000
-.15228E-09 .00000
.00000
.00000
.00000
.00000
svz SXZ
-.22332E-11 .00000
.57645E-10 .00000
.71821E-10 .00000
.42730E-11 .00000
.00000
.00000
.00000
.00000
SYZ
.15818E-1(
-.35603E-1(
-.36124E-1(
.13576E-1(
.00000.00000.00000
.00000
SYZ SXZ
-.55555E-11 .00000
-.45995E-11 .00000
-.42262E-10 .00000
-.41455E-10 .00000
.00000
.00000
.00000
.00000
82 -.27049E-10 .33318E-10 .00000
ELEMENT= 24 PLANE42
NODE SX SY SZ SXY
3 -.41726E-09 -.23109E-09 .00000
67 -.43643E-09 -.19964E-09 .00000
53 -.33609E-09 .30992E-09 .00000
65 -.27777E-09 .34138E-09 .00000
ELEMENT= 25 PLANE42
NODE SX SY SZ SXY
74 -.27899E-09 -.11905E-09 .00000
56 -.22226E-09 .17463E-10 .00000
78 -.35543E-09 .19270E-10 .00000
29 -.35697E-09 -.12289E-09 .00000
ELEMENT= 26 PLANE42
NODE SX SY SZ SXY
56 -.25208E-09 -.37430E-10 .00000
74 -.22895E-09 .57520E-10 .00000
17 -.24649E-09 .55373E-10 .00000
66 -.27839E-09 -.35457E-10 .00000
ELEMENT= 27 PLANE42
NODE SX SY SZ SXY
78 -.37155E-09 .13873E-09 .00000
56 -.35530E-09 .13892E-09 .00000
55 -.36008E-09 .52531E-10 .00000
61 -.39816E-09 .52718E-10 .00000
ELEMENT= 28 PLANE42
NODE SX SY SZ SXY
67 -.41315E-09 -.32647E-09 .00000
43 -.44918E-09 -.25669E-09 .00000
60 -.47202E-09 .51176E-09 .00000
54 -.38198E-09 .58161E-09 .00000
SYZ SXZ-.44546E-10
.00000-.40790E-10
.00000
.13226E-10 .00000
.19666E-10 .00000
.00000
.00000
.00000
.00000
194
sxz.00000
.00000
.00000
.00000
Analisis Bimetal dengan Metode Elemen Hingga (Elfrida Saragi, Utaja)
KESIMPULAN
2.
3.
4.
Bimetal banyak dipakai pada alat -alat otomatik seperti pada skring, pembatassuhu clan lain- lain.Metode pengukuran suhu yang sangat luas pemakaiannya ialah menggunakanbimetal( dua keping logam yang mempunyai koefisien ekspansi termal yangberbeda yang disatukan). Bila keping logam tersebut dikenai oleh suhu yang lebihtinggi daTi suhu pengikatnya, maka akan terjadi pembengkokan (pergeseran).Untuk masalah di atas, besar tegangan (stress) diperoleh dengan caramendapatkan nilai distribusi suhu terlebih dahulu kemudian diperoleh nilairegangan dengan menggunakan software ANSYS.Software ANSYS dapat dipakai untuk menganalisis
.Tegangan (stress)
.Thermal
.Aliran fluida
.Medan magnet
DAFTARPUSTAKA
FRANK L. STASA, Applied Finite Element Analysis For Engineers, FloridaInstitute of Technology (1985)
2. Structural Analysis Guide, Ansys Release 5.7
3 Saeed Moaveni, Finite Element Analysis, Theory and Application withANSYS, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458 (1983)
4. William Weaver Jr, Paul R. Johnston, Structural dynamics by finite Elements,Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632
195
Risalah Lokakarya Komputasi dalam gains daD Teknologi Nuklir XN. Juli 2003
DISKUSI
R ULIY ANTI PARD EWI
I. Apakah Software Ansys yang dipergunakan pada penelitian itu mempunyaiketerbatasan ukuran matriksnya atau maksimum dapat digunakan untuk matrikukuran berapa?
ELFRIDA SARAGI
I. Untuk software ANSYS 5.4 maximum dapat digunakan untuk menyimpan matriksdengan ukuran 400 X 400 X 400. Maksimum penyimpanan variabel adalah 200variabel.