Analisis Finite Element Pada Diving Pool Board

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS FINITE ELEMENT PADA DIVING POOL BOARD

ANGGITA DWI LIESTYOSIWI

1106019804

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

2014

ABSTRAK

Berbagai analisis dan penelitian berbasis Finite Element telah banyak dilakukan untuk mengetahui bagaimana reaksi yang terjadi pada suatu benda atau material yang diberikan gaya luar. Bentuk dan gaya yang terjadi berbeda seiring dengan bentuk gaya yang diberikan. Pada

makalah ini akan dibahas tentang analisis Finite Element sederhana yang dilakukan pada diving pool board. Berbagai permodelan dan penyederhaan dilakukan pada analisa ini. Diving pool

board dimodelkan sebagai elemen cantilever dengan salah satu ujung diberikan tumpuan fix dan ujung lainnya dibebaskan serta diberikan gaya luar. Simulasi yang dilakukan adalah simulasi

statik dengan gaya pada ujung papan dengan tiga analisis, yaitu analisis displacement, regangan, dan tegangan. Dari analisis ini dapat disimpulan terdapat titik tertentu yang memiliki nilai paling

besar yang disebabkan oleh adanya gaya yang bekerja dan tumpuan yang dipakai

ANALISIS FINITE ELEMENT PADA DIVING POOL BOARD | 1

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada ALLAH SWT atas berkat dan rahmat-Nya sehingga kami

dapat menyelesaikan percobaan dan laporan percobaan ini untuk mata kuliah Finite Element dan

Multiphysics yang berjudul “ANALISIS FINITE ELEMENT PADA DIVING POOL BOARD”

dengan maksimal pada tepat waktunya.

Makalah ini berisi tentang hasil percobaan, analisis percobaan dengan Solidworks dan analisis

teoritis tersebut. Makalah ini sangat berguna bagi kami, terutama karena adanya percobaan yang

dilakukan dari ilmu yang sudah kami pelajari selama ini di bangku kuliah. Dan juga pemodelan

yang kami lakukan yang juga aplikasi ilmu di bangku kuliah.

Penyusunan makalah ini tidak lupa atas bantuan orang-orang di sekitar kami. Oleh karena itu

kami ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ahmad Indra Siswantara selaku dosen kami yang telah memberikan

bimbingannya sehingga makalah ini dapat kami selesaikan dengan sebaik-baiknya.

2. Annisaa Yuniasih Suhendar sebagai teman sekelompok dalam pembelajaran Finite

Elemen dan Multiphysics.

3. Teman-teman sekelas yang telah menambah pengetahuan dan berdiskusi via kelas

maupun forum Ahmad Indra Research.

4. Dan segenap pihak yang telah membantu, yang tidak dapat penulis sebutkan satu-

persatu.

Dalam penyusunan makalah ini, penulis menyadari bahwa karya ini masih jauh dari sempurna

baik dari segi isi maupun bentuk. Oleh karena itu penulis tetap mengharapkan kritik dan saran

yang sifatnya membangun dari berbagai pihak demi kesempurnaan makalah ini.

Akhirnya penulis hanya dapat berharap, semoga karya ini dapat bermanfaat bagi segenap

pembacanya.

Anggita Dwi Liestyosiwi


Daftar IsiABSTRAK..................................................................................................................................................1

KATA PENGANTAR.................................................................................................................................2

Bab I Pendahuluan.......................................................................................................................................4

Bab II Tinjauan Pustaka..............................................................................................................................5

Bab III Langkah Percoban...........................................................................................................................7

Bab IV Analisis dan Pembahasan..............................................................................................................14

Bab V Kesimpulan....................................................................................................................................19

Referensi...................................................................................................................................................19


Bab I Pendahuluan1.1. Latar Belakang

Finite Element Analysis merupakan suatu metode untuk memecahkan permasalahan struktur kompleks dalam analisis situasi fisikal. Situasi fisikal yang diteliti adalah bagaimana suatu benda memberikan gaya reaksi terhadap gaya luar yang diberikan berdasarkan karakteristik material dari benda tersebut.

Dalam analisis FEA, ada beberapa istilah elemen yang dipakai, seperti beam, truss, pegas dan sebagainya. Ini dibedakan menurut bagaimana cara ketiga jenis elemen tersebut dalam mentransmisikan gaya luar yang diberikan. Beam adalah elemen yang dapat mentransmisikan dua arah gaya yaitu arah akisal dan dan gaya vertikal, sedangkan truss adalah elemen yang hanya dapat mentransmisikan satu arah gaya, yaitu arah aksial. Pegas merupakan elemen yang hanya mampu menahan tegangan pada arah aksial dan hanya memiliki satu derajat kebebasan, sedangkan pada beam dan truss dapat memili satu sampai dua derajat kebebasan.

Dalam makalah ini akan dibahas tentang analisis FEA sederhana pada diving pool board. Diving pool board atau yang lebih dikenal dengan papan loncat pada kolam renang merupakan salah satu perlengkapan pada kolam renang yang berfungsi untuk memberikan gaya saat seseorang terjun atau melompat ke kolam renang. Dalam analisisnya, diving pool board dapat disederhanakan menjadi elemen cantilever. Cantilever merupakan salah satu elemen beam yang diberikan penahan pada salah satu sisinya dan pada sisi lain dibiarkan bebas.

1.2. Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk :

1. Mengetahui analisis FEA sederhana pada benda atau elemen sederhana2. Mengetahui reaksi yang diberikan elemen tersebut terhadap gaya luar yang diberikan 3. Mengetahui karakteristik dari elemen cantilever

1.3. Batasan Masalah

Dalam melakukan analisis, terdapat beberapa batasan masalah yang tidak dibahas dalam makalah ini, yaitu :

1. Diving pool board disederhanakan menjadi elemen cantilever 2. Jenis pembebanan yang dilakukan adalah pembebanan statik 3. Beban yang diberikan tidak terdistribusi secara merata, melainkan terpusat pada ujung cantilever

yang bebas

1.4. Metode

Metode yang dipakai pada makalah ini adalah studi literatur untuk mencari dimensi dari diving pool board dan metode analisis menggunakan software Solidwork 2011


Bab II Tinjauan Pustaka2.1. Mekanika

Mekanika (Bahasa Latin mechanicus, dari Bahasa Yunani mechanikos) merupakan suatu studi tentang gaya dan reaksinya pada mesin atau benda. Ilmu mekanika ini sangat penting untuk dipelajari khususnya dalam bidang ilmu sains dan teknik. Karena dengan mempelajari mekanika suatu benda, kita dapat memprediksi pergerakan dan reaksi yang diberikan oleh benda tersebut apabila dikenai gaya luar. Prinsip-prinsip mekanika sangat tergantung pada matematika yang teliti. Jadi peranan mate-matika sangat penting dalam mekanika teknik, yang merupakan penerapan prinsip-prinsip meka¬nika pada penyelesaian persoalan praktis Cabang ilmu mekanika dibagi menjadi 2, yaitu

a. Mekanika Statik Mekanika statik membahas kesetimbangan benda dibawah pengaruh gaya. Lebih bersifat mikroskopik

b. Mekanika Dinamik Mekanika dinamis membahas tentang pergerakan benda. Mekanika dinamik dibagi lagi menjadi kinetik dan kinematik

Dalam mekanika, dipelajari beberapa pengertian dasar tentang suatu benda, yaitu tentang situasi fisikal yang terbagi menjadi tiga, yaitu properties (sifat dasar), behavior (perilaku), dan aksi-reaksi

1. Properties Sifat dasar suatu benda dipengaruhi oleh unsur-unsur pembentuknya serta cara pembentukannya. Ini merupakan sifat dasar yang menentukan karakteristik suatu benda saat pengujian. Contoh properties ialah kekuatan, kekakuan, elastisitas, dan sebagainya a. Kekuatan (Strength) merupakan kemampuan suatu material atau benda saat diberikan gaya/tegangan. b. Kekakuan (Stiffness) merupakan kemampuan suatu material untuk menerima deformasi atau perubahan bentuk. c. Elastisitas merupakan kemampuan material untuk kembali ke bentuk asalnya.

2. Behavior Perilaku yang ditunjukan oleh suatu material didasari oleh sifat-sifat dasar yang dimiliki. Behavior yang dimaksud diantaranya adalah displacement, fracture, dan defleksi. Perilaku yang ditunjukkan oleh benda akan berbeda-beda tergantung dengan arah dan besarnya gaya yang diberikan. Pada kasus yang diberikan pada saat kelas berlangsung, terdapat 2 kasus pembebanan, yaitu pembebanan terpusat dan pembebanan merata. Pada pembebanan terpusat, suatu pelat solid ditarik dari dua arah dengan beban tarik terpusat pada tepi pelat. Pembebanan ini akan mengakibatkan pusat terjadinya defleksi berada di tengah pelat. Berbeda dengan kasus 2 yang beban tariknya merata diseluruh tepi pelat. Ini akan mengakibatkan beban tarik merata sehingga dapat disimpulkan bahwa pelat pada kasus 1 akan lebih cepat fracture dibandingkan dengan pelat pada kasus 2 apabila nilai dari beban tarik yang diberikan sama


3. Aksi-reaksi Gaya aksi-reaksi yang diberikan oleh suatu material dikarenakan adanya gaya lain yang diberikan kepada material tersebut. Gaya ini juga didasari oleh karakteristik material tersebut.

2.2. Cantilever

Cantilever konstruksi memungkinkan untukmenggantung struktur tanpa bracing eksternal dimana elemen tersebut harus melawan dengan momen dan tegangan geser.

Struktur umum yang didukung balok pada kedua sisinya

Struktur kantilever dengan menggunakan satu balok untuk menopang

A full moment connection

Cantilevers banyak ditemukan dalam konstruksi , terutama di jembatan kantilever dan balkon. Di jembatan kantilever cantilevers biasanya dibangun sebagai pasangan , dengan masing-masing kantilever digunakan untuk mendukung salah satu ujung bagian tengah . The Forth Bridge diSkotlandia adalah contoh dari sebuah jembatan truss cantilever. Sebuah cantilever dalam tradisional kayu bangunan berbingkai disebut dermaga atau forebay. Di Amerika Serikat bagian selatan tipe gudangbersejarah adalah gudang kantilever konstruksi log

2.3. Diving Pool Board

Diving pool board atau papan loncat kolam renang merupakan salah satu perlengkapan yang biasa dipasang pada kolam renang. Alat ini berfungsi untuk memberikan gaya dorongan saat seseorang akan melompat ke dalam kolam renang.


Bab III Langkah Percoban

Dari studi literatur yang dilakukan, didapatkan dimensi pada diving pool board sebagai berikut :

Dudukan : 20 cm x 20 cm x 30 cm

Plat : 150 cm x 50 cm x 10 cm

Selanjutnya, dilakukan permodelan dengan menggunakan software Solidwork 2011. Langkah pertama adalah membuat part dudukan dan plat diving pool board.

Dudukan diving pool board

1. Open new files pada Solidwork 2011 2. Buat new, dan buat file 3D part 3. Klik sketch, lalu pilih plane yang diinginkan (front plane)4. Buat sketsa dudukan diving pool board dengan menggambar bentuk kotak 20 cm x 30 cm5. Lakukan extrude pada bentuk kotak tersebut selebar 20 cm

6. Klik kanan pada material untuk mengubah jenis material balok tersebut. Klik edit materials dan pilih AISI 1020, lalu klik apply


7. Save part tersebut dengan nama “dudukan diving pool board”

Selanjutnya, melakukan permodelan terhadap plat atau papan diving pool board

1. Open new files pada Solidwork 2011 2. Buat new, dan buat file 3D part 3. Klik sketch, lalu pilih plane yang diinginkan (front plane)4. Buat sketsa papan diving pool board dengan bentuk kotak 50 cm x 10 cm


5. Lalu lakukan extrude selebar 150 cm

6. Klik kanan pada material untuk mengubah jenis material yang dipakai. Ubah material menjadi Balsa Wood

7. Lalu tampilan papan akan berubah seperti gambar dibawah ini


8. Buat kotak ukuran 20 cm x 20 cm sebagai tempat untuk dudukan

9. Save file dengan nama “papan diving pool board”

Kemudian, buat file assembly untuk menggabungkan kedua part tersebut

1. Open new files pada Solidwork 2011 2. Buat new, dan buat file 3D arrangement/assembly 3. Klik insert components dan pilih komponen dudukan diving pool board dan papan diving pool

board 4. Klik pada permukaan yang ingin disatukan pada kedua part, kemudian klik mate. Sesuaikan

tempat dudukan dengan papan sampai benar-benar menyatu. Klik tanda centang pada kanan atas gambar, sehingga didapatkan gambar seperti dibawah ini

Setelah melakukan penggabungan pada kedua part, kita bisa memulai untuk melakukan simualasi FEA dengan beban yang diberikan adalah 100 kg atau 1000 N (dengan estimasi g = 10 m/s2)

1. Untuk memunculkan simulation bar, klik office products bar -> solidworks simulation


2. Klik simulation -> study advisor -> new study -> static -> oke3. Untuk memberikan gaya fix pada alas dudukan diving pool board, maka klik fixture -> fix

geometry, lalu klik permukaan bawah dudukan diving pool board -> oke

Dikarenakan restrain pada benda ini hanya pada alas dudukan diving pool board, setelah ini kita dapat memberikan gaya pada diving pool board, namun sebelumnya harus ditentukan terlebih dahulu sistem koordinat pada ujung papan yang akan diberikan gaya

1. Klik inserts -> reference geometry -> coordinate system2. Berikan koordinat pada ujung papan seperti pada gambar dibawah ini

3. Untuk memberikan beban, klik external loads -> force -> centang pada kotak nonuniform distribution -> berikan nilai -1000 pada kotak equation coefficients Y+. Dan pada force dialog box klik along plane dir 2 -> reverse direction


Dibawah ini merupakan gambar shear gaya-gaya yang diberikan

4. Untuk melihat simulasinya, klik mesh -> create mesh. Mesh yang terjadi adalah

5. Lalu klik run dan akan terlihat hasil dari simulasi yang diberikan, ada tiga hasil yaitu displecement, von-Mises, dan Strain. Hasil simulasi akan dibahas pada bab selanjutnya. Berikut merupakan hasil simulasi Displacement


1000 N

Von-Mises

Strain


Bab IV Analisis dan Pembahasan

Analisis FEA dilakukan bertujuan untuk melihat bagaimana perilaku yang diberikan oleh diving pool board saat ada gaya luar yang diberikan. Dalam analisis ini, diving pool board disederhanakan menyerupai elemen cantilever dengan sebuah beam yang salah satu ujungnya diberikan beban, dan ujung lainnya dibuat fix. Terdapat dua part, yaitu dudukan dan papan diving pool board yang digabungkan. Dudukan diving pool terbuat dari material steel AISI 1020, sedangkan papan terbuat dai kayu balsa. Gaya yang bekerja pada diving pool board diasumsikan sebagai berat manusia saat menaikinya yaitu dengan berat maksimal 100 kg atau 1000 N (dengan g = 10 m/s2). Gaya yang diberikan terpusat pada ujung dari papan. Pada kasus ini hanya terdapat satu restrain yang bersifat fix, yaitu pada alas dari dudukan diving pool board.

4.1. Analisis Mesh

Dari analisis yang dilakukan terlihat bagaimana mesh yang terjadi pada saat gaya bekerja pada ujung papan.

Mesh yang digunakan adalah solid meshdan didapatkan 4 Jacobian Points dan 16609 node. Terlihat distribusi gaya yang terjadi, pada ujung papan sampai ke tengah papan terjadi distribusi gaya yang merata. Namun pada sambungan antara papan dengan dudukan terjadi distribusi gaya yang tidak seragam, ini diakibatkan adanya beda material dan sambungan itu sendiri. Pada bagian sambungan papan dengan


dudukan terlihat adanya regangan yang lebih luas dibandingkan dengan regangan pada bagian lainnya. Dari analisis ini dapat disimpulkan bahwa ujung papan sampai ke tengah papan ikut berdefleksi saat ada gaya yang bekerja, sedangkan pada sambungan tidak terjadi defleksi, melainkan regangan karena adanya restrain fix pada alas dudukan. Berikut merupakan report dari Solidwork 2011 untuk mesh yang terjadi

Mesh Information

Mesh type Solid Mesh

Mesher Used: Curvature based mesh

Jacobian points 4 Points

Maximum element size 36.4718 mm

Minimum element size 36.4718 mm

Mesh Quality High

Remesh failed parts with incompatible mesh

Off

Mesh Information - Details

Total Nodes 16609

Total Elements 9758

Maximum Aspect Ratio 5.4009

% of elements with Aspect Ratio < 3 99.1

% of elements with Aspect Ratio > 10 0

% of distorted elements(Jacobian) 0

Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:02

Computer name: HP-PC

4.2. Analisis Displacement

Selanjutnya pada analisis displacement terlihat beberapa warna yang berbeda dari tiap part diving pool board seperti gambar dibawah ini

Terlihat bahwa displacement terbesar terjadi pada ujung papan karena ujung papan dibiarkan bebas dan diberi gaya searah dengan gaya gravitasi yang terjadi. Sedangkan pada ujung lainnya yang dibiarkan fix,


tidak terjadi displacement yang besar. Displacement terbesar adalah 0.000779068 mm pada ujung papan. Dapat disimpulkan bahwa displacement terbesar terjadi pada posisi yang diberikan gaya luar dan elemen tersebut bergerak searah dengan arah dari gaya

Name Type Min MaxDisplacement1 URES: Resultant

Displacement0 mmNode: 5

0.000779068 mmNode: 4961

Assy-Study 2-Displacement-Displacement1

4.3. Analisis von-Mises

Analisis von-Mises stress dilakukan untuk menunjukkan distribusi tegangan pada diving pool board, hasilnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Terlihat bahwa yang mendapat tegangan terbesar adalah pada permukaan papan, sementara pada bagian tengah papan dan ujung papan yang diberikan restrain fix tidak terjadi tegangan yang besar. Namun, hasil yang berbeda didapatkan pada bagian bawah dari diving pool board ini, seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini


Pada tampak bawah diving pool board terlihat adanya tegangan yang besar pada sambungan dari papan dan dudukan, namun hanya sambungan dudukan dan papan yang menghadap ke arah datangnya gaya yang mendapat tegangan paling besar. Ini dikarenakan pada bagian ini yang menahan berat beban yang diberikan dan beban dari papan itu sendiri, selain itu terdapat sudut yang lancip (sambungan tidak dibuat curve) sehingga mengakibatkan besarnya tegangan yang terpusat pada titik tersebut. Tegangan terbesar yang terjadi adalah 117.069 N/m2. Dapat disimpulkan bahwa tegangan terbesar yang terjadi terdapat pada sambungan dari dudukan dan papan yang sejajar pada arah gaya.

Name Type Min MaxStress1 VON: von Mises Stress 0.0333612 N/m^2

Node: 4945117.069 N/m^2Node: 7239

Assy-Study 2-Stress-Stress1

4.4. Analisis Strain

Analisis selanjutnya yang dilakukan adalah analisis regangan (strain) untuk mengetahui distribusi regangan yang terjadi

Hampir sama dengan hasil tegangan yang terjadi, regangan yang besar ditunjukkan pada warna hijau yang terdapat pada permukaan papan dari ujung papan yang terkena gaya sampai pada bagian papan yang terkena sambungan pada dudukan. Sedangkan jika dilihat dari sisi bawah diving pool board, yang terjadi adalah


Terlihat regangan yang paling besar ditunjukkan pada warna merah yang terjadi pada sambungan dudukan dan papan yang sejajar dengan arah gaya. Ini terjadi karena titik tersebut merupakan titik penyangga utama pada papan dan dudukan. Regangan terbesar yang terjadi adalah 2.77614e-00c8 atau 2,77x10-8. Dapat disimpulkan bahwa regangan terbesar terjadi pada sambungan dudukan dan papan.

Name Type Min MaxStrain1 ESTRN: Equivalent Strain 9.83474e-012

Element: 13432.77614e-00c8 Element: 4524

Assy-Study 2-Strain-Strain1


Bab V Kesimpulan

Dari permodelan dan analisis yang dilakukan, dapat disimpulkan :

1. Analisis FEA dapat diterapkan pada diving pool board dengan penyederhanaan berupa elemen cantilever dengan menggunakan software Solidwork 2011

2. Pada elemen cantilever, salah satu ujungnya diberikan tumpuan fix sementara ujung lainnya dibiarkan bebas atau diberikan gaya

3. c


Referensi

J. Ed Akin Rice University, Houston, Texas. Finite Element Analysis Concepts via SolidWorks

www.academia.edu/4566411/Kantilever

http://air.eng.ui.ac.id/tiki-view_forum_thread.php?comments_parentId=10417&topics_offset=3

catatan kuliah Finite Element Analysis


http://air.eng.ui.ac.id/tiki-view_forum_thread.php?comments_parentId=10417&topics_offset=3

http://www.academia.edu/4566411/Kantilever

Analisis Finite Element Pada Diving Pool Board

Documents

allah swt atas berkat

bapak ahmad indra siswantara

forum ahmad indra research

lupa atas bantuan orang

diving pool board dimodelkan

diving pool board

diving pool board

penulis sebutkan satu