1
BAB I
PENDAHULUAN
1.A Latar Belakang
Dalam industri manufaktur, ilmu mekanika digunakan untuk merancang
bangun-bangun dengan bentuk dan karakteristik yang ditentukan oleh material
dan dimensi, sehingga dapat difungsikan dalam suatu pekerjaan. Perancangan ini
melibatkan analisa sifat-sifat mekanik, yang menyatakan kemampuan suatu
material untuk berinteraksi dengan beban berupa berat dan gaya tanpa
menimbulkan kerusakan ( failure ) pada bangun, atau komponen tersebut. Jika
suatu resiko dapat diketahui, maka dapat diambil tindakan untuk meminimalisir
hingga menghindari ressiko tersebut pada perancangan.
Computer Aided Engineering merupakan penerapan algoritma dan
logika sistem komputer yang digunakan untuk menghitung hingga menganalisa
sebuah bangun, dalam hal ini disebut model 3D, ditampilkan pada sebuah
simulasi yang bersinggungan dengan disiplin ilmu, diantaranya adalah mekanika,
sehingga dapat diketahui kecendrungan-kecendrungan yang terjadi pada model
tersebut ketika diberikan aksi berupa gaya atau pembebanan. Kecendrungan yang
terjadi, dihubungkan dengan sifat-sifat mekanika diantaranya adalah stress,
selanjutnya diatur oleh parameter-parameter dimensional dan kekuatan bahan
yang diberlakukan pada model.
Dengan simulasi ini, setidaknya dapat diketahui kebiasaan ( behavior )
dari sebuah model, kemudian mengurangi resikonya dengan optimasi dimensi
hingga perubahan desain, sehingga didapatkan model desain yang dapat
berfungsi sebagaimana mestinya ( desired performance ), sebelum prototype
dibuat. Dengan kata lain, simulasi CAE mengurangi tahapan perancangan berupa
simulasi nyata dari model, atau pengujian prototype yang cendrung memakan
waktu yang lama dan biaya yang cukup besar, berkenaan dengan pembuatan
model yang belum diketahui pasti sifat-sifatnya.
2
Dalam praktikum ini digunakan software Pro/ENGINEER yang berbasis
gambar 3D modeling. Fitur CAE Pro-E, yang berbasis Finite Element Analysis,
digunakan untuk menganalisa stress yang terjadi pada sebuah model, berupa titik
kritis dan seberapa tegangan dan regangan yang terjadi yang ditampilkan dalam
sebuah simulasi gerakan pembebanan dan grafik regangan-jarak atau tegangan-
jarak.
1.B Batasan Masalah
Pembahasan dibatasi untuk proses analisa stress pada model. Proses
pembuatan model tidak terlalu dibahas detail seperti pada praktikum CAD
1.C Maksud dan Tujuan
Laporan ini dibuat untuk memenuhi persyaratan kelulusan praktikum
CAE pada semester kedua perkuliahan regular khusus.
1.D Manfaat.
Pada laporan ini dijabarkan beberapa teoritis pengantar tentang proses
analisa menggunakan sistem komputer. Laporan ini juga dapat dijadikan sebagai
pedoman dalam mempelajari proses analisa CAE pada software Pro Engineering
versi 4.0.
1.E Sistematika Penulisan
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1.2 Perumusan Masalah
1.3 Batasan Masalah
1.4 Tujuan
1.5 Manfaat
1.6 Sistematika Penulisan
BAB II DASAR TEORI
3
2.1 Komputer dalam manufaktur
2.2 Mekanika
2.3 Analisa Stress
2.4 Analisa Kesetimbangan
2.5 Simulasi Finite Element Analysis
2.6 Software Pro Eng/Mechanica
BAB III ANALISIS PRAKTIKUM
3.1 Analisis Braket
3.2 Analisis Idealisasi Beam
BAB IV ANALISIS UJIAN PRAKTIKUM
4.1 Analisis Soal UTS
4.2
4.3
Analisis Soal UAS 1
Analisis Soal UAS 2
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
4
BAB II
TEORI DASAR
2.A Analisa Tegangan
Analisa stress, merupakan disiplin teknik, yang menentukan tegangan dan
regangan pada material dan struktur pada pembebanan statis dan dinamis. Analisa
ini dibutuhkan dalam mempelajari dan merancang sebuah bangun berkenaan
dengan beban dan defleksi tertentu yang diperkirakan akan terjadi selama bangun
difungsikan.
Tujuan dari analisa adalah menentukan apakah elemen atau sekumpulan
elemen, yang bisasanya berupa struktur, bekerja, atau memiliki kebiasaan (
behave ) sebagai mana yang diharapkan dibawah beban yang ditentukan. Sebagai
contoh, gaya yang diberlakukan pada bangun menyebabkan tegangan yang
berada dibawah nilai kekuatan tegangan material, atau kelelahan dari material,
sehingga material dapat diperhitungkan aman untuk digunakan.
Analisa stress menggunakan persamaan konstitusif seperti Hukum Hooke
untuk elastisitas linear untuk mendapatkan hubungan tegangan-regangan pada
perhitungan. Selanjutnya dilakukan analisa pada nilai batas berdasarkan pada
teori elastisitas, dimana struktur diharapkan untuk terdeformasi elastis pada
beban yang dirancang.
Pendekatan penyelesaian dari analisa diatas dapat dilakukan dengan
metoda numerikal seperti finite element method, finite difference method, dan
boundary element method yang dilakukan oleh program komputer. Parameter
yang dibutuhkan dalam analisa ini adalah dimensi geometris, hubungan
konstitusif dan keadaan permukaan.
Analisa stress dapat disederhanakan pada keadaan dimana dimensi fisika
dan kondisi beban dapat diasumsikan dalam 2 dimensi.
5
2.B Analsisa Kesetimbangan
Kondisi kesetimbangan berlaku dengan persyaratan resultan semua gaya
dan momen yang terjadi pada struktur adalah nol. Dengan kondisi tersebut,
struktur tidak akan bergerak atau berpindah, dikarenakan tidak ada nilai aksi yang
berlaku.
∑� = 0
Gambar 2.1 Analisa Kesetimbangan
Gambar di atas merupakan salah satu permasalahan yang berhubungan
dengan kesetimbangan, dengan mengasumsikan resultan yang terjadi pada titik
tumpu ( A dan B ) adalah nol, maka gaya yang terjadi pada tumpuan tersebut
dapat diketahui. Nilai gaya tersebut kemudian digunakan untuk menentukan
tegangan yang terjadi di sepanjang batang ( beam ).
� =�
�
Dimana tegangan merupakan gaya F untuk setiap luas bidang penampang
tumpuan a ( N/mm2 ).
2.C Komputer Dalam Manufaktur
CAD (Computer Aided Design) pada bagian ini model-model dibuat
dalam bentuk 3D dengan tools yang telah disediakan dan dari gambar 3D tersebut
dapat dibuat gambar teknik lengkap dengan Bill Of Material-nya. Dari bentuk-
6
bentuk model yang telah dibuat dapat dirakit menjadi sebuah model assembly.
Perakitan (assembly) pada bagian ini bersifat tetap (tanpa pergerakan).
CAE (Computer Aided Engineering) pada bagian ini model-model yang
telah dibuat dianalisis pada bagian untuk melihat kekuatan struktur dan simulasi
thermalnya. Dari hasil analisis yang diperoleh dapat dibuat beberapa bentuk baru
yang lebih optimal.
CAM (Computer Aided Manufacturing) pada bagian ini simulasi proses
manufactur dilakukan pada bagian ini. Model-model dapat langsung diproduksi
pada mesin-mesin CNC yang compatible dengan software ini.
Dengan aplikasi CAE maka bisa dilihat perilaku suatu komponen ketika
mendapat gaya, pembebanan, perlakuan panas, dll. Dengan CAM bisa dilihat
gerakan pahat yang harus dilakukan untuk membentuk komponen tersebut pada
mesin produksi. Selanjutnya lintasan pahat tersebut bisa digunakan untuk
membuat kode G dan kode M yang dipakai pada mesin CNC. Dengan
kemampuan seperti itu maka Pro/ENGINEER banyak dipakai oleh perusahaan
rekayasa dan manufaktur. Pada praktek di semester kedua ini kita belajar
mengenai validasi rancangan dengan menggunakan mekanika, menyederhanakan
rancangan dengan menggunakan idealisasi, mengoptimalkan model untuk
analisis, konstrains, beban.
2.D Simulasi Finite Element Analysis
Simulasi adalah suatu proses peniruan dari sesuatu yang nyata beserta
keadaan sekelilingnya (state of affairs). Aksi melakukan simulasi ini secara
umum menggambarkan sifat-sifat karakteristik kunci dari kelakuan sistem fisik
atau sistem yang abstrak tertentu. ( Wikipedia)
Finite Element Analysis merupakan metoda numerikal yang digunakan
untuk menemukan solusi pendekatan pada persamaan turunan parsial dan
sistemnya, seperti persamaan integral. sederhananya, FEA merupakan metoda
yang membagi-bagi permasalahan rumit kedalam elemen-elemen kecil sehingga
dapat diselesaikan dengan hubungan-hubungan satu sama lainnya.
7
2.E Software Pro/Engineer : Mechanica
Mechanica merupakan fitur pada software Pro-E, yang memiliki fungsi
CAE. Dalam menganalisa tegangan, Mechanica membutuhkan sedikitnya 3
parameter utama untuk mensimulasikan analisa. Parameter-parameter tersebut
adalah :
o Material dan Material Assignment
Gambar 2.1 Shortcut material
Dari fitur ini, dapat ditentukan kebiasaan atau sifat mekanik dari material,
seperti nilai regangan yang terjadi ketika dipengaruhi oleh sebuah gaya.
o Force/Moment Load
Fitur ini menentukan pembebanan gaya yang diaplikasikan pada model
rancangan.
Gambar 2.2 shortcut Icon Force/Moment Load
o Displacement constraint
Fitur ini memberikan referensi berupa tumpuan kepada model, dengan
ditentukannya constraint, maka pergerakan model akibat gaya dapat didasarkan
dan disimulasikan.
Gambar 2.3 shortcut Icon Displacement Constraint
Material Material Assignment
8
BAB III
LANGKAH-LANGKAH LATIHAN PRAKTIKUM
3.A Latihan 1 Membuat Braket
Pada praktikum ini, analisa dilakukan pada sebuah model bracket yang
pembebanan bearing pada 2 lubang. Pengamatan dilakukan pada keadaan bracket
yang diberikan bebam pada 2 lubang tersebut, berupa stress yang terjadi pada
model dan tegangan yang terjadi pada permukaan lubang.
Gambar 3.1 Bracket
1. aktifkan Mechanica Strukture ( Application ���� Mechanica )
2. pilih material � material Assign � ok
Gambar 3.2 Tahapan material assignment
9
3. Menambahkan constraint ( pilih menu displacement constraint �
reference edge/curve )
Gambar 3.3 tahapan Constraint
4. pilih menu bearing Load � reference kan pada surface hole atas dengan
force seperti gambar di bawah
Gambar 3.4 Tahapan pemberian beban
10
5. pilih menu "mechanical analyses"
Gambar 3.5 Mechanical Analisys
3.B Latihan 2 Menerapkan Massa, Pegas, dan Idealisasi beam
Pada praktikum ini, dilakukan idealisasi, mengkondisikan model berupa
sketch kedalam sebuah struktur yang standar, untuk kemudian dianalisa. Dengan
proses ini, pemodelan dapat dilakukan dengan lebih sederhana seperti
menggambar sebuah diagram benda bebas ( free body diagram ).
1. buka pro/engineer, atur direktori kerja
2. pilih new � part � beri nama part � pilih satuan yang dipakai (mmNs)
3. pilih datum front untuk mulai membuat sketch
4. buat sketch seperti pada gambar � buat titik datum seperti pada gambar
(untuk constraint dan spring)
Gambar 3.6 Structure Sketch
11
5. Aktifkan Mechanica Struckture ( Application ���� Mechanica )
6. Pilih insert � beam � kemudian isi beam dan set beam
section hollow circle dan masukkan diameter beam seperti gambar di
bawah.
Gambar 3.7 Proses idealisasi
Simbol idealisasi
hollow circle
12
7. Pilih material � material Assign � ok
8. Menambahkan constraint ( pilih menu displacement constraint � reference
edge/curve )
Gambar 3.8 Penentuan Constraint
9. Pilih insert > spring dan masukkan nilai spring seperti gambar di bawah
Gambar 3.9 Pengkondisian spring
13
10. Tambahkan beban pada beam dengan mengklik "force/moment Load"
Gambar 3.10 Penentuan beban
11. Pilih "mechanica analyses/studies"
Gambar 3.11 Analisa
12. Pilih menu graph pada result dan akan menampilkan grafik dimana
beban yang paling besar pada beam tersebut
Gambar 3.12 Grafik analisa
14
BAB IV
LANGKAH-LANGKAH SOAL UJIAN PRAKTEK
4.A Soal UTS
a. Klik file, new, tulis nama file, dan uncheck “use default templete” lalu klik
ok. Kemudian pilih mmns_part_solid dan klik ok.
b. Pilih bidang datum front sebagai bidang sketch dan bidang datum right
sebagai bidang referensi atas. Klik sketch
c. Buat sketch seperti pada gambar dibawah
Gambar 4.1. Sketsa
d. Tambahkan bidang referensi1 dengan jarak 100 dari sumbu utama
Gambar 4.2. Bidang referensi 1
15
e. Tambahkan bidang referensi 2 dengan jarak 200 dari bidang referensi 1
Gambar 4.3. Bidang referensi 2
f. Tambahkan titik referensi pada pusat bidang referensi 1 dan 2
Gambar 4.4. Titik PNT0 referensi 1
16
Gambar 4.5. Titik PNT1 referensi 2
f. Aktifkan Mechanica Structure dengan mengklik Application > Mechanica
g. Konfirmasi system satuan dan klik continue.
Gambar 4.6. mechanica
17
h. Pilih structure dari menu mechanica
Gambar 4.7. Setting mechanica
i. Klik Materials > pilih material STEEL > ok sebagai properti
material.
Gambar 4.8. Setting mechanica
18
Klik Materials assignment > pilih STEEL > ok
Gambar 4.9. Material Assigment
f. Pilih displacement constraint > Point > beri constraint pada kedua
ujung batang besi.
Gambar 4.10. Pemberian displacement constraint
19
f. Berikan gaya / beban pada PNT0 & PNT1. Pilih force/moment load
> points > input force PNT0 : Y = -500kg * 9.81 (gravitasi).
Kemudian input force PNT1 : Y = -300kg * 9.81 (gravitasi).
Gambar 4.11. Pemberian beban PNT0
Gambar 4.12. Pemberian beban PNT1
20
g. pilih Beam Section > type Hollow Circle> input R = 10 , Ri = 5
Gambar 4.13. Definisi potongan
h. Klik mechanica analyses/studies
Buat analisis statis baru dengan meng-klik File > new static
Beri nama dengan Beam_analisis kemudian klik NO_1 sebagai
constraint.
Klik No_1 sebagai load set. Lihat gambar dibawah ini.
21
Gambar 4.14 Konfigurasi Analisa
i. Setelah itu, Klik Run (Green Flag) > Run complete > Closed
j. Klik Mechanica result > Result window definition > Displays option
> animate frame 8 > OK and Show. maka akan terlihat hasil dari
analisa.
Gambar 4.15 Analisa soal UTS
22
k. Untuk menampilkan grafik, ganti strings dengan graph
Gambar 4.16. Pemilihan Grafik analisa
Gambar 4.16. Grafik analisa
4.B Prosedur Analisa Batang Besi (Soal no. 1) UAS
Sebuah batang besi ditopang 2 penyangga dan diberi 2 beban seperti
gambar dibawah ini. Hitung berapa beban yang diterima penyangga A dan B
menggunakan software pro Engineering jika batang besi dibawah ini dengan
penampang hollow rect (d =8 mm, di = 4mm, b = 12mm, bi = 8mm).
23
Gambar 4.17 Soal UAS no 1
- Hitung beban yang diterima penyangga A dan B secara matematis
- Bandingkan hasil analisa software dengan hitungan matematis
Soal berikut bertujuan untuk menganalisa tegangan yang terjadi akibat
pembebanan, dengan aplikasi prinsip2 kesetimbangan benda tegar.
Langkah-langkah penyelesaiannya sebagai berikut :
4.B.1 Analisa Batang Besi dengan pro Engineering
a. Klik file, new, tulis nama file, dan uncheck “use default templete” lalu klik
ok. Kemudian pilih mmns_part_solid dan klik ok.
b. Pilih bidang datum front sebagai bidang sketch dan bidang datum right
sebagai bidang referensi atas. Klik sketch
c. Buat sketch seperti pada gambar dibawah
.
Gambar 4.18 Sketch soal no 1
d. Buat titik datum PNT0 > klik datum point , beri jarak 150mm.
Buat titik datum PNT1 seperti pada gambar di bawah dengan jarak 200mm.
24
Gambar 4.19 penentuan datum
l. Aktifkan Mechanica Structure dengan mengklik Application >
Mechanica
m. Konfirmasi system satuan dan klik continue.
n. Pilih structure dari menu mechanica
o. Klik Materials > pilih material STEEL > ok sebagai properti
material.
p. Klik Materials assignment > pilih STEEL > ok
Gambar 4.20 Datum
25
q. Pilih displacement constraint > Point > beri constraint pada
kedua ujung batang besi.
r. Berikan gaya / beban pada PNT0 & PNT1. Pilih force/moment
load > points > input force PNT0 : Y = -250kg * 9.81 (gravitasi).
Kemudian input force PNT1 : Y = -150kg * 9.81 (gravitasi).
Gambar 4.21 masukan beban
s. untuk penampang batang besi, pilih Beam Section > type Hollow
Rect > input data b = 12, d = 8, bi = 8, di = 4 > klik OK
Gmbar 4.22 Idealisasi Hollow Rect
t. Klik mechanica analyses/studies
u. Buat analisis statis baru dengan meng-klik File > new static
26
v. Beri nama dengan Beam_analisis kemudian klik NO_1 sebagai
constraint.
w. Klik No_1 sebagai load set. Lihat gambar dibawah ini.
Gambar 4.23 Konfigurasi Analisa
x. Setelah itu, Klik Run (Green Flag) > Run complete > Closed
y. Klik Mechanica result > Result window definition > Displays
option > animate frame 8 > OK and Show. maka akan terlihat hasil dari analisa.
Gambar 4.24 Analisa soal No 1
27
4.A.2 Perhitungan beban yang diterima penyangga A dan B secara
matematis.
Gambar 4.25 Free body diagram
ΣMA = 0
- FB . 450 + F2 . 350 + F1 . 150 = 0
- FB . 450 + 1471,5 . 350 + 2452,5 . 150 = 0
- FB . 450 + 515025 + 367875 = 0
- FB . 450 = - 882900
FB = 1962 N
ΣMB = 0
FA . 450 – F1 . 300 - F2 . 100 = 0
FA . 450 - 2452,5 . 300 - 1471,5 . 100 = 0
FA . 450 - 735750 - 14715 = 0
FA . 450 = 88290
FA = 1962 N
Kesimpulan :
F1 = 250 kg = 2452.5 N
F2 = 150 kg = 1471.5 N
28
Pada software pro Engineering didapatkan hasil 1.61 x 103
N, sedangkan
hasil perhitungan matematis 1.962 x 103
N. perbedaan ini dikarenakan adanya
perbedaan penampang dimensi batang besi.
4.C Prosedur Analisa Kekuatan Papan Renang Loncat Indah (Soal no. 2)
a. Klik file, new, tulis nama file, dan uncheck “use default templete”
lalu klik ok. Kemudian pilih mmns_part_solid dan klik ok.
b. Pilih bidang datum front sebagai bidang sketch dan right sebagai
bidang referensi atas. Klik sketch. Dan buat sketch seperti dibawah ini. Kemudian
extrude sepanjang 20mm
Gambar 4.26 Model Soal no 2
c. Aktifkan Mechanica Structure dengan mengklik Application >
Mechanica
d. Konfirmasi system satuan dan klik continue.
e. Pilih structure dari menu mechanic
f. Klik Materials > pilih material STEEL > ok sebagai properti
material.
g. Klik Materials assignment > pilih STEEL > ok
h. Pilih Displacement constraint > Surface > constraint pada area
yang bewarna merah.
29
Gambar 4.27 Constraint No 2
i. Berikan gaya / beban pada PNT0 & PNT1. Pilih force/moment load
> points > input force PNT0 : Y = 160kg * 9.81 (gravitasi).
Gambar 4.28 Penentuan Load no 2
z. Klik mechanica analyses/studies
aa. Buat analisis statis baru dengan meng-klik File > new static
bb. Beri nama dengan Load_analisis kemudian klik NO_2 sebagai
constrain.
cc. Klik NO_2 sebagai load set.
dd. Setelah itu, Klik Run (Green Flag) > Run complete > Closed
ee. Klik Mechanica result > Result window definition > Displays
option > animate frame 8 > OK and Show. maka akan terlihat hasil dari analisa.
30
Gambar 4.29 Simulasi Soal No 2
Warna merah menunjukkan bagian papan loncat indah yang
menerima beban paling besar.
31
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Simulasi analisa stress membuat proses desain menjadi lebih efisien dan
efektif, ketika resiko dari sebuah desain dapat diketahui tanpa harus
melakukan simulasi pada prototype seperti non destructive test yang
berulang-ulang.
2. Simulasi mekanika kekuatan material memberikan gambaran tentang
distribusi nilai stress terhadap suatu rancangan produk. Sehingga akan
menjadi bahan pertimbangan dalam perancangan design.
5.2 Saran
1. Akan sangat bermanfaat jika praktikum didahului dengan penambahan
wawasan seperti bagaimana proses analisa FEA dilakukan, sehingga
ketika sebuah proses simulasi terdapat error, user dapat menganalisa
sendiri untuk memperbaikinya.
2. Diharapkan latihan-latihan dalam modul di orientasikan seperti kasus
perancangan design dalam dunia kerja sehingga mahasiswa lebih
memahami tentang FEM (Finite Element Method) analysis.