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.