Analisis dan Simulasi Termal dengan Elemen Hingga – SolidWorks Simulation

Thermal Analysis

Ada beberapa jenis perpindahan panas, yaitu: Konduksi, konveksi, dan radiasi. Setiap terjadi perpindahan panas, maka pasti ada perbedaan temperature. Panas berpindah dari temperature tinggi ke temperature yg lebih rendah. Temperatur merupakan besaran scalar, sedangkan heat flux merupakan besaran vector.

Perhitungan termal dapat dilakukan dengan elemen hingga. Besaran-besaran yang dipakai dalam perhitungan stress/gaya dapat dianalogikan ke besaran dan persamaan termal.

Pada simulasi kali ini, kita akan melihat distribusi temperature dan heat flux pada sebuah benda.

1. Pre-processing

Benda tsb memiliki thermal conductivity sebesar 26 W/m C. pada bolongan di tengah, kita anggap dialiri fluida panas dengan suhu 349 C. Pasa sisi kanan dan kiri mengalami konveksi natural ke udara, yang suhu ambien udara sebesar 21 C, dengan koefisien konveksi sebesar 409 W/m2. Pada sisi atas dan bawah, benda ini diisolasi.

Geometri benda: 

Pada simulasi ini kita akan menggunakan simulasi 2D, dengan surface plane. jadi setelah melakukan sketching di SolidWorks, sketch tersebut diubah menjadi planar surfaces. Benda ini kita berikan ketebalan sebesar 100 mm.

Kondisi batas dan meshing pada benda.

Pada kontur distribusi temperature di atas, dapat kita lihat bahwa gardien suhu pada sumber panas ke benda cukup rapat, penurunan temperatur sebesar lebih dari 100 K terjadi pada jarak kurang dari 1 inchi. Pada analisis thermal stress di bagian selanjutnya, kita dapat melihat bagaimana efek delta temperature yang amat besar ini terhadap sifat material. Temperatur pada sisi atas dan bawah yang diisolasi (yang berarti tidak ada rambatan panas keluar, heat flux=0) lebih besar sekitar 100 K daripada sisi yang bersentuhan dengan udara, mengapa hal tersebut terjadi? Jawabannya dapat dilihat pada kontur heat flux yang akan dibahas selanjutnya. Plot temperature pada sisi bawah dari kiri ke kanan dapat dilihat pada grafik di bawah:

Sebagaimana yg telah disebutkan di awal, bahwa temperature merupakan besaran scalar, dan heatflux merupakan besaran vector, maka kita dapat melihat kontur distribusi vector dari heat flux yg ditunjukkan pada gambar di bawah ini

Heat flux berasal dari sumber panas yang kemudian mengalir ke sekitarnya. Pada sisi yang diisolasi(atas dan bawah), tidak ada heat flux yang mengalir ke arah sana, karena memang pada permukaan yg diisolasi tidak terjadi rambatan panas di permukaannya. Arah vector heat flux terhadap sisi yg diisolasi mengarah pada garis yang sejajar. Oleh karena itu, temperature pada sisi yang diisolasi lebih besar hingga 100 K disbanding dengan sisi yg tidak diisolasi. Karena rambatan panas mengalir menuju sisi bebas yg bersentuhan langsung dengan udara. Bila dianalogikan dengan aliran fluida, maka dapat disamakan dengan debit fluida yang mengalir. Pada sisi sumber panas merupakan inletnya, sedangkan sisi isolasi ialah wall/dinding, dan sisi yg terbuka dengan udara merupakan outletnya.

Thermal Stress Analysis

Distribusi temperature yang tidak merata pada sebuah komponen dapat menyebabkan defleksi dan tekanan dalam part tsb. Beban yang diterima komponen dikarenakan adanya perbedaan suhu dapat disebut thermal loads. Pada software-software FEA, hasil/output simulasi pada analisis termal dapat dipakai sebagai input simulasi stress/pembebanan static.

Berikut merupakan hasil stress analysis dengan input data dari thermal analysis yang telah kita lakukan di awal tadi. Pada simulasi ini, fixture diletakkan pada dua sudut bawah benda. Sisi pertama berupa pin (Fx dan Fy), dan sisi lainnya berupa roller(Fy).

Dapat dilihat dari kontur von misses stress, dengan material aisi 1020, material mengalami cracking akibat perbedaan suhu yang signifikan. Nilai stress maksimal mencapai 633.6 MPa, hampir dua kali lipat dari allowable stress. pada setiap sudut benda mengalami stress yang paling kecil. Sedangkan pada setiap sisi benda(kubik) juga mengalami stress yang cukup besar, yaitu 260 Mpa. Hal ini dikarenakan pada sisi-sisi tersebut mengalami rate displacement yang besar akibat pemuaian.

Grafik distribusi stress pada sisi kanan/kiri benda:

Pada kontur resultan displacement di bawah, displacement terjadi akibat pemuaian dari material benda (AISI 1020) akibat perubahan temperatur. Displacement terbesar terjadi pada ujung kanan atas dari benda, karena fixture Fx berada pada sisi kiri bawah, oleh karena itu displacement bergerak ke arah kanan.

Strain merupakan rate/laju perubahan displacement. Jika pada kontur displacement kita melihat nilai terbesar pada ujung kanan atas, maka pada kontur strain ini kita dapat melihat lebih jelas arah displacement yang terjadi akibat pemuaian. Dapat dilihat, strain terbesar terjadi di sekitar sumber panas, yang kemudian menyebar ke empat sisi benda. Kontur strain yg ditunjukkan pada SolidWorks Simulation di bawah terlihat tidak smooth, dan ada sedikit ketidak simetrisan pada nilai strainnya. Hal ini disebabkan bentuk meshing yang memang masih coarse/kasar.

Kesimpulan

Analisis di atas mempresentasikan sudut pandang akademik secara sederhana. Simulasi ini menunjukkan parameter yang berpengaruh pada perubahan bentuk dan kekuatan material yang terjadi akibat pengaruh termal. Juga menunjukkan contoh bagaimana analisis elemen hinggadigunakan sebagai tool untuk menghitung sebuah proses mekanikal. Lebih jauh lagi, jika ditinjau dari sisi desain menjadi produk jadi, maka simulasi ini dapat mempersingkat waktu analisis. Simulasi juga tentunya membantu desainer untuk menemukan defect/cacat yang terjadi pada geometri desainnya.