PENGEMBANGAN PROGRAM POSTPROCESSOR UNTUK ANALISIS DISTRIBUSI SUHU PADA KEADAAN TUNAK DUA DIMENSI BERBASIS METODA ELEMEN HINGGA

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN PROGRAM POSTPROCESSOR UNTUK ANALISIS DISTRIBUSI SUHU PADA KEADAAN TUNAK DUA DIMENSI BERBASIS METODA ELEMEN HINGGA Elfrida Saragi *, Nursinta A.W. * ABSTRAK PENGEMBANGAN PROGRAM POSTPROCESSOR UNTUK ANALISIS DISTRIBUSI PADA KEADAAN TUNAK SUHU DUA DIMENSI BERBASIS METODA ELEMEN HINGGA. Analisisi distribusi suhu berbasis metoda elemen hingga (MEH) akan menghasilkan sejumlah besar data yang sukar dinterpretasikan dengan cepat. Makalah ini menguraikan pengembangan program Post- Processor untuk menginterpretasikan data yang dihasilkan analisisis distribusi suhu secara mudah. Program postprocessor akan menampilkan data dalam bentuk kontur dan grafik. Kontur menampilkan dalam bentuk warna. Grafik menampilkan hubungan antara suhu dan posisi. Hasil program berupa perangkat lunak yang dapat menampilkan dan menginterpretasikan hasil secara cepat dan mudah. Program dikembangan dengan Visual Basic. Kata-kata kunci: MEH, Post-Processing, Distribusi suhu, Visual Basic. ABSTRACT THE DEVELOPMENT OF POSTPROCESSOR PROGRAM FOR ANALYSIS OF TEMPERATURE DISTRIBUTION AT STEADY STATE USING TWO DIMENSIONS FINITE ELEMENT METHOD (FEM). The analysis of temperature distribution using finite element method will give the result that is difficult to interpret quickly. By using the postprocessor program algorithm, the interpretation of temperature distribution is much easier. Postprocessor program will presented data in the form of contour and graphic. The Contour is presented in the form of graduation of color, while the graphic show the position of temperature. This program is designed using Visual Basic language Keywords: FEM, Post-Processing, Temperature Distribution, Visual Basic. PENDAHULUAN Latar belakang Untuk mendukung pembangunan Pusat Listrik Tenaga Nuklir maupun fasilitas yang ada di lingkungan BATAN misalnya pada Mesin Berkas Elektron / perpindahan panas pada bahan bakar reaktor Triga Mark II dan sesuai dengan LANDMARK PPIN yaitu salah satunya adalah Pengembangan metoda komputasi, pemodelan,simulasi * Pusat Pengembangan Informatika Nuklir BATAN, frida@batan.go.id 87

2 komputer maka perlu adanya suatu persiapan untuk menganalisis hasil aliran panas dengan cepat. Pecahnya komponen struktur, salah satunya adalah panas (thermal). Sebagai efek langsungnya, temperatur kerja dalam komponen struktur juga berubahubah. Ketiadaan data data komponen struktur yang dipakai pada PLTN seperti sifat material, ukuran, dan beban yang dipakai untuk analisis distribusi suhu maka menggunakan data SAMOP PTAPB BATAN sebagai sampel dan hasil analisis distribusi suhu akan dipakai pada program Postprocessor. Hasil analisis distribusi suhu berupa sederetan data yang besar yang sukar diinterprestasikan dengan cepat maka diperlukan program postprocessor. Program postprocessor merupakan program pembacaan hasil dalam bentuk kontur dan grafik. Kontur menampilkan dalam bentuk warna berdasarkan node dan elemen. Grafik yang dihasilkan menampilkan hubungan antara suhu dan posisi. Program postprocessor adalah salah satu program penyelesaian berbasis metoda elemen hingga. Perangkat lunak berbasis metoda elemen hingga banyak dijual dipasar dengan harga tinggi. Berdasarkan pengalaman yang sebelumnya dan melengkapi program yang telah dilakukan (pengembangan program processor suhu) maka kami mampu melakukan pengembangan program untuk menampilkan dan menginterpretasikan hasil secara cepat dan mudah berbasis metoda elemen hingga. PENYELESAIAN MASALAH Penyelesaian metode elemen hingga (MEH) adalah daerah (benda) yang dianalisisis dibagi bagi menjadi sejumlah elemen (diskritisasi geometri) yang berbentuk segitiga (untuk dua dimensi). Secara garis besar penyelesaian dengan metode elemen hingga melibatkan tiga langkah yaitu: 1. PreProcessor, 2. Processor (solver), 3. Post processing. Gambar 1. Urutan proses pemodelan berbasis Metoda Elemen Hingga Program Post-processor adalah satu bagian dari tiga tahap penyelesaian masalah dengan MEH. Program ini melakukan process pembacaan data dari hasil program processor (solver) dan pembuatan model / gambar geometri. Tahap penyelesaian program ini melibatkan beberapa tahapan yaitu 1. Menggambar elemen dan 88

3 isothermik, 2. Menggambar kontur berdasarkan node dan Elemen, 3. Menggambar grafik. Pada penelitian ini ketiga macam program berbasis elemen segitiga dan dikembangkan sendiri. Software yang dikembangkan masih dibatasi untuk dua dimensi. SPESIFIKASI PROGRAM Cakupan dan tujuan program Metode Elemen Hingga merupakan suatu metoda yang digunakan untuk menyelesaikan persoalan teknik maupun fisika. Salah satu pemakaian metoda ini untuk menyelesaikan persoalan Distribusi suhu. Pada persoalan Distribusi Suhu program ini dibagi menjadi 3 tahap yaitu Pre Processor (untuk penyiapan data), Processor (untuk penyelesaian / solver) dan Post Processor (untuk menginterpretasikan hasil dalam bentuk kontur dan grafik). Program Post-Processor adalah untuk menginterpretasikan data yang dihasilkan analisisis distribusi suhu secara cepat dan mudah. Program postprocessor akan menampilkan data dalam bentuk kontur dan grafik dan penulisan program menggunakan bahasa Visual Basic. STRUKTUR PROGRAM Dari hasil analisis, pada tahapan Post Processor ini yang merupakan program interpretasi hasil, dibagi menjadi 3 bagian yaitu : 1. Kontur suhu berdasarkan Elemen 2. Kontur suhu berdasarkan Node 3. Grafik Suhu STRUKTUR DATA Program ini menerima masukan hasil eksekusi dari program pro-processor suhu yang berisi data hasil yang akan diinterpretasikan. Data-data tersebut berupa Data Jumlah Node, Data Elemen, Data suhu. 1. Data Jumlah Node Data Jumlah Node berisi informasi Jumlah Node dan Jumlah Elemen. Bentuk rancangan fisik dari atribut data Jumlah Node adalah sebagai berikut ; 89

4 Tabel 1 : Data Jumlah Node Nama Atribut Type Data Panjang Jumlah Node Numeric 10 Jumlah Elemen Numeric Data Node Data Node berisi informasi No Node, Koordinat Node berdasarkan sumbu x, y dan z. Bentuk rancangan fisik dari atribut data node adalah sebagai berikut 3. Data Elemen Tabel 2 : Data Node Nama Atribut Type Data Panjang No Node Int 10 Koordinat X Double 30 Koordinat Y Double 30 Data Elemen berisi informasi Nomor Elemen, Node 1, Node 2 dan Node 3. Bentuk rancangan fisik dari atribut data elemen adalah sebagai berikut: Tabel 3. Data lemen Nama Atribut Type Data Panjang IDMaterial Int 5 Nomor Elemen Int 10 Node 1 Int 5 Node 2 Int 5 Node 3 Int 5 4. Data beban suhu Data beban suhu berisi informasi Nomor node Bentuk rancangan fisik dari atribut data beban suhu adalah sebagai berikut Tabel 4 : Data suhu Nama Atribut Type Data Panjang Nomor node Int 10 Beban suhu Double 30 90

5 Gambar 2. Diagram Aktivitas POST SUHU secara umum Tahapan pembuatan program Post-processor seperti gambar 2 adalah sebagai berikut: 1. Pembuatan program pembacaan data data hasil program Processor Untuk Post-processor suhu pembacaan datanya adalah Jumlah node + jumlah Elemen yang mempunyai satu simpul. 2. Pembuatan gambar / model geometri dan dilakukan diskritisasi bidang sesuai dengan data processor 3. Pembuatan program untuk penyiapan layar 4. Pembuatan display kontur seperti pada gambar 2 dengan cara sebagai berikut; NODE Pembacaan data berdasarkan node dari hasil processor yaitu merupakan data suhu berdasarkan node dimana pembacaan datanya adalah Jumlah node + jumlah Elemen Menggambar Elemen Menentukan nilai maksimum dan minimum koordinat node (sub program MAK_MIN) 91

6 Menentukan nilai maksimum dan minimum suhu (sub program Suhu_ MAK_MIN) Menggambar Isothermik yaitu mendefinisikan garis potong (batas) suhu / garis potong (batas) apakah lebih kecil atau lebih besar dari hasil distribusi suhu (sub program garis batas) berdasarkan node. Di mana: Garis Batas Suhu = SuhuMin#+I%*AV_Suhu# SuhuMin# = Suhu minimum dari hasil Processor AV_Suhu# = (suhumax# - SuhuMIN#)/ I% Pemberian warna sesuai dengan garis batas suhu dan berdasarkan harga I% yang telah ditentukan (sub program pewarnaan). Memberikan keterangan warna pada display kontur (Sub program skala_warna) Nilai perbesaran/ Perkecil display kontur ELEMEN Menentukan nilai maksimum dan minimum koordinat node (sub program MAK_MIN) Pembacaan data berdasarkan elemen dari hasil processor Menentukan Nilai maksimum dan minimum. Contoh Program Menentukan Nilai Maksimum Minimum yang disebut program MAX_MIN_Suhu Suhu_MAX_MIN: SuhuMaX# = Suhu#(1): SuhuMin# = Suhu#(1) For j% = 1 To JmlNOD% If SuhuMaX# < Suhu#(j%) Then SuhuMaX# = Suhu#(j%) Else End If If SuhuMin# > Suhu#(j%) Then SuhuMin# = Suhu#(j%) Else End If Next j% ' AV_Suhu# = (SuhuMaX# - SuhuMin#) / 9 Return 92

7 Menentukan Titik Berat koordinat berdasarkan elemen sebagai berikut ; XM# = (XN#(NOD1%) + XN#(NOD2%) + XN#(NOD3%)) / 3 YM# = (YN#(NOD1%) + YN#(NOD2%) + YN#(NOD3%)) / 3 Dimana ; XN# = jarak node kearah sumbu X per-elemen YN# = jarak node kearah sumbu Y per-elemen Pewarnaan berdasarkan titik berat elemen. Pengaturan Tampilan yaitu Memasukkan Nilai Perbesaran / Perkecilan untuk Display Kontur. Langkah akhir dari modul ini adalah menggambarkan kontur distribusi suhu pada elemen. Gambar 3a. Diagram Aktivitas kontur Suhu Berdasarkan node Gambar 3b. Diagram Aktivitas kontur suhu berdasarkan elemen INSTALL SOFTWARE Sebelum melakukan install Software ini, hendaknya terlebih dahulu mempersiapkan komputer atau perangkat keras yang akan digunakan untuk mengoperasikan software Post Processor ini. Pada saat ini komputer telah berkembang dengan pesat, sehingga dipasaran telah banyak komputer dengan spesifikasi yang tinggi. 93

8 Spesifikasi minimal komputer untuk pengembangan program ini adalah : Pentium I ke atas Memory 64 MB Monitor SVGA Hardisk 10 Giga Operating System Windows Visual Basic 6 HASIL DAN PEMBAHASAN Bentuk Tampilan Program Gambar 4. Tampilan program Post_Suhu Program Post_processor ini dikembangkan dengan bahasa Visual Basic berbasis Metoda Elemen Hingga (MEH) dengan bentuk geometri adalah berbentuk empat persegi dengan diskritisasi bidang berbentuk Elemen segitiga dimana data geometri diambil dari data processor seperti pada gambar 5 dibawah ini ( data program diambil dari SAMOP PTAPB BATAN Yogyakarta) 94

9 Gambar 5ª. Baca data geometri Gambar 5b. Bentuk Geometri yang telah dilakukan diskritisasi bidang Pembacaan data untuk Analisis suhu pada Post processor suhu mempunyai satu simpul (satu harga). Pembuatan display kontur pada program post terdapat berapa tahap yang mempunyai sub program yang digunakan untuk memudahkan proses pembuatan display kontur seperti gambar 6. NODE 1. TAHAP NILAI KOORDINAT NODE Sub Program MAK_MIN, untuk menentukan nilai maksimum dan minimum dari koordinat node yang ada 2. TAHAP IDENTIFIKAS BEBAN, ARAH DAN OBYEK a. Sub Program MAK_MIN_ Suhu) untuk menentukan nila i maksimum dan minimum beban b. Sub Program WARNA_ELE, untuk memberi warna area beban suhu. c. Sub Program skala_warna untuk memberi warna pada legend (keterangan gambar) d. Sub Program isothermik, untuk menentukan area batas beban suhu terhadap Node (isothermik), di dalam Sub Program ini terdapat beberapa sub Program lagi yaitu : 95

10 Gambar 6a. Kontur suhu berdasarkan Node i. Sub PIL1, untuk menentukankan titik potong pada elemen jika - Batas Beban < Beban pada Node1(tiap-tiap elemen) - Batas Beban>Beban pada Node2(tiap-tiap elemen) ii. Sub Pil2, untuk menentukan titik potong pada elemen jika - Batas Beban < Beban pada Node1(tiap-tiap elemen) - Batas Beban <Beban pada Node2(tiap-tiap elemen) - Batas Beban >Beban pada Node3(tiap-tiap elemen) iii. Sub Pil3, untuk menentukan titik potong pada elemen jika - Batas Beban > Bebanpada Node1(tiap-tiap elemen) - Batas Beban<Beban pada Node2(tiap-tiap elemen) iv. SubPil4, untuk menentukan titik potong pada elemen jika - Batas Beban > Beban pada Node1(tiap-tiap elemen) - Batas Beban > Beban pada Node2(tiap-tiap elemen) - Batas Beban < Beban pada Node3(tiap-tiap elemen) ELEMEN Pembuatan display kontur elemen yang akan menghasilkan gambar 6b terdapat berapa tahap sebagai berikut: a. Sub Program Max_Min untuk menentukan nilai maksimum minimum sumbu koordinat x,y b. Sub Program Max_Min_suhu untuk menentukan nilai maksimum minimum suhu c. Menentukan titik berat koordinat (elemen) d. Sub Program Pewarnaan 96

11 Gambar 6b. Kontur suhu berdasarkan elemen Pembuatan Grafik: a. Sub Program Max_Min1, untuk membuat sumbu absis grafik Beban b. Sub Program Grafik, untuk membuat grafik beban dari node-node tertentu yang dipilih seperti gambar 7 Gambar 7a. Posisi suhu yang diinginkan untuk gambar grafik 97

12 Gambar 7b. Grafik suhu VS Jarak Node KESIMPULAN 1. Dengan dibuatnya program Post-Processor pemakaian metode elemen hingga (MEH) dapat dilakukan dengan lebih mudah untuk pembacan hasil dalam bentuk grafik maupun display kontur untuk analisis berbagai peristiwa fisik maupun teknik. 2. Pada program analisis suhu baik program processor atau post processor setiap node untuk setiap elemen mempunyai satu simpul (satu harga) UCAPAN TERIMAKASIH 1. Penulis Pertama ingin menyampaikan terimaksih kepada Ir. Utaja dari PRPN,BATAN yang telah banyak membantu penulis dalam penyusunan makalah dan pengembagan Program PostProcessor. 2. Penulis juga menyampaikan terimakasih Kepada Bapak Slamet Santoso PTAPB, BATAN Yogyakarta yang telah banyak membantu dalam hal data data yang diperlukan untuk analisis distribusi suhu. DAFTAR PUSTAKA. 1. KLAUS-JURGEN BATHE, Finite Element Procedures, Prentice Hall international, Inc DAVID JUNG, PIERRE BOUTQUIN, JHON D. CONLEY III, Loren Eidahl, Lowel Mauver, Jack Purdum, Visual Basic 6 SuperBible, Sams Publishing,

13 3. TIRUPATHI R. CHANDRUPATLA, BELEGUNDU ASHOK. D., Introduction To Finite Elements in Engineering, Prentice Hall, New Jersey, FRANK L STASA, Applied Finite Element Analysis For Engineers, Florida Institute of Technology, SAEED MOAVENI, Finite Element Analysis, Theory and Application with ANSYS, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458, DISKUSI GATOT SUHARIYONO 1. Apakah dipertimbangkan factor waktu dalam penyebaran distribusi suhu ini? kalau ada, bentuk grafik atau kontournya bagaimana? 2. Aplikasi post processor pada distribusi suhu untuk apa saja? ELFRIDA SARAGI 1. Faktor waktu untuk keadaan steady state tidak dipertimbangkan karena makalah ini membahas Post Processor untuk suhu steady state (keadaan tunak) 2. Aplikasi Post Processor untuk distribusi suhu pada : - keadaan tunak (steady state) - keadaan transient NURDIN EFFENDI 1. Kenapa bentuknya kok persegi? Pdahal keunggulan finite elemen dari finite different adalah dapat digunakannya finite elemen untuk bentukbentuk yang lebih rumit. 99

14 ELFRIDA SARAGI 1. Karena pengembangan program yang dilakukan saat ini untuk bidang persegi dengan diskritisasi bidang berbentuk elemen segitiga linier. 2. Ya, FEM lebih unggul dari Finite Different (beda hingga) untuk bentukbenyuk yang lebih rumit karena FEM diskritisasi bidangnya bisa dibagi tidak harus sama bentuknya, sedangkan beda hingga harus sama. DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Elfrida Saragi 2. Tempat/Tanggal Lahir : Medan, 1 Juni Instansi : PPIN - BATAN 4. Pekerjaan / Jabatan : Staf Peneliti 5. Riwayat Pendidikan : (setelah SMA sampai sekarang) S1 Jurusan Fisika, FMIPA USU Medan 6. Pengalaman Kerja : Staf Komputasi PPIN, BATAN 7. Publikasi (Makalah): Pendeteksian Air seni dengan intake standar Solusi Analitik dan Numerik, Konduksi Panas pada pembangkit Energi Analisis Bimetal dengan Metode Elemen Hingga Simulasi MEH untuk menghitung thermal stress pada bahan struktur yang terkorosi Model Matematika Untuk Menentukan lama jatuh batang kendali 100