SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA UNTUK MENGHITUNG TERMAL STRESS PADA BAHAN STRUKTUR YANG TERKOROSI. Elfrida Saragi *

Transkripsi

1 SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA UNTUK MENGHITUNG TERMAL STRESS PADA BAHAN STRUKTUR YANG TERKOROSI Elfrida Saragi * ABSTRAK SIMULASI METODE ELEMEN HINGGA UNTUK MENGHITUNG TERMAL STRESS PADA BAHAN STRUKTUR YANG TERKOROSI. Penelitian dilakukan dengan memodelkan proses timbulnya stress pada lapisan oksida saat didinginkan. Bahan Struktur yang terkorosi yang digunakan adalah Paduan Aluminium. Lapisan oksida tersebut terbentuk pada saat Paduan Aluminium teroksidasi pada temperatur tinggi. Pemodelan dilakukan menggunakan metode elemen hingga yang terkemas dalam paket program ANSYS. Diasumsikan bahwa substrate metal ( Paduan Al ) bersifat ideal-elastic-plastic, sedangkan lapisan oksida bersifat pure elastic. Pengaruh cacat diabaikan sehingga pemodelan tidak memperhitungkan ketergantungan stress pada lapisan oksida terhadap proses pendinginan. Metode Elemen Hingga adalah salah satu metode yang dapat digunakan untuk memperkirakan distribusi residual stress, disamping alat-alat ukur berteknologi tinggi di laboratorium. Tujuan makalah ini adalah mencari pengaruh: variasi ketebalan scale dan substrate, kontur atau relief permukaan substrate dan scale terhadap distribusi dan magnitude thermal stress pada Aluminium yang terkorosi ini. Hasil simulasi model matematik ini diharapkan juga dapat membantu menjelaskan fenomena - fenomena fisis dan / atau hasil pengukuran dilaboratorium. ABSTRACT FINITE ELEMENT METHOD SIMULATION WITH THERMAL STRESS ACCOUNTED TO STRUCTURE MATERIAL CORROSION. Experiments do with modelling process to raise stress from layer oxide at moment cooling. Structure material corrosion to use with aluminum subtracts. The layer oxides was formed to moment oxidation subtract with high temperature. The modelling is done to use Finite Element Method in ANSYS. The assuming that metal substrate property ideal-elastic-plastic and layer oxide property pure elastic. The influence is broken neglected so that modelling wasn t account dependent stress to oxide layer front cooling process. Finite Element Method there are other can use to approximation residual stress distribution, by the side of measure tools high technology at laboratory. This paper was solved to influence variation thick scale, and substrate, surface substrate contour and scale until with distribution and magnitude thermal stress for aluminum corrosion. The result simulation mathematic model that it is to be hope can help to explain phenomena phi sis and/ or results laboratory measured. * Pusat Pengembangan Teknologi Informasi dan Komputasi - BATAN 189

2 PENDAHULUAN Pada penelitian ini bahan struktur (substrate) yang kami pilih adalah Paduan Aluminium (Al). Proses korosi pada permukaan bahan ini dipercepat (accelerated) dengan cara memanaskan bahan tersebut sampai suhu 1200 o C. Ketebalan lapisan korosi (scale), Al 2 O 3 (alumida), bergantung pada lamanya waktu pemanasan. Setelah dicapai ketebalan yang diinginkan bahan struktur yang terkorosi didinginkan secara perlahan sampai temperatur ruang (20 o C). Sebelum proses pendinginan, thermal stress dan strain adalah nol. Pada proses pendinginan sampai stabil pada temperatur ruang akan timbul thermal strain yang secara langsung akan menimbulkan thermal stress yang berbeda pada kedua bahan tersebut. Perbedaan koefisien muai antara subtrate dan lapisan oxida menimbulkan stress yang berbeda. Kedua bahan terikat secara adhesif. Untuk menyederhanakan pemodelan kami asumsikan bahwa beban thermal stress dan strain masih berada pada daerah elastis pada kedua bahan tersebut, dan ikatan adhesi keduanya adalah ikatan ideal yang tidak akan terlepas oleh beban thermal stress dan strain. Metoda elemen hingga yang digunakan untuk mencari distribusi thermal stress. Tujuan makalah ini adalah mencari pengaruh: (i) variasi ketebalan scale dan substrate dan (ii) kontur atau relief permukaan substrate dan scale terhadap distribusi dan magnitude thermal stress pada Aluminium yang terkorosi ini. 1. Skenario variasi ketebalan scale dan substrate 190

3 2. Skenario relief permukaan scale 3. Skenario relief permukaan substrate dan scale Metoda Penyelesaiannya menggunakan fungsi bobot. Memahami teori fungsi bobot residual (Weighted Residual Formulation ) dengan menerapkan metode Galerkin yang digunakan untuk menyelesaiakan distribusi suhu. Dengan menggunakan metode Galerkin Fungsi bobot residual sebagai berikut: N T [ x T x y T y ''' ( kt ) + kt h( T T ) + tq ] dxdy = 0 f (1) 191

4 R = T T ''' [ ( kt ) + kt h( T Ta ) + tq ] dxdy = 0 x x y y (2) di mana: h = Koef perpindahan panas konveksi T = Suhu T f = Suhu Fluida Q = Sumber panas dalam benda R = Residual Agar penyimpangan distribusi suhu terhadap harga sebenarnya sekecil-kecilnya maka R (x,y, T i, T j, T k ) dibuat sekecil mungkin dengan menggunakan metoda GALERKIN. Sehingga persaman 2 dapat ditulis N T R (x,y, T i, T j, T k ) da = 0 (3) Penyelesaian persamaan 2 dengan teori Green Gauss diperoleh: K e a e = f e (4) di mana: K e a e f e = Koefisien kekakuan = Fungsi suhu = Fungsi Beban K e = K e xx + K e yy + K e cv + K e cvb f e = f e cv + f e cvb + f e q + f e Q Dari persamaan 4 maka diperoleh temperature yang akan digunakan untuk menghitung tegangan (stress). Vektor regangan (ε o ) yang dihasilkan dari perubahan temperatur ( T) pada analisis stress dengan persamaan sebagai berikut ; o [ α T T 0] T ε = α (5) di mana ; T = Perbedaan temperatur = T elemen α = Koefisien termal ekspansi T awal 192

5 Beban gaya akibat strain dapat dituliskan sebagai berikut; e T fε = B D ta (6) 0 ε 0 Elemen matriks kekakuan sebagai berikut ; K e = B T D B t A (7) Di mana : B = Strain nodal displacement t = tebal plat A = luas permukaan element a1 a2 1 a = = K f = Pergeseran (8) an e ε = B a = Regangan (9) Untuk plane stress, harga modulus elastisitas dapat dituliskan sebagai berikut; 1 µ 0 E D = µ 1 0 (10) 2 1 µ 1 µ Untuk mendapatkan harga tegangan (stress) akibat adanya pengaruh suhu : σ = D ε ε ) (11) ( o 193

6 Hasil yang diperoleh menggunakan ANSYS 1. Skenario variasi ketebalan scale dan substrate Gambar 1. Countour Element Solution secara geometry kearah sumbu Y ***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** LOAD STEP= 2 SUBSTEP= 10 TIME= LOAD CASE= 0 NODAL RESULTS ARE FOR MATERIAL 2 THE FOLLOWING X,Y,Z VALUES ARE IN ROTATED GLOBAL COORDINATES, WHICH INCLUDE RIGID BODY ROTATION EFFECTS NODE SX SY SZ MINIMUM VALUES NODE VALUE MAXIMUM VALUES NODE VALUE E

7 2. Skenario relief permukaan scale Gambar 2. Stress Von Meisis pada skenario relief permukaan scale ***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** LOAD STEP= 2 SUBSTEP= 10 TIME= LOAD CASE= 0 NODAL RESULTS ARE FOR MATERIAL 2 THE FOLLOWING X,Y,Z VALUES ARE IN ROTATED GLOBAL COORDINATES, WHICH INCLUDE RIGID BODY ROTATION EFFECTS NODE SX SY SZ SXY MINIMUM VALUES NODE VALUE MAXIMUM VALUES NODE VALUE

8 3a. Skenario relief permukaan substrate dan scale Gambar 3a. stress Von Meisis pada skenario relief permukaan substrate dan scale ***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** LOAD STEP= 2 SUBSTEP= 10 TIME= LOAD CASE= 0 NODAL RESULTS ARE FOR MATERIAL 2 THE FOLLOWING X,Y,Z VALUES ARE IN ROTATED GLOBAL COORDINATES, WHICH INCLUDE RIGID BODY ROTATION EFFECTS NODE SX SY SZ SXY MINIMUM VALUES NODE VALUE MAXIMUM VALUES NODE VALUE

9 3b. Skenario relief permukaan substrate dan scale dengan bentuk dibawah ini Gambar 3b. stress Von Meisis.pada skenario relief permukaan substrate dan scale ***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** LOAD STEP= 2 SUBSTEP= 10 TIME= LOAD CASE= 0 NODAL RESULTS ARE FOR MATERIAL 2 THE FOLLOWING X,Y,Z VALUES ARE IN ROTATED GLOBAL COORDINATES, WHICH INCLUDE RIGID BODY ROTATION EFFECTS NODE SX SY SZ SXY MINIMUM VALUES NODE VALUE MAXIMUM VALUES NODE VALUE

10 KESIMPULAN Perbedaan koefisien muai antara subtrate dan lapisan oxida menimbulkan stress yang berbeda. Kedua bahan terikat secara adhesif. Untuk menyederhanakan pemodelan di asumsikan bahwa beban thermal stress dan strain masih berada pada daerah elastis pada kedua bahan tersebut, dan ikatan adhesi keduanya adalah ikatan ideal yang tidak akan terlepas oleh beban thermal stress dan strain. Untuk benda yang berbentuk segi empat stress terbesar terjadi pada pinggiran sebelah kanan antara material 1 dan material 2 sebesar 2572 M.Pa. (gambar 1) Skenario relief permukaan scale besar tegangan (stress) sebesar M.Pa. (gambar 2). Skenario relief permukaan substrate dan scale tegangan (stress ) yang terjadi dilekukan antara material 1 dan 2 yang besarnya bervariasi. Besar tegangan (stress) pada gambar 3a sebesar M.Pa kearah sumbu z (SZ) dan gambar 3b sebesar M.Pa kearah sumbu z (SZ) Hasil pengukuran tegangan (stress) yang berbentuk segi empat pada oxide secara laboratorium sebesar 2800 (± 3000) M Pa Validasi pengukuran secara simulasi mendekati hasil pengukuran secara laboratorium Dari beberapa simulasi diperoleh tegangan yang terjadi tergantung pada ketebalan antara subtrate dan lapisan oxide dan bentuk benda yang di uji. 198

11 DAFTAR PUSTAKA 1. FRANK L STASA, Applied Finite Element Analysis For Engineers, Florida Institute of Technology, Structural Analysis Guide, Ansys Realease Thermal Analysis Guide, Ansys Release SAEED MOAVENI, Finite Element Analysis, Theory and Application with ANSYS, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458, WILLIAM WEAVER JR, PAUL R. JOHNSTON, Structural dynamics by inite Elements, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey