02
Sep

Simulasi Material Hiperelastik Rubber Fender Menggunakan Ansys Mechanical

Penulis: Yohanes Untarsa – CAE Engineer Intern di PT Optimaxx Prima Teknik (Juli, 2021)

Pendahuluan

Material hiperelastik adalah jenis material yang tetap memiliki sifat elastik pada deformasi yang besar. Material hiperelastik secara umum memiliki sifat isotropik dan non-linear. Beberapa contoh dari material hiperelastik adalah karet, elastomer, dan polimer lainnya yang juga bersifat fleksibel. Penggunaan material hiperelastik umumnya pada benda yang mengalami deformasi atau perubahan bentuk yang besar, seperti karet gelang, bantalan rel kereta, selang, ban kendaraan, ban renang, fender, dan lain-lain.

Dalam artikel ini, akan dijelaskan simulasi sederhana material hiperelastik menggunakan Ansys Mechanical. Benda yang akan digunakan dalam simulasi material hiperelastik adalah dock fenderDock fender adalah bantalan yang dipasang di dinding pelabuhan untuk mencegah kapal dari benturan dengan pelabuhan. Dock fender memiliki banyak bentuk, seperti silindris, konikal, penampang huruf A, D, M, V, dan lain-lain. Pada artikel ini akan digunakan Dock Fender dengan penampang huruf D yang umum disebut D Fender.

Permodelan Material Hiperelastik

Material elastik pada umumnya memiliki hubungan tegangan dan regangan yang linear, tetapi sifat ini tidak berlaku pada material hiperelastik. Hubungan tegangan dan regangan pada material hiperelastik dimodelkan menggunakan strain energy density function. Fungsi ini memungkinkan untuk memodelkan hubungan tegangan dan regangan yang akurat hingga regangan mencapai 700% sesuai dengan model yang digunakan. Ada beberapa model yang sudah dikembangkan, seperti Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, Yeoh, Arruda-Boyce, Ogden, dan model lainnya.Dalam artikel ini akan digunakan 3 model material hiperelastik dalam simulasi D Fender pada Ansys Mechanical, yaitu Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, dan Yeoh.

Gambar 1 D Fender

Pre-Processing

Pertama, akan disiapkan model D Fender dengan membuat penampang huruf D dan melakukan ekstrusi hingga menjadi bentuk 3 dimensi dengan ukuran sesuai spesifikasi D Fender yang ada di pasaran. Juga akan diberikan lubang pada model D Fender yang sudah dibuat dengan ukuran sesuai spesifikasi sebagai lubang untuk instalasi. Berikut adalah model D Fender yang akan digunakan untuk simulasi.

Gambar 2 dan Gambar 3 Pandangan D Fender

Kemudian, menggunakan Ansys Workbench akan digunakan simulasi Static Structural. Material hiperelastik yang akan digunakan adalah Natural Rubber reinforced with Carbon-Black. Nilai-nilai koefisien untuk memodelkan material hiperelastik yang ditunjukkan pada tabel berikut.

Tabel 1 Koefisien Material Hiperelastik

Nilai-nilai koefisien di atas akan dimasukkan ke bagian engineering data pada Ansys Workbench. Masing-masing sebagai material baru. Kemudian model D Fender yang sudah dibuat sebelumnya akan diimpor ke Ansys Spaceclaim. Kemudian akan dibuat dinding yang akan diletakkan tepat dibelakang model D Fender dalam Ansys Spaceclaim yang akan disimulasikan sebagai beton pelabuhan tempat D Fender dipasang.

Gambar 3 Model D Fender dan Dinding

Selanjutnya, akan digunakan Ansys Mechanical untuk melakukan simulasi. Kemudian, akan dilakukan assign material pada dinding dan D fender. Material untuk dinding adalah beton, sedangkan material D fender adalah salah satu model material hiperelastik (analisis setiap material dilakukan secara terpisah).

Kemudian, kontak antara sisi belakang D Fender dengan dinding akan didefinisikan sebagai kontak licin (frictionless) pada menu contact. Juga perlu ditentukan tumpuan fix pada dinding menggunakan menu joint dan didefinisikan sebagai fixed jointConnection type untuk tumpuan fix pada dinding yang dipilih adalah body-ground.Selanjutnya, akan dilakukan proses meshing pada dinding dan D Fender. Dinding akan diberikan elemen besar pada proses meshing karena tidak akan dianalisis. D Fender akan diberikan mesh dengan ukuran elemen sebesar 13 mm, dengan memberikan beberapa pengaturan, yaitu hex dominant method dan face meshing pada bagian samping lengkungan Fender. Juga elemen yang dipilih untuk simulasi ini adalah linear (orde 1) dengan physics preference non-linear mechanical. Hasil mesh dari D Fender dan dinding ditunjukkan dalam gambar berikut.

Gambar 4 Hasil Mesh

Setelah melakukan meshing, akan dilakukan pengaturan simulasi dengan memberikan kondisi batas fix pada sisi lubang bagian dalam D fender dan gaya penekan pada sisi melengkung D fender. Kondisi batas fix pada sisi lubang bagian didefinisikan sebagai fixed support. Gaya penekan pada sisi melengkung D Fender didefinisikan sebagai pressure dengan besar 42535.475 Pa. Beberapa pengaturan analisis juga harus ditentukan, seperti menentukan substep dan menyalakan opsi large deflection yang diperlukan untuk simulasi material hiperelastik yang cenderung mengalami deformasi besar.

Gambar 5 Kondisi Batas Fix
Gambar 6 Beban Pressure

Sebelum simulasi dijalankan, solusi yang diinginkan dapat dipilih terlebih dahulu agar ketika simulasi selesai hasil dan animasi dapat langsung dilihat. Untuk simulasi ini, hasil yang dipilih adalah total deformation, equivalent stress, dan equivalent elastic strain. Kemudian, simulasi dapat dimulai.

Post Porcessing

Hasil simulasi material hiperelastik dengan permodelan Mooney-Rivlin, Neo-Hookean, dan Yeoh ditunjukkan dalam gambar berikut secara berurutan.

Gambar 7 Hasil Simulasi Model Mooney-Rivlin
Gambar 8 Hasil Simulasi Model Neo-Hookean
Gambar 9 Hasil Simulasi Model Yeoh

Deformasi maksimum, tegangan maksimum, dan regangan maksimum pada simulasi setiap model ditunjukkan dalam tabel berikut.

Tabel 2 Hasil Simulasi Ketiga Model

Berdasarkan gambar 7, 8, dan 9, dapat dilihat bahwa kontur deformasi, tegangan, dan regangan yang dihasilkan oleh ketiga model material memiliki bentuk yang serupa. Lokasi deformasi maksimum, tegangan maksimum, dan regangan maksimum dari ketiga model juga terdapat di lokasi yang sama, yaitu sisi lengkungan depan untuk deformasi maksimum dan lengkungan dalam untuk tegangan dan regangan maksimum.

Hasil simulasi ketiga model material masuk akal. Hal ini ditunjukkan oleh lokasi deformasi maksimum, tegangan maksimum, dan regangan maksimum yang sesuai dengan yang seharusnya terjadi pada benda aslinya. Deformasi terbesar pada lengkungan depan karena deformasi yang dihitung adalah perpindahan nodal dari posisi awalnya dan lengkungan depan Fender merupakan bagian yang mengalami perpindahan terjauh dari posisi awalnya. Tegangan dan regangan maksimum terjadi pada lengkungan dalam Fender karena adanya diskontinuitas geometri pada daerah tersebut setelah ditekan. Diskontinuitas geometri ini menyebabkan adanya konsentrasi tegangan pada daerah lengkungan dalam Fender.

Berdasarkan tabel 2 dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan antara hasil dari ketiga model material. Perbedaan hasil ini disebabkan oleh pendekatan yang berbeda-beda oleh setiap model terhadap sifat material hiperelastik yang sesungguhnya. Model material Mooney-Rivlin menggunakan pendekatan polinomial dengan 2 parameter (C10 dan C01), model material Neo-Hookean mirip dengan Mooney-Rivlin dengan koefisien C01=0 dan umum digunakan apabila ada data material yang dimiliki tidak tersedia, dan model material Yeoh menggunakan pendekatan polinomial orde 3 yang lebih baik merepresentasikan sifat material hiperelastik yang sesungguhnya.Melalui artikel ini, cara melakukan simulasi sederhana untuk material hiperelastik menggunakan beberapa model dengan Ansys Mechanical telah ditunjukkan penulis. Diharapkan artikel ini dapat membantu pelajar untuk tertarik mengeksplorasi ilmu metode elemen hingga dan penggunaannya secara umum, serta membantu pengembangan industri karet dan fender di masa depan.

Referensi:

Shahzad, M., Kamran, A., Siddiqui, M. Z., & Farhan, M. (2015). Mechanical Characterization and FE Modelling of a Hyperelastic Material. Materials Research18(5), 918–924. https://doi.org/10.1590/1516-1439.320414