Lewati ke isi

Jenis Analisis

FrontISTR menyediakan beberapa jenis analisis yang mencakup fisika struktural maupun termal, mulai dari kesetimbangan statik, evolusi waktu dan keadaan tunak periodik, hingga ekstraksi karakteristik intrinsik. Halaman ini menjelaskan fenomena yang ditangani oleh setiap jenis analisis, cakupan penerapannya, dan cara memilih di antaranya. Untuk sintaks file input, lihat referensi keyword; untuk detail matematis formulasi, lihat manual teori.

Gambaran Umum

Jenis analisis FrontISTR ditandai oleh kombinasi tiga sumbu berikut.

  • Fisika target: Struktural (perpindahan dan tegangan), termal (temperatur dan fluks panas), atau kopling di antara keduanya
  • Perlakuan terhadap gerak: Apakah suku inersia disertakan dan apakah evolusi waktu diikuti. Keduanya merupakan sumbu yang independen
    • Tanpa inersia dan tanpa evolusi waktu → kesetimbangan statik
    • Tanpa inersia, tetapi evolusi waktu diikuti → kuasi-statik (viskoelastisitas, creep, dll.)
    • Inersia disertakan dan evolusi waktu diikuti → respons dinamik transien
    • Ditangani dalam domain frekuensi sebagai keadaan tunak periodik → respons harmonik
    • Tanpa gaya eksternal; mengekstrak sifat intrinsik sistem → karakteristik intrinsik
  • Linearitas: Linear (deformasi kecil dan material linear) atau nonlinier (deformasi besar, material nonlinier, atau kontak)

Kombinasi sumbu yang diimplementasikan sesuai dengan jenis analisis yang dijelaskan di bawah. Dalam input, !SOLUTION menentukan kategori umum jenis analisis, sedangkan !DYNAMIC, !EIGEN, !HEAT, dan keyword sejenis menentukan properti terkait secara lebih rinci. Ukuran step waktu dan inkremen untuk analisis yang melibatkan evolusi waktu dikontrol dengan !STEP.

Cara Memilih Jenis Analisis

Saat memilih jenis analisis, mulailah dengan menyusun fenomena yang akan ditangani dan hasil yang ingin diperoleh. Bahkan untuk objek yang sama, jenis analisis yang sesuai berubah bergantung pada apa yang ingin diketahui. Mempertimbangkan poin-poin berikut secara berurutan akan mengarahkan ke jenis analisis yang sesuai dengan tujuan.

  1. Apa yang ingin diperoleh? — Perpindahan dan tegangan, distribusi temperatur, mode getaran, atau respons frekuensi. Besaran yang diinginkan menentukan kategori umum analisis
  2. Apakah inersia perlu diperhitungkan? — Pilih analisis dinamik ketika beban berubah cepat dan percepatan memengaruhi respons. Analisis statik cukup ketika perubahan lambat dan inersia dapat diabaikan
  3. Apakah evolusi waktu perlu diikuti? — Meskipun inersia dapat diabaikan, respons material bergantung waktu seperti viskoelastisitas atau creep diselesaikan dengan memajukan waktu dalam kerangka analisis statik (analisis kuasi-statik)
  4. Apakah asumsi linearitas valid? — Analisis linear cukup untuk deformasi kecil dengan material linear. Pilih analisis nonlinier jika mencakup deformasi besar, material nonlinier, atau kontak

Masalah tipikal dan jenis analisis yang bersesuaian ditunjukkan pada tabel berikut.

Yang ingin diketahui Jenis analisis
Tegangan dan perpindahan di bawah beban statik Analisis statik (linear atau nonlinier)
Respons waktu yang melibatkan viskoelastisitas atau creep Analisis statik (kuasi-statik)
Respons transien seperti tumbukan atau respons gempa Analisis dinamik
Frekuensi alami dan bentuk mode Analisis modal
Karakteristik frekuensi di bawah eksitasi harmonik Analisis respons frekuensi
Distribusi temperatur dan fluks panas Analisis konduksi panas
Tegangan termal akibat medan temperatur Analisis kopling termo-mekanik

Analisis Statik

Analisis statik menyelesaikan persamaan kesetimbangan dengan mengabaikan suku inersia. Kerangka ini mencakup tidak hanya kesetimbangan tunak tanpa evolusi waktu, tetapi juga analisis kuasi-statik yang melacak kesetimbangan pada setiap waktu secara berurutan sambil memajukan waktu ketika menangani respons material bergantung waktu seperti viskoelastisitas atau creep, atau nonlinieritas dengan riwayat. Perbedaan dengan analisis dinamik adalah ada atau tidaknya suku inersia, bukan ada atau tidaknya evolusi waktu.

Analisis statik linear mengasumsikan deformasi kecil dan material linear serta menyelesaikan persamaan kesetimbangan dengan satu solusi sistem linear. Biaya komputasinya paling rendah dan digunakan untuk evaluasi tegangan serta studi pada tahap awal desain.

Analisis statik nonlinier digunakan ketika mencakup deformasi besar (nonlinieritas geometrik), material nonlinier (elastoplastisitas, hiperelastisitas, viskoelastisitas, atau creep), atau kontak. Karena persamaan kesetimbangan bersifat nonlinier, beban dibagi menjadi beberapa inkremen dan diterapkan secara bertahap, dengan solusi iteratif menggunakan metode Newton-Raphson pada setiap inkremen. Ketika material bergantung waktu seperti viskoelastisitas atau creep ditangani, proses inkremental dan iteratif yang sama dilakukan sambil melacak kesetimbangan secara berurutan pada setiap waktu.

Dalam input, tentukan !SOLUTION, TYPE=STATIC, dan tambahkan parameter NONLINEAR ketika menangani nonlinieritas. Step waktu, kontrol inkremen, dan kriteria konvergensi ditentukan dengan !STEP. Untuk detail kontrol inkremen, lihat Kontrol Step.

Analisis Dinamik

Analisis dinamik menyelesaikan persamaan gerak yang mencakup suku inersia sebagai masalah evolusi waktu dan memperoleh respons terhadap riwayat waktu gaya eksternal sebagai riwayat waktu. Analisis ini menargetkan fenomena seperti beban tumbukan, respons gempa, dan perambatan getaran, ketika percepatan sistem secara signifikan memengaruhi respons.

Metode integrasi waktu secara umum dibagi menjadi metode implisit dan eksplisit. Pilihan bergantung pada skala waktu fenomena, ukuran masalah, dan persyaratan stabilitas terhadap step waktu. Metode implisit cocok ketika komponen frekuensi rendah dominan dan diinginkan step waktu yang relatif besar, sedangkan metode eksplisit cocok untuk fenomena frekuensi tinggi seperti tumbukan dan perambatan gelombang yang secara inheren memerlukan step waktu kecil.

Metode Implisit

Metode implisit (metode Newmark-β) menyelesaikan sistem persamaan simultan pada setiap step waktu untuk memperoleh perpindahan, kecepatan, dan percepatan pada waktu berikutnya. Tidak ada pembatasan stabilitas pada ukuran step waktu, sehingga untuk respons struktural yang didominasi komponen frekuensi rendah (seperti respons gempa dan getaran mekanis), step waktu yang relatif besar dapat digunakan untuk mengurangi jumlah step sehingga metode menjadi efisien. Di sisi lain, biaya penyelesaian persamaan simultan timbul pada setiap step, sehingga metode ini tidak cocok untuk fenomena yang memerlukan jumlah step yang sangat besar.

Metode Eksplisit

Metode eksplisit (metode beda pusat) menghitung langsung keadaan pada waktu berikutnya hanya menggunakan informasi dari step sebelumnya. Karena tidak menyelesaikan sistem simultan, biaya per step kecil, tetapi ukuran step waktu dibatasi oleh kondisi yang didasarkan pada periode alami minimum sistem (kondisi CFL). Metode ini menguntungkan untuk masalah seperti tumbukan, perambatan gelombang, dan kontak berkecepatan tinggi, yang secara inheren memerlukan step waktu kecil.

Dalam input, tentukan !SOLUTION, TYPE=DYNAMIC, dan gunakan !DYNAMIC untuk memilih metode solusi serta menentukan parameter integrasi seperti parameter metode Newmark-β. Gunakan !STEP ketika mengganti grup kondisi batas atau beban pada beberapa step, atau ketika menentukan kontrol inkremen untuk setiap step. Dalam analisis dinamik nonlinier implisit, kontrol inkremen otomatis dan cutback sesuai perilaku konvergensi juga tersedia.

Analisis Modal

Analisis modal menyelesaikan masalah nilai eigen tergeneralisasi yang dibentuk oleh matriks massa dan kekakuan tanpa menerapkan gaya eksternal, untuk mengekstrak frekuensi alami dan bentuk mode alami yang intrinsik pada sistem. Analisis ini dilakukan untuk mengevaluasi karakteristik getaran struktur, mengidentifikasi titik resonansi, dan sebagai tahap awal ketika superposisi modal digunakan dalam analisis respons frekuensi.

Metode Lanczos digunakan untuk mengekstrak secara efisien sejumlah mode rendah yang ditentukan. Matriks massa terpusat digunakan sebagai matriks massa.

Dalam input, tentukan !SOLUTION, TYPE=EIGEN, dan gunakan !EIGEN untuk menentukan jumlah mode yang akan diekstrak, nilai shift, dan parameter lainnya.

Analisis Respons Frekuensi

Analisis respons frekuensi menentukan respons keadaan tunak periodik yang dicapai oleh sistem yang dikenai gaya eksternal harmonik (sinusoidal) sambil memvariasikan frekuensi eksitasi. Berbeda dengan analisis dinamik yang mengikuti riwayat waktu, analisis ini menyelesaikan langsung dalam domain frekuensi dan oleh karena itu cocok untuk mengevaluasi karakteristik resonansi dan merancang terhadap getaran keadaan tunak.

Solusi didasarkan pada metode superposisi modal, dengan menyusun respons melalui superposisi mode alami yang diperoleh sebelumnya melalui analisis modal. Oleh karena itu, analisis modal harus dilakukan untuk sistem yang sama sebelum analisis respons frekuensi. Hanya model linear yang didukung; analisis tidak dapat dijalankan ketika nonlinieritas geometrik atau material diaktifkan.

Dalam input, analisis ini diperlakukan sebagai bentuk analisis dinamik: tentukan !SOLUTION, TYPE=DYNAMIC, lalu tentukan respons frekuensi menggunakan parameter turunan dari !DYNAMIC. Kondisi eksitasi ditentukan dengan !FLOAD.

Analisis Konduksi Panas

Analisis konduksi panas menyelesaikan persamaan konduksi panas untuk memperoleh distribusi temperatur dan fluks panas. Analisis ini menggunakan mesh elemen hingga yang sama dengan analisis struktural, tetapi setiap node hanya memiliki satu derajat kebebasan, yaitu temperatur, dan properti material yang ditangani terbatas pada konduktivitas termal, kalor jenis, dan densitas. Kondisi batas juga berbeda dari analisis struktural dan mencakup temperatur yang ditentukan, fluks panas, konveksi, dan radiasi.

Berdasarkan perilaku temporal, analisis konduksi panas diklasifikasikan menjadi konduksi panas tunak, yang menentukan keadaan kesetimbangan yang tidak bergantung waktu, dan konduksi panas transien, yang mengikuti evolusi waktu medan temperatur. Pemilihannya bergantung pada apakah hasil yang diinginkan adalah temperatur kesetimbangan yang akhirnya dicapai atau bagaimana temperatur berubah terhadap waktu.

Dalam input, tentukan !SOLUTION, TYPE=HEAT, dan gunakan !HEAT untuk menentukan analisis tunak atau transien serta step waktu.

Analisis Kopling Termo-Mekanik

Analisis kopling termo-mekanik menerapkan distribusi temperatur yang diperoleh dari analisis konduksi panas sebagai beban regangan termal dalam analisis struktural untuk menentukan tegangan dan deformasi yang disebabkan oleh medan temperatur. Alur kerja standar FrontISTR adalah kopling satu arah: analisis termal dan analisis struktural dijalankan secara independen, dan medan temperatur diteruskan satu arah melalui file hasil.

Prosedurnya adalah pertama melakukan analisis konduksi panas dan memperoleh file hasil yang memuat distribusi temperatur. Kemudian, saat melakukan analisis struktural, baca medan temperatur tersebut sebagai beban temperatur dengan !TEMPERATURE, READRESULT. Kerangka analisis struktural itu sendiri sama dengan analisis statik atau dinamik biasa, dan tidak perlu menentukan jenis analisis khusus untuk kopling.

Kopling dua arah, ketika deformasi struktural memengaruhi konduksi panas (misalnya perubahan kondisi batas termal akibat deformasi), berada di luar cakupan versi dokumentasi ini.

Topik Terkait