analisa perbedaan Proses Perpindahan Panas pada Pengecoran Paduan Al-12%Si dengan Metode Elemen Hingga dengan SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS PADA CEROBONG SEGIEMPAT DENGAN METODE ELEMEN HINGGA DAN BEDA HINGGA

BAB I

LATAR BELAKANG

Analisa Proses Perpindahan Panas pada
Pengecoran Paduan Al-12%Si dengan Metode
Elemen Hingga

PENDAHULUAN
Terdapat beberapa kesulitan untuk mengontrol hasil pengecoran pada piston karena sangat bergantung pada karakteristik lelehan logam yang sangat berhubungan dengan sifat-sifat termal serta struktur dari logam dan paduan yang digunakan. Dan juga banyak faktor lain seperti kelarutan gas, material dan bentuk dari cetakan (mold) itu sendiri yang akan berpengaruh pada munculnya fenomena-fenomena yang terjadi di dalam pengecoran [1].

Salah satu fenomena yang terjadi di dalam pengecoran adalah tegangan termal yang merupakan tegangan yang berada di dalam suatu benda sebagai akibat dari perubahan temperatur. Untuk menyempurnakan penelitian di atas maka dilakukan penelitian lanjutan yang bertujuan untuk membandingkan dua jenis cetakan pengecoran dengan bahan SS304 serta pasir silika. Kemudian menganalisa fenomena yang ada seperti distribusi temperatur, tegangan termal serta shrinkage yang terjadi selama proses pengecoran yang berhubungan dengan ketahanan cetakan serta hasil dari pengecoran itu sendiri dengan pemodelan secara 3 dimensi.

SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS PADA CEROBONG

SEGIEMPAT DENGAN METODE ELEMEN HINGGA DAN BEDA HINGGA

PENDAHULUAN

Dalam teknologi industri proses perpindahan panas selalu ada sehingga pendalaman di bidang itu perlu ditingkatkan terutama didalam metode penyelesaiannya. Metode yang lebih cepat, akurat dengan sedikit error sangat dibutuhkan untuk mendapatkan hasil yang lebih tepat. Sehingga senuntut orang untuk dapat melakukan penelitian tanpa pengujian langsung yang akan membutuhan banyak biaya.

Banyak sekali penyelesaian analitis atas soal-soal perpindahan panas konduksi yang terkumpul dalam literatur. Namun demikian, dalam banyak situasi praktis dihadapi syarat-syarat atau kondisi batas dan geometri yang sedemikian rupa sehingga penyelesaian analitis untuk itu tidak bisa sama sekali dilakukan. Atau, apabila penyelesaian analitis dapat dikembangkan, hal itu sangat kompleks, sehingga evaluasi dengan angka-angka menjadi sangat sulit sehingga pendekatan pendekaan yang paling berhasil adalah yang didasarkan atas teknik beda hingga dan elemen hingga.

BAB II

TUJUAN PENELITIAN

1.      Tujuan dari pelaksanaan penelitian yang dilakukan adalah :

Untuk memprediksi temperatur pada cerobong dengan kondisi batas konveksi yang merambat pada batu bata merah tahan api secara konduksi melalui kontak 2-D secara numerik dengan penerapan prinsip elemen hingga dan beda hingga. Membandingkan hasil dari metode elemen hingga dan beda hingga yang berupa angka-angka atau visualisasi gambar.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Al-12%Si digunakan sebagai material coran dikarenakan paduan Al-Si ini memiliki sifat mampu cor dan mampu alir yang sangat baik, mempunyai permukaan yang bagus, memiliki ketahanan korosi yang baik, berat jenisnya ringan, serta pada titik eutektik 850K, paduan Al-12%Si memiliki titik cair yang rendah sehingga cocok untuk dijadikan sebagai paduan tuang [5].

Kemudian untuk jenis cetakan dibedakan menjadi dua jenis yaitu cetakan SS304 yang berbahan SS304 serta cetakan pasir dengan bahan pasir silika. Digunakan satu buah geometri yaitu gabungan antara material coran dengan cetakan. Untuk material coran sendiri mengacu pada dimensi dari piston sepeda motor Ninja 250R dengan panjang piston 6,2 cm dan lebar sebesar 41,2 cm [6] yang dibuat dengan aplikasi SolidWorks 2014 x64 Edition yang kemudian dimasukkan ke dalam ANSYS Mechanical APDL

Pembuatan mesh pada cerobong material sama dengan material berbeda sama.

Pembuatan mesh terbagi menjadi 2 program yaitu program mesh untuk menentukan

elemen dan nodal ditulis dalam file PMESH.FOR dan program mesh untuk menentukan

letak nodal ditulis pada file PDM6A.FOR. Pada penelitian ini menggunakan cerobong

dengan jumlah elemen 1200 elemen dan jumlah nodal 1320 nodal. Jika elemen berapa pada elemen pertama maka perhitungan nodal-nodalnya adalah:

Nodal (1,1) = 2 nx + 2 ny + 1 = 17

Nodal (1,2) = Nodal (1,1) + 1 = 18

Nodal (1,4) = 1 = 1

Nodal (1,3) = Nodal (1,4) + 1 = 2

 Jika elemen berada pada elemen dibawah elemen pertama dan dibawahnya sampai

batas ketebalan cerobong maka

 : Contoh Nem1 = 20 berada pada

Nodal (Nem1+1,1) = Nodal (Nem1,1) + 1

Nodal (Nem1+1,2) = Nodal (Nem1,1) + 2

Nodal (Nem1+1,3) = Nodal (Nem1,2)

Nodal (Nem1+1,4) = Nodal (Nem1,1)

Persamaan diatas kita ubah dalam bentuk nodal.

Nodal (21,1) = Nodal (20,1) + 1 = 41

Nodal (21,2) = Nodal (20,1) + 2 = 42

Nodal (21,3) = Nodal (20,2) = 17

Nodal (21,4) = Nodal (20,1) = 40

 Jika elemen berada pada baris bawah / datar selain sudut yaitu elemen ke 2, 3, 4

I = Nem1+2,Nem1+nx

Artinya I dapat diganti dengan NemI+2, NemI+3, ......., NemI+nx

Atau dapat kita tulis 22, 23, 24, 25 dan 26

Nodal (I,1) = Nodal (I-1,2)

Nodal (I,2) = Nodal (I-1,2) + 1

Nodal (I,3) = Nodal (I-1,3) + 1

Nodal (I,4) = Nodal (I,3) - 1

Nilai-nilai diatas didapatkan :

Nodal (22,1) = Nodal (21,2) = 42

Nodal (22,2) = Nodal (21,2) + 1 = 43

Nodal (22,3) = Nodal (21,3) + 1 = 18

Nodal (22,4) = Nodal (22,3) – 1 = 17

Dari persamaan-persamaan diatas yaitu perhitungan cerobong bagian bawah maka dapat kita analogikan untuk perhitungan ketiga sisi-sisi yang lain yaitu sisi sebelah kiri dan kanan serta sisi bagian atas. Akan digunakan untuk mengeksekusi program PMESH.FOR dan PDM6A.FOR sehingga didapatkan pemodelan cerobong yang ditulis dalam file KTY1.DAT dan KRD1.DAT di bawah ini. Pemodelan susunan mesh cerobong tersebut menghasilkan output sebanyak 1200 elemen dan 1320 nodal.

BAB IV

HASIL

Dapat disimpulkan bahwa pada cetakan SS304, temperatur lebih cepat menyebar daripada cetakan pasir. Sehingga menyebabkan pendinginan di dalam cetakan SS304 berlangsung lebih cepat. . Pada daerah coran dengan cetakan SS304 didapatkan bahwa pada rentang 60 detik sampai 1260 detik terjadi penurunan temperatur dari 873K menjadi 484K sedangkan pada cetakan pasir sebesar 929K menjadi 658K. Tegangan termal di dalam cetakan SS304 juga lebih besar daripada cetakan pasir dengan nilai 3.89E+09 Pa. Lebih besar daripada cetakan pasir yang sebesar 2.35E+08 Pa sehingga

dapat disimpulkan bahwa distribusi temperatur sangat berpengaruh terhadap tegangan termal. Dengan kecepatan penyebaran yang tinggi maka tegangan termal juga semakin tinggi. Semakin tingginya tegangan termal maka shrinkage yang terjadi akan semakin besar. Dan untuk itu cetakan pasir lebih cocok dibandingkan cetakan SS304 dikarenakan shrinkage yang terjadi lebih kecil jika dibandingkan dengan cetakan SS304 sehingga dapat menghasilkan ceoran yang lebih

baik.

Dari penelitian dan pembahasan hasil yang telah dilakukan, dapat ditarik

beberapa kesimpulan yaitu :

a. Metode beda hingga pada penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui penggunaan

metode beda tengah orde kedua dan penyelesaian dengan metode ADI (Alternating

Direction Implicit) untuk menyelesaikan persamaan konduksi tak tunak dengan

modifikasi koefisien matriks konveksi untuk sisi-sisi cerobong yang berbatasan

konveksi dan modifikasi koefisien matriks untuk material berbeda

b. Metode elemen hingga pada penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui

penggunaan mesh segiempat bilinear untuk menyelesaikan persamaan konduksi

steady state dengan kondisi batas konveksi

c. Metode yang digunakan dalam penelitian ini mampu memprediksikan distribusi

temperatur pada cerobong.

d. Simulasi cerobong menggunakan metode elemen hingga dan beda hingga dengan

jumlah grid yang sama 41x41 menghasilkan visualisasi yang sama.

e. Metode beda hingga tampilan visualisasi beda temperatur terlihat jelas sedangkan

metode elemen hingga visualisasi temperaturnya halus dan bentuk mesh terlihat

dengan jelas.

daftar pustaka

Firdaus,  Muhammad Bahtiyar Firdaus. 2016.  Analisa Proses Perpindahan Panas pada Pengecoran                  Paduan Al-12%Si dengan Metode Elemen Hingga.  SurabayaYanuarto, Eko.  SIMULASI NUMERIK PERPINDAHAN PANAS PADA CEROBONG SEGIEMPAT                      DENGAN METODE ELEMEN HINGGA DAN BEDA HINGGA.  Mekanika