Tip Membangun Sebuah Model Di Software Elemen Hingga

Ketika melihat model elemen hingga yang dipublikasikan di jurnal ilmiah, terkadang terlihat sangat mudah dan sangat sederhana. Namun kenyataannya tidak, saya sendiri sering terjebak dengan menganggap mudah model yang dibuat peneliti lain, karena memang jika dilihat sekilas bentuknya sangat sederhana.

Saya baru sadar kalau membuat sebuah model elemen hingga tidaklah mudah ketika sudah mulai membuatnya sendiri. Ternyata bentuk luarnya saja yang sederhana, namun di dalamnya sangat ruwet dan sarang error walaupun akhirnya mereka sukses menjalani simulasi dengan hasil yang valid.

Pengalaman saya, untuk membangun sebuah model dengan software elemen hingga, Abaqus misalnya, sebaiknya peneliti harus melakukan pengecekan fungsi software tersebut sebelum menggunakannya lebih lanjut.

Pertama kita harus mengetahui dulu mekanisme apa saja yang akan terjadi dalam model yang akan kita buat. Misalnya yang akan terjadi adalah mekanisme kontak antara dua part, maka kita harus mencoba dulu mensimulasikan kontak dengan bentuk yang bisa dibuktikan secara teoritis. Kalau hasil dari simulasi sudah mendekati dengan teori berarti itu bisa kita gunakan dalam simulasi yang lebih kompleks nantinya.

Begitu juga misalnya, jika yang bakal terjadi dalam simulasi nantinya adalah beban tarik atau desak, maka buat dulu bentuk batangan sederhana dan tarik atau tekan dengan beban tertentu. Serta bandingkan hasil perhitungan manual dengan hasil software, cocok apa tidak.

Untuk simulasi kontak kita biasanya menggunakan teori kontak Herzt untuk melihat kemampuan software, dan untuk simulasi tarik dan tekan tentu dengan menggunakan hukum Hooke.

Yang paling penting dalam simulasi elemen hingga adalah kita harus yakin kalau hasil yang kita peroleh dari software adalah valid. Memang selisih dengan nilai aktual tetap ada, dan itu lumrah dalam dunia elemen hingga, namun harus dalam rentang yang bisa diterima. Biasanya jangan melenceng lebih dari 5%.

Validasi, Suatu Kewajiban Dalam Analisis Elemen Hingga

Hasil yang kita peroleh dari software elemen hingga tidak bisa serta merta kita percayai dengan tanpa melakukan klarifikasi. Bisa saja hasil dari output database itu salah. Proses klarifikasi ini dalam dunia permodelan elemen hingga dikenal dengan istilah validasi.

Kesalahan hasil sangat sering terjadi dalam analisis elemen hingga. Ini bisa saja diakibatkan oleh beberapa kesalahan dalam input yang kita berikan ketika melakukan simulasi (preprocessing). Parahnya, walaupun kita berbuat salah dalam tahap preprocessing, terkadang software tidak akan memberikan peringatan error. Namun hasilnya tidak mewakili model yang kita buat.

Kesalahan tanpa peringatan error dari software tersebut lebih diakibatkan oleh perbedaan pemahaman kita dengan apa yang ada di dalam software tersebut. Contoh mudah misalnya, kita menginput sebuah nilai dengan 10 Mpa namun software yang kita gunakan membacanya 10 Pa. Sebaliknya hasil yang diberikan oleh software 20 Pa, kita malah memikirnya 20 Mpa.

Sudah barang tentu kesalahan seperti itu tidak akan menghasilkan error, dan software akan berjalan lancar ketika kita running. Kesalahan persepsi semacam ini sangat sering sekali terjadi ketika menggunakan software analisis elemen hingga.

Itu adalah sebuah contoh mudah kegagalan komunikasi antara kita dengan software. Namun yang terjadi di lapangan tentu sangat banyak dan sulit terdeteksi apakah hasil dari software benar atau salah. Apalagi bentuk model yang kita simulasikan sangat rumit dan tidak teratur, seperti permodelan biomekanik misalnya.

Berangkat dari masalah tersebut, maka kita membutuhkan validasi. Kita harus mencari literatur baik dari jurnal ilmiah maupun teoritis yang dapat kita gunakan untuk pencocokan hasil yang kita peroleh.

Misalnya, tegangan kontak dalam simulasi kontak antara bola baja dengan bidang datar. Tegangan kontak sederhana ini dapat kita hitung dengan Teori Herzt. Misalnya ketika kita hitung dengan teori Herzt kita mendapatkan tegangan kontak sebesar 105 Mpa, namun ketika kita melakukan simulasi dengan software dapatnya 12 Pa. Nah, berarti ada kesalahan dengan simulasi yang kita lakukan.

Namun jika hasil elemen hingga sudah mendekati dengan teori, maka simulasi kita sudah benar. Biasanya peneliti mengambil 5% untuk perbedaan antara hasil teoritis dengan hasil elemen hingga. Jika perbedaan melebihi 5%, maka akan dilakukan pengecekan dan simulasi ulang dengan cara memperbaiki mesh.

Untuk kasus simulasi yang tidak dapat divalidasi dengan teori, seperti simulasi biomekanik, maka hasil riset orang lain yang bentuk dan mekanismenya hampir sama, bisa kita gunakan.

Tahap validasi ini adalah tahap paling berat dalam analisis elemen hingga. Kadang-kadang kita tidak tahu lagi apa yang harus kita perbuat agar model menjadi valid. Berbagai macam cara sudah kita lakukan, namun hasilnya tetap saja jauh dari angka valid. Di sini kadang riset menjadi stagnan. Sebaliknya jika model sudah valid maka langkah selanjutnya bagaikan menghabiskan sepotong kue kecil, begitu mudahnya.

Meshing, Satu Tantangan Dalam Pemodelan Biomekanik

Meshing adalah pembagian sebuah benda menjadi beberapa bagian. Dalam Metode Elemen Hingga ini disebut dengan diskrititasi. Ini adalah hal inti dalam penelitian berbasis elemen hingga. Jika mesh jelek maka jangan pernah berharap hasil akan dekat dengan kebenaran.

Untuk bentuk-bentuk benda yang teratur tentu proses meshing bukanlah hal yang sulit, software sekelas Abaqus sudah sangat mumpuni untuk mengembankan tugas itu.

Namun lain halnya dengan simulasi biomekanik yang mempunyai model yang rumit dan tidak teratur. Hal ini karena bentuk tubuh manusia secara alami memang tidak teratur bentuknya. Dari sini akan muncul masalah ketika proses meshing.

Abaqus yang juga menyediakan modul meshing tidak mampu lagi menyiapkan mesh yang baik. Sehingga pun kalau dipaksakan maka akan menghasilkan mesh atau elemen yang jelek (poor or bad element).

Poor element ini berbahaya dalam dunia elemen hingga. Hasil dari simulasi nanti bisa jauh melenceng atau bahkan tidak masuk akal. Akibatnya, hasil rancangan akan gagal dalam penggunaan nantinya. Oleh karena itu, proses meshing adalah tantangan berat yang harus dilalui oleh peneliti berbasis elemen hingga.

Ketika Abaqus tidak mampu lagi menyelesaikan ini, maka software lain yang mempunyai kemampuan lebih dalam proses meshing harus dicari. Salah satunya yang saya ketahui dan saya pakai sekarang adalah Hypermesh. Software ini memepunyai kemampuan lebih untuk proses meshing. Banyak peneliti penggunakan software besutan Altair ini.

Namun, walaupun katanya user friendly, janganlah percaya kalau bergelut dengan software itu mudah. Apalagi utnuk pemula, seperti saya, pasti kita akan dibuat bingung dengan peringatan-peringatan error yang muncul.

Sering sekali error kadang muncul benar-benar sudah diluar jangkauan kita sebagai pengguna software tersebut. Berselancar ke forum-forum, misalnya "eng-tips", adalah hal yang sering kita lakukan untuk bertanya kepada para peneliti yang senasib dari seluruh dunia.

Mesh pada model sendi lutut dengan Hypermesh . Credit: Wangerin, S., 2013

* Wangerin, S. DEVELOPMENT AND VALIDATION OF A HUMAN KNEE JOINT FINITE ELEMENT MODEL FOR TISSUE STRESS AND STRAIN PREDICTIONS DURING EXERCISE. A Thesis presented to the Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo, 2013.