Analisa Dinamis Vibrasi pada Pipa

Analisa Dinamis Vibrasi pada Pipa dengan Bantuan ANSYS 11.0

Fluida yang mengalir di dalam pipa bisa menyebabkan pipa mengalami kegagalan. Hal ini terjadi jika tegangan yang dihasilkan oleh fluida yang diterima dinding pipa melebihi tegangan ijin dari material pipa tersebut. Apalagi jika pipa tersebut mempunyai sambungan SBC (small bore connection) maka yang menjadi batasan maksimal adalah berapa tegangan yang diijinkan terjadi pada daerah sambungan SBC. Dimana nilainya tergantung pada jenis dan tipe sambungan SBC yang mana mempunyai grafik S-N (fatigue/kelelahan) yang berbeda-beda.

Menganalisa fenomena ini bisa digunakan bantuan Finite Elemen Method (FEM) dengan bantuan piranti komputer. Ada beberapa software yang bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah ini dan yang saya rekomendasikan adalah software ANSYS. ANSYS adalah software multi guna yang bisa digunakan untuk memodelkan dan menyelesaikan berbagai macam masalah dalam dunia industri. Untuk masalah pipa sebenarnya ada beberapa software yang bisa membantu seperti CAESAR dan AutoPipe. Namun untuk analisa dinamis akibat vibrasi karena fluida yang mengalir di dalam pipa sejauh yang saya pahami kedua software tersebut tidak mampu untuk melakukannya. CAESAR dan AutoPipa lebih pada analisa statis biasa dan analisa dinamis lebih pada analisa untuk masalah water hammer dan fluid transient.

Untuk analisa dengan bantuan ANSYS yang perlu dipersiapkan adalah 3 jenis software ANSYS yaitu ANSYS ICEM, ANSYS CFX dan ANSYS Multiphysic, semuanya tersedia dalam package ANSYS version 11.0

ANSYS ICEM

Digunakan untuk memodelkan fluida dimana model fluida sama dengan model pipa itu sendiri karena seperti yang kita ketahui bentuk fluida tergantung pada wadahnya. Jadi intinya di ANSYS ini semua geometri yang digunakan adalah geometri pipa, yaitu diameter dalam dan panjang pipa. Kita tidak memasukkan ketebalan pipa. Setelah model jadi, kemudian kita lakukan meshing. Meshing adalah bagian terpenting dalam ANSYS. Usahakan membuat ukuran meshing sekecil mungkin sehingga output hasil analisa akan semakin valid.

Untuk memudahkan pemodelan dalam ANSYS ICEM, bagi yang terbiasa menggunakan software AutoCAD kita bisa menggukannya. Modelkan di AutoCAD lalu filenya dipanggil di ANSYS ICEM. Jadi setelah memanggil file kita tinggal melakukan meshing.

ANSYS CFX

Digunakan untuk menganalisa fluida yang sudah dimodelkan dalam ANSYS ICEM. Di sini kita memanggil file model yang sudah dimeshing oleh ANSYS ICEM. ANSYS CFX bisa mengeluarkan output mulai dari pressure fluida ke segalah arah maupun resultannya, force, temperatur, sebaran kecepatan fluida, dan lain-lain. Seperti ANSYS pada umumnya ANSYS CFX terdiri dari 3 bagian pengerjaan yaitu Pre, Solver dan Post. CFX-Pre mendefinisikan fluida yang akan dianalisa, mulai dari menentukan kecepatan fluida di inlet dan outlet, tekanan dan temperature fluida dan boundary condition yang diperlukan. Kemudian CFX-Solver akan menganalisa (running) semua yang telah ditetapkan di CFX-Pre dan hasilnya dapat dilihat pada CFX-Post berupa tabel, grafik maupun kontur berupa gambar lengkap dengan sebaran warnanya.

ANSYS Multiphysics

ANSYS jenis ini adalah ANSYS yang biasa digunakan untuk mengalisa model teknik. Di ANSYS ini yang dimodelkan bukan lagi fluidanya melainkan struktur pipanya. Ada 2 macam pekerjaan yang dilakukan, yaitu global analysis untuk mencari frekuensi natural pipa dan local analysis untuk menganalisa kekuatan pipa akibat beban dinamis vibrasi pipa.

Untuk mencari frekuensi natural (natural frequency), pipa dimodelkan sempurna sesuai dengan geometrinya di lapangan. Setelah model selesai, tentukanlan peletakan support dengan mendefinisikan displacement arah Y sama dengan 0 (nol), dan pada bagian kedua ujung pipa diasumsikan dijepit sehingga gaya ke segala arah adalah 0 (nol), lalu dilakukan modal analysis sehingga diperoleh output berupa mode shape dan frekuensinya.

Setalah itu dilakukan analisa dinamis vibrasi pipa. Pada dasarnya ANSYS melakukan local analysis bukan global analysis sehingga untuk analisa ini kita tidak memodelkan pipa keseluruhan tetapi hanya pada bagian kritis saja. Bagaimana pemilihan bagian yang akan dimodelkan adalah tergantung hasil output dari ANSYS CFX. Pada ANSYS CFX kita bisa melihat pada bagian mana terdapat sebaran tegangan terbesar. Bagian itulah yang kemudian kita modelkan dalam ANSYS Multiphysiscs. Setelah model selesai, seperti biasa kita lakukan meshing. Meshing sempurna dan tidak ada error, dilanjutkan dengan melakukan harmonic analysis. Pada analisa ini kita memasukkan inputan berupa nilai sebaran gaya (force) yang dihasilkan dari ANSYS CFX pada model di ANSYS Multiphysiscs. Penempatan tegangan harus sesuai lokasinya seperti output dari ANSYS CFX. Kemudian kita masukkan nilai frekuensi yang telah diperoleh sebelumnya, time step serta nilai koefisien damping. Setelah itu running!

Hasil output berupa sebaran tegangan yang biasa disebut sebagai tegangan Von Misses. Hasil tegangan ini sangat tergantung nilai frekuensi yang dimasukkan dan nilainya bisa jauh sekali jika dibandingkan dengan hasil dari ANSYS CFX. Sebagai contoh, untuk input force dari ANSYS CFX sebesar 25N (F=P*A, dari tegangan P = 15.625 Pa dengan luas sebaran A = 0,0016m2) dengan frekuensi 10Hz diperoleh hasil tegangan Von Misses pada ANSYS Multiphysics sebesar 12,5.106Pa atau 12,5 MPa.