Dalam permodelan Finite Element Analysis (FEA), material menjadi salah satu komponen utama yang harus diinputkan. Mulai dari modulus elastisitasnya untuk menentukan stiffness nya, kemudian density untuk perhitungan berat dan gaya inersia, dan lain sebagainya misalkan untuk perhitungan fatigue dan kegagalan.
Karena sifat mekanik material yang sangat beragam, dan juga fenomena fisik yang sangat kompleks, maka dalam simulasi FEA kadang kali material dipisahkan permodelanya, untuk mempermudah proses analisis maupun mendapatkan hasil yang lebih fokus ke fenomena tertentu.
Kemudian, pada pembahasan ini, akan digunakan acuan permodelan FEA yang paling banyak digunakan code nya, yang juga merupakan software FEA pertama di dunia, yaitu MSC Nastran. Namun, untuk software lainya, konsep dasarnya masih tetap sama. Pada pembahasan berikutnya, penulis berasumsi bahwa pembaca sudah memahami konsep-konsep dasar sifat mekanik material, jika belum, anda dapat mempelajarinya di artikel berikut ini: http://www.aeroengineering.co.id/2021/01/kekuatan-material-mekanika/
Dalam part I model material FEA ini, akan dibahas berbagai orientasi material berdasarkan pembebananya:
Isotropic materials (MAT1 entry)
Isotropic material property mendefinisikan material memiliki sifat yang seragam ke segala arah.
Material jenis ini adalah yang paling populer untuk digunakan, terutama untuk simulasi pembebanan struktur baja atau metal lainya secara sederhana, karena sudah cukup mewakili kondisi real dari material-material tersebut yang sebagian besar adalah isotropic.
Model material ini didefinisikan dengan hubungan modulus elastisitas (E) dengan modulus geser (G) sebagai berikut:
G = E/2(1+nu)
dengan nu adalah poison ratio.
Dengan hubungan di atas, kita hanya perlu menginput nilai dari modulus elastisitas dan poison ratio, dan modulus geser akan dihitung secara otomatis. Atau anda dapat input sesuai data yang anda miliki meskipun tidak memenuhi persamaan di atas.
Pada model material isotropic ini, terkadang kita bisa juga menginputkan massa jenis untuk perhitungan beban inersial atau berat, serta thermal expansion coefficient untuk memodelkan pemuaian serta tegangan termal. Perlu dicatat bahwa input dari massa jenis dan thermal expansion tidaklah wajib pada perhitungan struktur pembebanan sederhana (tidak ada efek beban inersia dan termal)
Two-dimensional anisotropic material (MAT2 entry)
Model material 2D untuk elemen plat dan shell. in-plane material properties didefinisikan berdasarkan sistem koordinat material, termasuk juga transverse shear dapat disertakan.
Material ini hanya dapat digunakan untuk model elemen 2D shell, yang dapat didefinisikan juga untuk memperhitungkan detail dari efek shear stress akibat ketebalanya. Model ini merupakan model anisotropic, sehingga dapat memodelkan sifat material yang berbeda pada arah yang beban yang berbeda khususnya pada arah planar shell element. Berikut adalah definisi matematis dari material ini:
Axisymmetric solid orthotropic material (MAT3)
Model material 3D untuk analisis axisymmetric.
Analisis axisymetric merupakan analisis yang melibatkan model yang dapat dibentuk melalui sumbu putar 360 derajat, misalkan poros, atau model pulley dengan penampang konstan dan diputar pada sumbu putar tertentu.
Berikut adalah persamaan yang digunakan untuk mendefinisikan model axisymmetric ini:
Two-dimensional orthotropic material (MAT8)
Merupakan model material yang hanya dapat digunakan untuk elemen plate dan shell, namun dapat didefinisikan sifatnya pada semua sumbu nya (orthotropic).
Model ini dapat juga digunakan untuk memodelkan material komposit dengan ketebalan tertentu yang memiliki sifat orthotropic. Berikut adalah definisi matematis material 2D orthotropic:
Three-dimensional anisotropic material (MAT9)
Model ini merupakan yang paling lengkap diantara model-model di atas, yang merupakan model anisotropic 3D atau bahkan orthotropic.
Berikut adalah persamaan yang mendefinisikan material ini:
Untuk mendapatkan permodelan yang lengkap dari material-material di atas, software yang paling advanced untuk digunakan adalah MSC Nastran baik menggunakan user interface Patran yang advanced, atau menggunakan MSC Apex yang jauh lebih user friendly dan modern.
