Desain kapal telah mengalami revolusi besar dalam beberapa dekade terakhir, terutama dengan penggunaan teknologi simulasi komputer canggih seperti CAE (Computer-Aided Engineering). CAE telah memungkinkan insinyur untuk merancang kapal dengan lebih presisi, mengoptimalkan kinerja mereka, dan meningkatkan keamanan pelayaran. Artikel ini akan menjelaskan secara komprehensif bagaimana CAE mempengaruhi proses desain kapal dan manfaatnya.
1. Pengantar ke Teknologi CAE dalam Desain Kapal
Teknologi CAE meliputi berbagai macam perangkat lunak simulasi, termasuk:
- Analisis Struktural: Memprediksi bagaimana kapal akan bereaksi terhadap gaya eksternal seperti gelombang laut dan angin, memastikan kekuatan struktur yang optimal.
- Dinamika Fluida Komputasional (CFD): Mengoptimalkan desain lambung kapal untuk mengurangi hambatan hidrodinamis dan meningkatkan efisiensi bahan bakar.
- Analisis Kelelahan: Memeriksa bagaimana beban berulang dapat mempengaruhi umur layanan kapal dan menentukan desain yang tahan lama.
2. Manfaat Penggunaan CAE dalam Desain Kapal
a. Peningkatan Keamanan
CAE memungkinkan simulasi keadaan darurat seperti kebocoran atau kemiringan kapal untuk mengidentifikasi solusi mitigasi sebelum kapal dibangun. Ini membantu meminimalkan risiko kecelakaan di laut.
b. Optimalisasi Kinerja
Dengan menggunakan CAE, desainer dapat menguji berbagai konfigurasi desain dan memilih yang memberikan kinerja terbaik dalam hal kecepatan, stabilitas, dan efisiensi bahan bakar. Hal ini mendukung pengembangan kapal yang lebih ramah lingkungan dan ekonomis.
c. Penghematan Biaya dan Waktu
Simulasi CAE memungkinkan identifikasi masalah potensial pada tahap awal desain, mengurangi kebutuhan akan prototipe fisik yang mahal. Hal ini juga mempercepat siklus desain secara keseluruhan.
3. Studi kasus Penggunaan software CAE dalam desain kapal
#1. Analisis gaya hambat (Drag) pada hull kapal
Menggunakan software CFD, kita dapat dengan mudah memprediksi gaya hambat dari kapal. Perhitungan gaya hambat dapat menjadi pekerjaan yang tricky karena adanya efek dari gelombang, sehingga nilainya tidak akan linear terhadap kecepatan (froude number). Permodelan gelombang dapat dilakukan dengan metode multiphase flow pada software CFD. Simulasi CFD juga memungkinkan untuk melihat detail distribusi tekanan pada hull, yang nantinya dapat dijadikan input pembebanan pada analisis struktur.
Software CFD yang umum digunakan pada simulasi hull drag, atau analisis lainya seperti torsi dan thrust pada propeller, kavitasi, stabilitas, atau bahkan HVAC pada ruang mesin adalah Cradle CFD; selain karena kapabilitasnya yang lengkap, proses meshing hybrid mendukung detail yang rumit pada komponen kapal, namun tetap efisien untuk simulasi seperti multiphase.
Software CFD yang umum digunakan pada simulasi hull drag, atau analisis lainya seperti torsi dan thrust pada propeller, kavitasi, stabilitas, atau bahkan HVAC pada ruang mesin adalah Cradle CFD; selain karena kapabilitasnya yang lengkap, proses meshing hybrid mendukung detail yang rumit pada komponen kapal, namun tetap efisien untuk simulasi seperti multiphase.
#2. Analisis kekuatan struktur hull
Struktur hull terdiri dari bagian-bagian yang sangat banyak dan kompleks, pembebanan dari hull juga cukup besar dari efek beda tinggi gelombang, docking, dan lain sebagainya yang harus benar-benar dihitung secara rinci. Menggunakan software FEA, kita dapat menghitung tegangan, regangan, serta deformasi dari hull dengan mudah.
Software FEA yang sudah menjadi standar industri selama puluhan tahun adalah MSC Nastran, karena solvernya yang sangat lengkap, mulai dari linear, nonlinear, buckling, dynamic analysis, vibration, bahkan hingga optimasi. Untuk mendapatkan kualitas geometri dan mesh yang baik, software generasi terbaru, MSC Apex banyak digunakan di industri maritim karena kelebihanya dalam membuat shell element (2D) dan beam element (1D), yang memungkinkan permodelan struktur-struktur besar seperti hull dimodelkan dengan “ringan”.
Tidak hanya menghitung tegangan, regangan, deformasi secara konvensional, solver dari MSC Nastran juga memungkinkan untuk melakukan optimasi, misalkan penentuan ketebalan, hingga topologi.
#3. Prediksi umur fatigue dengan berbagai skenario
Perhitungan kekuatan struktur hanya berdasarkan tegangan statis tidaklah cukup. Kita harus memastikan pembebanan berulang dari penggunaanya di lapangan tidak menghasilkan kelelahan material dibawah ekspektasi dari desain kita. Oleh karena itu, analisis menggunakan software fatigue yang memang sudah didedikasikan baik untuk fatigue time domain, frequency domain, atau random response seperti CAEFatigue harus digunakan.
Dengan simulasi fatigue ini, kita dapat memperoleh data-data seperti umur ekspektasi, damage, margin of safety, hingga safety factor berdasarkan ekspektasi umur serta time history pembebanan yang real dari skenario penggunaan nantinya atau existing data.
#4. Analisis ledakan ranjau untuk kapal perang
Skenario terburuk dari kapal perang atau kapal selam adalah terkena ledakan ranjau di dalam air. Engineer harus bisa memprediksi kemungkinan keselamatan atau skenario mitigasi dari struktur ketika terjadi underwater explosion (UNDEX). Software yang digunakan untuk skenario seperti ini adalah explicit dynamic solver; dan solver explicit yang sudah sangat banyak digunakan di industri adalah Dytran, karena keunggulanya dalam mengkombinasikan kekuatan struktur, fluida, dan kemudahanya memodelkan ledakan.
#4. Analisis Proses Produksi pada Kapal
Proses produksi kapal banyak sekali melibatkan proses yang rumit, seperti forging pada permesinan kapal, atau metal bending serta welding pada pelat-pelat atau sheet metal yang tipis, sehingga analisis yang mendalam dan menyeluruh sangat dibutuhkan sebelum kerugian material dan tenaga kerja terbuang sia-sia karena desain yang salah. Software yang paling umum digunakan untuk analisis ini adalah dengan Simufact, dengan berbagai modulnya seperti simufact forming, dan simufact welding.
4. Tantangan dan Masa Depan
Meskipun manfaatnya yang jelas, penggunaan CAE dalam desain kapal juga menimbulkan beberapa tantangan, seperti kompleksitas perangkat lunak dan kebutuhan akan keahlian yang tinggi dalam interpretasi hasil simulasi. Masa depan teknologi ini melibatkan integrasi lebih lanjut dengan kecerdasan buatan (AI) untuk meningkatkan efisiensi dan presisi dalam proses desain.
Kesimpulan
Teknologi CAE telah membuka pintu baru dalam industri perkapalan dengan memungkinkan desain kapal yang lebih aman, efisien, dan inovatif. Dengan terus mengembangkan kemampuannya, CAE akan terus menjadi tonggak dalam menciptakan kapal-kapal masa depan yang dapat menghadapi tantangan global dan menawarkan solusi berkelanjutan bagi industri maritim global.
PT Tensor mengadakan webinar dan training days secara berkala dengan berbagai tema, salah satunya adalah maritim. Daftar sekarang juga di bawah ini:
PT Tensor juga memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!