Analisis numerik pada struktur, atau dikenal juga Finite Element Analysis (FEA) merupakan salah satu metode yang sudah menjadi standar di industri dalam merancang komponen struktur; baik untuk memastikan bahwa struktur tersebut cukup kuat untuk menahan beban kritikal, atau meminimalisir penggunaan material misalkan untuk produksi masal dan juga meringankan berat total sistem. Pada artikel Perbedaan CAD-Embedded-FEA versus Dedicated-FEA Software, kita telah membahas secara detail perbedaan keduanya, yaitu software FEA yang hanya merupakan bawaan dari software CAD, dibandingkan dengan software FEA yang DNA-nya sudah didedikasikan untuk analisis. Kesimpulanya, adalah banyak sekali fitur dari CAD-Embedded-FEA yang tidak dimiliki oleh dedicated-FEA, namun penggunaanya lebih banyak karena faktor harga dan user interface.
Pada artikel ini, akan diulas lebih mendalam bagaimana pemilihan kedua software tersebut dari sudut pandang manajerial, yaitu Return On Investment (ROI). Disclaimer: angka-angka yang digunakan pada artikel ini hanyalah ilustrasi, namun perusahaan anda dapat menggunakan framework yang sama untuk analisis.
Return On Investment (ROI)
Anda dapat melihat pembahasan secara khusus ROI untuk CAE pada artikel Maksimalkan Investasi dengan ROI pada CAE software, Pada artikel ini akan kita gunakan persamaan yang sama yaitu:
Dengan:
Penghematan biaya = biaya material original – biaya material setelah invest
Peningkatan pendapatan = nilai ini dapat diinput misalkan terdapat peningkatan harga produk karena desain yang lebih baik
Biaya awal = harga awal investasi software, termasuk training dll
Dalam contoh kasus ini, kita hanya akan menggunakan satu jenis part saja, tentunya anda harus memperhitungkan juga part-part lain yang didesain menggunakan software ini di keseluruhan lini produksi anda.
Contoh perhitungan ROI
Pada contoh ini, kita akan menganalisis suatu komponen pelat yang disambung dengan baut sederhana yang akan diproduksi secara masal.
Misalkan, sebelum dilakukan analisis dengan software:
- Harga jual produk = Rp 150.000,-/pcs
- Biaya manufaktur = Rp 20.000,-/pcs
- Biaya material = Rp 100.000,- /pcs
Sehingga net income dari produk ini adalah: Rp 30.000,-/pcs
Asumsi di atas diperoleh dengan best practices atau pengalaman sebelumnya dari trial and error. Pada kondisi ini, perusahaan ingin menurunkan biaya produksi dengan mengurangi biaya material dengan analisis yang lebih mendalam dengan berinvestasi pada software FEA.
Pilihan software FEA
Setelah menghubungi beberapa vendor, diperoleh harga software CAD-Embedded-FEA yaitu sebesar Rp 100.000.000,- sedangkan Dedicated-FEA software seharga Rp 600.000.000,- (Disclaimer: Ilustrasi ini tidak mencerminkan harga sesungguhnya, hanya harga tipikal di pasaran).
Detail model komponen
Berikut adalah contoh model geometri produk yang ingin diproduksi:
Hasil simulasi menggunakan CAD-Embedded-FEA
Menggunakan CAD-Embedded-FEA, dengan keterbatasan kemampuan analisis kontak yang advanced, terkadang engineer harus menyederhanakan kasus dengan membuat constraint pada lubang secara manual. Pemberian asumsi constraint yang salah dapat menghasilkan hasil yang tidak akurat, atau bahkan lokasi tegangan tertinggi tidak berada di posisi yang seharusnya.
Contoh pemberian constraint yang salah (pada seluruh lubang) menghasilkan hasil yang salah
Pemberian constraint pada daerah yang diasumsikan terkena kontak
Lokasi constraint pada contoh di atas sangatlah menentukan hasil simulasi, meskipun demikian, dengan asumsi contraint yang disederhanakan, kita tidak dapat juga memperoleh lokasi dan distribusi reaksi gaya dari baut di dalam lubang.
Pada kasus ini, diperoleh tegangan maksimum sebesar 128 MPa.
Misalkan tegangan maksimum yang diijinkan adalah sebesar 150 MPa, maka diperoleh safety factor sebesar 200/128 = 1.56. Misalkan kita menghendaki safety factornya adalah 1.5, artinya, kita masih bisa mengurangi material (kita asumsikan linier dengan safety factor) yaitu sebesar 6%.
Dengan asumsi biaya material adalah Rp 100.000,-/pcs, kita dapat redesign sehingga tereduksi menjadi Rp 94.000,-/pcs.
Hasil simulasi menggunakan Dedicated-FEA
Menggunakan Dedicated-FEA, kita memiliki keleluasaan untuk menggunakan permodelan kontak dengan lebih detail dan tidak oversimplifying constraint, sehingga kita mendapatkan kepastian desain yang lebih dengan fenomena fisika yang lebih real.
Analisis pelat dengan detail interaksi kontak dengan baut dan pelat pengampit nya
Dengan analisis kontak yang detail, kita bahkan mengetahui detail dari tegangan pada baut yang distribusinya mempengaruhi tegangan pada lubang kontak
Dari analisis ini, hasil yang diperoleh cukup mengejutkan, yaitu tegangan tertinggi yang terjadi pada lubang hanyalah 4 MPa, karena beban didistrubusikan juga ke baut dengan tegangan maksimum 13 MPa.
Dengan asumsi batas kekuatan material adalah 200 MPa, maka safety factor dari pelat adalah 200/4 = 50, yang mana sebenarnya masih sangatlah konservatif dibandingkan dengan desain awal dan target safety factor 1.5. Katakanlah ketebalan material dibatasi dimensinya hanya boleh 50% dari desain awal, maka kita dapat melakukan redesign dengan pengurangan material hingga 50%, sehingga biaya material yang Rp 100.000,-/pcs dapat kita reduksi menjadi Rp 50.000,-/pcs.
Di luar simulasi tegangan, dedicated FEA seperti MSC Nastran memiliki solver yang didedikasikan juga untuk optimasi, misalkan optimasi parameter ketebalan dengan constraint-constraint maksimum-minimum yang dapat ditentukan dari awal oleh desainer.
Perbandingan ROI
Kita dapat melihat dengan jelas perbedaan hasil simulasi CAD-Embedded-FEA terhadap Dedicated-FEA, namun, harga kedua software tersebut juga berbeda, sehingga kita harus kembali ke persamaan ROI untuk membandingkan keduanya.
Pada grafik di bawah ini, dibandingkan jumlah produksi terhadap nilai ROI kedua software:
Pada gambar sebelah kiri, ROI versus Jumlah produksi, terlihat bahwa baik untuk CAD-Embedded-FEA maupun dedicated FEA, keduanya memiliki nilai ROI yang negatif pada jumlah produksi yang rendah, baru kemudian keduanya naik sampai ke nilai tertentu seiring dengan bertambahnya jumlah produksi. Dapat dilihat bahwa kemiringan kurva dedicated-FEA lebih besar, sehingga ROI dari pembelianya akan selalu lebih tinggi pada kasus ini.
Break Event Point (BEP) pembelian software FEA
Kemudian, pada gambar sebelah kanan, terlihat penghematan biaya material vs jumlah produksi, dibandingkan dengan garis horizontal yaitu harga software untuk melihat break event point (BEP) nya. Meskipun dedicated-FEA lebih mahal, namun pada total produksi sekitar 11.000 unit sudah mencapai BEP, sedangkan CAD-Embedded-FEA baru BEP pada nilai sekitar 17.000 unit produksi.
Kesimpulan
Keputusan pembelian software FAE merupakan hal yang cukup tricky dilihat dari jumlah budget investasi dibandingkan dengan dampak ROI dan BEP nya secara jangka panjang, sehingga manajemen harus mengkaji lebih mendalam case-by-case perhitunganya. Anda dapat mengubah sumbu X menjadi total project misalkan perusahaan anda mendesain custom sebuah sistem.
PT Tensor 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!