Simulasi Frekuensi Alami dengan FEA untuk Desain Revolusioner
Frekuensi alami (natural frequency) adalah fondasi tak terlihat yang menentukan nasib desain teknik—titik di mana getaran internal struktur beresonansi tanpa pengaruh gaya eksternal. Ketika frekuensi gaya luar menyamainya, resonansi terjadi: amplitudo getaran meroket, berpotensi menghancurkan jembatan seperti Tacoma Narrows (1940). Di sinilah Finite Element Analysis (FEA) menjadi pahlawan. Simulasi ini tak sekadar memprediksi kegagalan, tapi membuka potensi desain dengan mengoptimasi frekuensi alami sebelum prototipe fisik ada.
Apa Itu Frekuensi Alami & Mengapa Krusial dalam Desain?
Frekuensi alami adalah laju getaran intrinsik suatu struktur ketika terganggu, tanpa gaya penggerak atau redaman. Setiap sistem memiliki beberapa mode getar (normal modes), masing-masing dengan frekuensi alami uniknya. Hubungannya dengan resonansi adalah inti masalah:
-
Risiko Resonansi: Jika frekuensi gaya luar (forced frequency) bertemu frekuensi alami sistem tak teredam, amplitudo getaran meningkat tak terkendali.
-
Formula Dasar: Untuk sistem massa-pegas sederhana, frekuensi alami (ωn) dihitung sebagai:
ωn=(k/m)^0.5
di mana k = kekakuan (stiffness), m = massa.
-
Pengaruh Redaman: Sistem teredam memiliki frekuensi alami lebih rendah (ωd):
ωd=ωn*(1−ζ^2)^0.5
(ζ = rasio redaman)
Faktor Pengaruh Frekuensi Alami
| Parameter | Pengaruh pada Frekuensi Alami | Contoh Modifikasi Desain |
|---|---|---|
| Kekakuan (k) | Berbanding lurus: ↑k=↑ωn | Penambahan rib, material komposit |
| Massa (m) | Berbanding terbalik: ↑m=↓ωn | Material berongga, topology optimization |
| Redaman (c) | Menurunkan , mengurangi amplitudo | Damper viskoelastik, lapisan polimer |
FEA: Kunci Simulasi Frekuensi Alami dengan Presisi Tinggi
FEA mengubah struktur kompleks menjadi jaringan elemen kecil yang dianalisis secara matematis. Dalam konteks frekuensi alami, FEA melakukan eigenvalue analysis untuk menyelesaikan persamaan:
K−ω2Mϕ=0
di mana K = matriks kekakuan, = matriks massa, = frekuensi alami, dan = mode getar. Namun, akurasi tradisional FEA bergantung pada kepadatan mesh.
Workflow Simulasi FEA Sederhana Menggunakan Normal Modes
Kita coba gunakan geometri sederhana menggunakan plat sederahana:
- Persiapan Geometry: Geometri dapat diimport dari berbagai macam software CAD atau dibuat langsung di software FEA seperti MSC Apex.
- Meshing and Constraints: Gunakan surface meshing supaya lebih mudah dan cepat. Kunci gerakan ke 4 sisi samping supaya tidak ada pergerakan baik rotasi ataupun translasi.
- Material Input: Input material propertiesnya seperti modulus, poisson ratio, dll atau input dari library software FEA.
- Hasil Simulasi: Setelah simulasi dijalankan, hasilnya menunjukkan bagaimana pelat bergetar pada frekuensi alami yang berbeda, dimulai sekitar 1100 Hz. FEA dapat mendemonstrasikan bagaimana peningkatan frekuensi memengaruhi pola getaran. FEA juga dapat menunjukkan cara melihat hasil perpindahan (displacement) dan kecepatan (velocity).
Contoh hasil simulasi
Sumber:
https://www.mdpi.com/2075-5309/14/5/1195 (diakses pada tanggal 27 Juli 2025)
https://youtu.be/qTi7SSbJ5BY?si=8hNKUp07P5NKAiM3 (diakses pada tanggal 27 Juli 2025)
https://www.simscale.com/docs/simwiki/fea-finite-element-analysis/what-is-natural-frequency/ (diakses pada tanggal 27 Juli 2025)