Tutorial Simulasi FEA Friction Heating & Archard Wear pada Brake Pad Menggunakan MSC Marc (Hexagon)

Simulasi sistem pengereman (brake system) adalah salah satu tantangan paling menarik dalam industri otomotif, terutama bagi para desainer yang mengandalkan Metode Elemen Hingga (Finite Element Method – FEM). Kompleksitasnya muncul dari tingkat non-linearitas yang tinggi, melibatkan kontak gesekan yang menghasilkan panas (friction heating) dan keausan (wear).

Kami akan menjelaskan langkah demi langkah cara melakukan simulasi komprehensif ini menggunakan perangkat lunak unggulan dari Hexagon, yaitu MSC Marc dan antarmuka penggunanya, Mentat.

Mengapa Simulasi Brake System Penting dengan FEA?

Analisis sistem rem melibatkan fenomena non-linear yang sulit diatasi oleh perangkat lunak FEA umum. Terdapat dua fokus utama dalam simulasi ini:

1. Friction Heating: Panas yang ditimbulkan akibat gesekan antara brake pad dan piringan (disk) [00:30]. Panas berlebih dapat merusak material dan mengurangi efisiensi pengereman.

2. Archard Wear: Model keausan yang digunakan untuk mensimulasikan pembaruan geometri akibat pengikisan material pad selama proses pengereman [01:50].

MSC Marc, yang memang didedikasikan untuk analisis non-linear, sangat kondusif untuk studi semacam ini, termasuk simulasi transien struktural-termal [06:51].

Langkah-Langkah Kunci dalam Simulasi Menggunakan MSC Marc/Mentat

Berikut adalah ringkasan tahapan simulasi yang dilakukan dalam tutorial:

1. Persiapan Model & Meshing

Model terdiri dari tiga komponen utama: Pad (kampas rem), Disk (piringan), dan Dudukan (didefinisikan sebagai rigid body) [03:32].

• Import dan Unit: Geometri diimpor (format STEP) dan unit disesuaikan, dalam kasus ini menggunakan meter [03:17].

• Meshing: Proses pembagian elemen dilakukan, dengan perhatian khusus pada ukuran mesh yang memadai untuk mengatasi kasus non-linear tanpa memakan waktu dan memori yang terlalu besar [04:30].

2. Definisi Material (Struktural dan Termal)

Material didefinisikan untuk menampung properti struktural dan termal, mengingat simulasi ini adalah struktural-termal transien [06:51].

• Properti Struktural: (Modulus Young, Rasio Poisson).

• Properti Termal: Konduktivitas termal dan Kalor Spesifik (Specific Heat) [07:18]. Contohnya, material diskmenggunakan Steel, dan pad menggunakan material seperti Rubber [06:09].

3. Pengaturan Kontak dan Archard Wear

Interaksi kontak menjadi pusat dari simulasi ini:

• Kontak Glue: Didefinisikan antara disk dan dudukan (komponen yang menempel) [14:03].

• Kontak Gesekan (Friction): Didefinisikan antara disk dan pad dengan koefisien gesek tertentu (misalnya, 0.4) [14:47].

• Model Keausan Archard: Diterapkan pada pad untuk mensimulasikan pengikisan material. Pengaturan meliputi nilai Hardness dan Wear Coefficient [11:18]. Fitur Update Geometri juga diaktifkan untuk melihat perubahan bentuk yang realistis [12:25].

4. Penetapan Batasan dan Beban (Boundary Condition)

Untuk mensimulasikan proses pengereman:

• Rotasi Disk: Kecepatan sudut (angular velocity) diberikan pada rigid body dudukan (misalnya, 8 Radian per detik) [10:54].

• Aplikasi Tekanan Pad: Pad ditekan ke bawah menggunakan displacement (pergeseran) ke arah Z. Dibuat kurva waktu agar pad turun, mencapai titik puncak, dan kemudian naik lagi [15:46].

5. Pengaturan Analisis & Running

Analisis diatur sebagai transient dengan total waktu 1 detik, dibagi menjadi 800 time steps untuk hasil gerakan yang lebih halus [19:35].

Interpretasi Hasil (Post-Processing)

Setelah simulasi selesai (sekitar 800 iterasi), hasil dievaluasi:

• Konvergensi: Memastikan konvergensi struktural dan termal dalam batas toleransi, meskipun fluktuasi normal terjadi karena efek gesekan dan pengikisan [22:52].

• Distribusi Temperatur: Visualisasi kontur suhu menunjukkan area-area di mana suhu meningkat secara signifikan akibat gesekan, yang mengindikasikan friction heating [24:51].

• Wear Index dan Wear Rate: Nilai ini menggambarkan besarnya pengikisan material (dalam satuan volume atau kedalaman) [27:34]. Dengan membandingkan geometri awal dan akhir, keausan yang terjadi pada pad dapat terlihat secara visual [29:04].

Optimasi dan Konsultasi FEA

Meskipun simulasi dasar ini sudah memberikan pemahaman mendalam, hasil yang lebih komprehensif dapat dicapai dengan memasukkan faktor-faktor seperti pendinginan (cooling), transfer panas yang lebih detail, dan mesh yang lebih halus [28:20].

PT Tensor merupakan distributor resmi Hexagon untuk solusi CAE di Indonesia, termasuk MSC Marc, MSC Nastran, Cradle, dan Simufact. PT Tensor siap membantu perusahaan Anda dalam pengadaan software, layanan konsultasi teknik (engineering consultation), dan pelatihan untuk meningkatkan kemampuan engineer Anda