Digital Experimental Engineering Framework (DEEF)

Metode Eksperimen & Analisis Berbasis Komputer

Transformasi objek rekayasa fisik menjadi keputusan cerdas berbasis data empiris. Mengintegrasikan instrumen sensor, pemodelan matematis, simulasi numerik, dan kecerdasan buatan untuk mahasiswa Magister Teknik Mesin Universitas Bengkulu.

16

Pekan Kuliah

3

Pilar DEEF

C1-C6

Bloom's Taxonomy

v1.2

Valid DOI Verified

Master Research Object

Rancang Bangun Alat Ukur Panas Bumi (Geothermal Logging Tool)

Menghadapi temperatur fluida ekstrem ($>250^\circ\text{C}$), tekanan hidrostatik sumur ($>15\text{ MPa}$), dan asam korosif. Digunakan sebagai role-model utama bagi mahasiswa S2 dalam menyusun Digital Engineering Portfolio (DEP).

Unduh Slide Geothermal (v1.2)

Tantangan Rekayasa

  • Termal: Menjaga elektronika $\le 85^\circ\text{C}$ selama 4 jam operasi.
  • Mekanik: Menghindari tekuk lokal (*buckling*) selubung Titanium Gr. 5.
  • Sensorik: Respons termal cepat dengan jeda (*thermal lag*) minimal.
Konsep Inti

Tiga Pilar Kerangka Kerja DEEF

Siklus komprehensif dari penyiapan fisik sensor hingga ekstraksi informasi dan inferensi keputusan rekayasa.

01

Penyiapan Sensor (Sensor Preparation)

Pemilihan tipe transduser, analisis karakteristik impedansi, pemilihan lapisan perekat (*shear-lag* epoksi), media penghubung akustik (*couplant*), dan kalibrasi standar reproduktibilitas.

  • PZT Piezoelectric Transducers (PZT-5H/PZT-5A)
  • Shear-lag epoksi tipis (<50 μm)
  • Kalibrasi patah pensil (ASTM E976)
Fokus Fisik & Perangkat Keras
02

Pengolahan Data (Data Processing)

Penyondokan frekuensi (*frequency sweep*), pengkondisian sinyal (*preamplifier* 40 dB), penapisan derau industri (*bandpass* 100–400 kHz), dan digitalisasi berkecepatan tinggi tanpa aliasing.

  • High-speed ADC (2–5 MS/s sampling)
  • Eliminasi pergeseran termal (EFS Algorithm)
  • Spektrum daya FFT & Wavelet Transform
Fokus Sinyal & Instrumentasi
03

Pengolahan Informasi (Information Extraction)

Penetapan indeks keparahan kerusakan mekanis (RMSD/MAPD), lokalisasi koordinat kebocoran kontinu dengan TDOA gelombang Lamb $S_0$, serta pengambilan keputusan berambang batas bertingkat.

  • Root Mean Square Deviation (RMSD)
  • Lokalisasi TDOA dengan koreksi dispersi
  • Multi-level Decision Support Matrix
Fokus Keputusan & Rekayasa
Simulasi Interaktif

Virtual Laboratory & Engineering Tools

Eksplorasi kalkulasi analitik mandiri secara langsung melalui peramban web tanpa memerlukan instalasi perangkat lunak tambahan.

Kalkulator Lokalisasi Kebocoran Pipa (TDOA)

Persamaan waktu tiba gelombang Lamb simetris: $x = \frac{1}{2} (L - v_g \cdot \Delta t)$

Pekan Akustik
Mode $S_0$ pipa baja $\approx 5000 - 5400\text{ m/s}$
$\Delta t = t_2 - t_1$ (dalam mikrodetik)

Visualisasi Posisi Sensor & Titik Bocor pada Pipa

Sensor 1 (0 m)
Sensor 2 (L)
Leak
Jarak dari Sensor 1 ($x$) 1.636 meter
Jarak dari Sensor 2 ($L - x$) 2.364 meter
Kurikulum & RPS

Roadmap Silabus 16 Pekan Perkuliahan

Rencana Pembelajaran Semester (RPS) terstruktur untuk membimbing mahasiswa S2 menghasilkan Digital Engineering Portfolio (DEP) dan manuskrip ilmiah standar internasional.

I

Fase 1: Formulasi Masalah & Sistem Pengukuran (Pekan 1–4)

Mencakup Chapter 1–4: Research Object, Physical Variables, & Instrumentation (CPMK-1 & 2)

Pekan 1: Engineering Problem to Research Object Mentransformasi masalah empiris industri menjadi objek uji laboratorium terkontrol. Studi Kasus Geothermal.
Pekan 2: Physical Variables & Phenomena Map Hukum kesetimbangan Fourier, tegangan tabung, dan pemetaan variabel dependen, independen, dan kontrol.
Pekan 3: Measurement Systems & Dynamic Characteristics Sistem pengukuran orde nol, satu, dan dua. Respons transien termokopel dan galat dinamik.
Pekan 4: Transducer Selection & Calibration Pemilihan transduser berdasarkan rentang ukur, sensitivitas, linearitas, dan kalibrasi standar nasional.
II

Fase 2: Akuisisi Data, Simulasi Digital, & UTS (Pekan 5–8)

Mencakup Chapter 5–7: Sinyal, Model Empiris, Eksperimen Virtual, & Evaluasi Proposal (CPMK-2 & 3)

Pekan 5: Signal Conditioning & High-Speed DAQ Digitalisasi ADC, sampling rate Nyquist, penapisan filter analog/digital, dan eliminasi derau frekuensi tinggi.
Pekan 6: Empirical Curve Fitting & Digital Models Pemodelan matematis regresi linear/non-linear dari data sensor untuk merepresentasikan karakteristik fisik objek.
Pekan 7: Virtual Experiment & Numerical Simulation Eksperimen virtual dengan simulasi komputasi numerik untuk menguji skenario ekstrem tanpa merusak benda uji.
Pekan 8: Ujian Tengah Semester (UTS) — Bobot 20% Presentasi komprehensif rancangan eksperimen dan portofolio digital Chapter 1–7 di hadapan tim pengampu.
III

Fase 3: Analisis Ketidakpastian, AI, & Optimasi RSM (Pekan 9–12)

Mencakup Chapter 8–11: Uncertainty Propagation, Machine Learning, ANOVA, & DOE (CPMK-3 & 4)

Pekan 9: Uncertainty Propagation & Validation Kalkulasi perambatan ketidakpastian (Kline-McClintock) dan uji interval kepercayaan data laboratorium.
Pekan 10: Artificial Intelligence & Predictive Modeling Penerapan algoritma pembelajaran mesin untuk klasifikasi pola kerusakan struktur dan prediksi performa sensor.
Pekan 11: Statistical Decision Support (ANOVA) Uji hipotesis statistik dan Analisis Variansi (ANOVA) untuk menguji signifikansi perlakuan rekayasa.
Pekan 12: Design of Experiments (DOE) & RSM Desain faktorial dan Response Surface Methodology (RSM) untuk menemukan titik optimum variabel proses rekayasa.
IV

Fase 4: Robust Design, Manuskrip Jurnal, & Capstone UAS (Pekan 13–16)

Mencakup Chapter 12: Taguchi Method, Scientific Writing, & Sidang Akhir (CPMK-4)

Pekan 13: Robust Design & Taguchi Sustainability Optimasi parameter kokoh (Robust Design Taguchi) dan analisis siklus hidup produk yang ramah lingkungan.
Pekan 14–15: Scientific Manuscript Writing (LaTeX) Pembimbingan intensif menyusun draf paper jurnal ilmiah berstandar IEEE/Elsevier berdasarkan 12 Chapter DEP.
Pekan 16: Ujian Akhir Semester (UAS / Capstone) — Bobot 50% Evaluasi luaran portofolio Digital Engineering Portfolio (DEP) dan sidang presentasi manuskrip paper akhir.
Repository Dokumen

Pusat Unduhan Materi & Kode Simulasi

Seluruh modul telah diperbarui dengan nomor versi formal v1.2 dan rujukan DOI terverifikasi.

Modul & LKM v1.2

Metode Eksperimen Berbasis Impedansi (EMI)

Modul komprehensif electromechanical impedance, transduser PZT, pemantauan kuat-kendur ikatan baut, integritas coating cat, dan problem set Taksonomi Bloom C1–C6.

Unduh PDF
Slide Beamer v1.2

Slide Presentasi: Eksperimen Impedansi

Slide kuliah 16:9 Beamer menjelaskan model kopling elektromekanis Liang (1994), pengkondisian admitansi listrik $Y(\omega)=G+jB$, dan diagram alir DEEF.

Skrip Octave .m Script

simulasi_impedansi_baut.m

Kode simulasi GNU Octave mandiri untuk pemodelan respon konduktansi PZT, penurunan frekuensi baut longgar, dan perhitungan otomatis metrik RMSD/MAPD.

Modul & LKM v1.2

Metode Eksperimen Akustik & Ultrasonik

Panduan lengkap Acoustic Emission (AE) pasif dan Ultrasonic Testing (UT) aktif. Dilengkapi persamaan gelombang Lamb, lokalisasi kebocoran pipa TDOA, dan problem set C1–C6.

Unduh PDF
Slide Beamer v1.2

Slide Presentasi: Eksperimen Akustik

Slide presentasi Beamer berorientasi industri: membedakan sinyal kontinu turbulensi jet kebocoran vs letupan retak, serta karakterisasi medan dekat ultrasonik.

Skrip Octave .m Script

simulasi_akustik_kebocoran.m

Skrip Octave untuk simulasi sinyal emisi akustik kebocoran pipa, atenuasi jarak radial, analisis spektrum FFT puncak 150 kHz, dan kalkulasi energi RMS.

Bahan Ajar v1.2

Bahan Ajar Minggu 1 & 2

Panduan fundamental rekayasa: mengubah Engineering Problem menjadi Research Object yang terukur dan memetakan variabel fisis independen, dependen, dan kontrol.

Unduh PDF Chapter 1 & 2
Problem Set & LKM v1.2

Problem Set & Worksheet M1–2

Kumpulan lembar kerja mandiri mahasiswa dan soal perhitungan kuantitatif (konduksi Fourier, regangan elastis casing, propagasi galat, dan trade-off isolator termal).

Buku Referensi Hak Cipta Penerbit

Buku Teks Referensi Standar

Buku teks acuan dilindungi hak cipta (*copyright*). Tidak disediakan berkas unduhan digital demi kepatuhan hak cipta akademik. Mahasiswa dapat meminjam edisi fisik atau mengakses koleksi digital melalui perpustakaan resmi:

J.P. Holman (2012)
Experimental Methods for Engineers, 8th Ed, McGraw-Hill.
ISBN: 978-0073529301
Douglas C. Montgomery (2017)
Design and Analysis of Experiments, 9th Ed, John Wiley & Sons.
ISBN: 978-1119113478
Koleksi UPT Perpustakaan UNIB E-Library UNIB
Integritas Saintifik

Daftar Rujukan Ilmiah Terverifikasi (Valid DOI)

Seluruh literatur acuan telah melalui audit integritas dan verifikasi tautan langsung ke Crossref, OpenAlex, dan registri DOI resmi.

Elektromekanikal Impedansi (EMI Model)

Liang, Sun, & Rogers (1994)

Coupled Electro-Mechanical Analysis of Adaptive Material Systems...

Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 5(1): 12–20.

DOI: 10.1177/1045389X9400500102
Monitoring Baut Piezoelektrik 3D

Li, Wang, & Song (2020)

Monitoring of bolt looseness using piezoelectric transducers: Three-dimensional numerical modeling with experimental verification.

Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 31(6): 911–918.

DOI: 10.1177/1045389X20906003
Deteksi Kebocoran Pipa Akustik

Ahadi & Bakhtiar (2010)

Leak detection in water-filled plastic pipes through the application of tuned wavelet transforms to Acoustic Emission signals.

Applied Acoustics, 71(7): 634–639.

DOI: 10.1016/j.apacoust.2010.02.006
Standar Internasional Emisi Akustik

Grosse & Ohtsu, Eds. (2008)

Acoustic Emission Testing: Basics for Research—Applications in Civil Engineering.

Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.

DOI: 10.1007/978-3-540-69972-9
Integritas Rongga & Debonding Sambungan

Tenreiro, Lopes, & da Silva (2023)

Influence of void damage on the electromechanical impedance spectra of Single Lap Joints.

NDT & E International, 138: 102865.

DOI: 10.1016/j.ndteint.2023.102865
Gelombang Terpandu (Guided Lamb Waves)

Rose, Joseph L. (2014)

Ultrasonic Guided Waves in Solid Media.

Cambridge University Press, Cambridge, UK.

DOI: 10.1017/CBO9781107273610
Fakultas Teknik UNIB

Tim Dosen Pengampu Mata Kuliah

Kolaborasi pakar dalam rekayasa eksperimental, sistem instrumentasi digital, pemodelan komputasi, dan kecerdasan buatan.

Ir. A Sofwan FA

M.Tech., Ph.D., IPM.

Engineering Thinking & Framework Design

Koordinator Digital

Ir. Novalio Daratha

S.T., M.Sc., Ph.D.

Digital Model, Simulation & Optimization

Ir. Arie Vatresia

S.T., M.T.I., Ph.D.

Data Acquisition & Artificial Intelligence

Prof. Dr. Lindung Zalbuin Mase

Guru Besar

Advanced Analytics & Research Methodology

Bedah Kasus: Geothermal Logging Tool

Dalam sumur eksplorasi panas bumi, gradien temperatur dan tekanan hidrostatik fluida merupakan variabel kritis penentu kapasitas reservoir. Kondisi operasi mencakup temperatur >250°C dan tekanan >15 MPa.

3 Pertimbangan Multifisika Utama:

  1. Konduksi & Konveksi: Selubung silinder logam Titanium Grade 5 dengan isolator mikropori menjaga suhu ruang sirkuit elektronik tetap di bawah 85°C.
  2. Tegangan Tangensial (*Hoop Stress*): Tekanan eksternal 15 MPa dihitung terhadap risiko kolaps (*implosion*) dan tekuk lokal tabung.
  3. Integritas Segel (*O-Ring*): Pemilihan elastomer fluoro-silikon khusus tahan uap panas dan gas asam terlarut (H2S, CO2).

Mahasiswa diajarkan untuk menyusun Variable Matrix dan Physical Phenomena Map sebelum memilih sensor fisik di laboratorium.

Deskripsi Modul: Pekan Impedansi (EMI)

Modul ini membedah teknik Electromechanical Impedance (EMI) berbasis sensor piezoelektrik PZT. Struktur fisik yang dipantau mencakup:

  • Pemantauan kuat-kendur sambungan baut flensa pipa (torsi 50 Nm → 0 Nm).
  • Evaluasi pelepasan adhesi / delaminasi lapisan cat (*coating void damage*).
  • Algoritma kompensasi efek termal *Effective Frequency Shift* (EFS).
Kompetensi Bloom: C1 (Mengingat admitansi), C2 (Shear-lag effect), C3 (Kalkulasi RMSD), C4 (Analisis EFS suhu), C5 (Evaluasi saturasi op-amp AD5933), C6 (Rancang arsitektur multi-baut).

Deskripsi Modul: Pekan Akustik & UT

Modul ini mengintegrasikan metode pasif Acoustic Emission (AE) dan metode aktif Ultrasonic Testing (UT):

  • Karakterisasi sinyal kontinu turbulensi jet kebocoran fluida pipa ($V_{\text{RMS}} \propto d^2 \sqrt{\Delta P}$).
  • Lokalisasi posisi kebocoran melalui gelombang Lamb mode simetris $S_0$ dengan TDOA.
  • Pengujian cacat rongga bejana tekan dan penentuan batas zona medan dekat ultrasonik.
Kompetensi Bloom: C1 (Terminologi ASTM E1316), C2 (Dispersi Lamb Rose 2014), C3 (TDOA & atenuasi dB), C4 (Analisis Kurtosis vs Letupan), C5 (Evaluasi cacat medan dekat N), C6 (Rancang arsitektur multi-sensor pipeline).