Jurnal Infotekmes in Vol.8 No.1 Juli 2017
ANALISA KEKUATAN KOMPONEN FORK DENGAN PEMBEBANAN STATIS MERATA PADA DESAIN AUTOMATIC GUIDED VEHICLES (AGV) MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.11 Joko Setia Pribadi Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Negeri Cilacap
[email protected]
Abstrak Kata Kunci:
abaqus; AGV; elemen MHE.
lifting metode hingga;
Komponen pada AGV akan mengalami pembebanan yang bervariasi dan terus berulang seiring dengan bongkar muat barang, tak terkecuali komponen pada sub-sistem lifting. Fork adalah komponen yang akan mengangkat beban secara langsung, kondisi naik, turun dan berputar akan berakibat terjadinya konsentrasi tegangan pada fork. AGV didesain dengan dimensi 1,4 × 0,82m dan tinggi dari permukaan roda bawah sampai ujung lifting atas 1,52m, mampu untuk mengangkat beban maksimal 100 kg dengan ketinggian pengangkatan maksimum 0,57 meter. Kontruksi fork menggunakan material baja karbon ASTM A36. Penelitian ini bertujuan menganalisa fork AGV terhadap beban statis guna mengetahui besarnya tegangan von mises, regangan (strain) untuk memastikan desain fork tersebut mampu menerima beban yang diterima sehingga aman dalam melakukan kerja. Metode elemen hingga menggunakan software Abaqus untuk menganalisa besarnya tegangan dan regangan pada fork pada kondisi pengangkatan beban maksimal ketinggian minimal, ditengah dan maksimal.Hasil dari simulasi menunjukan bahwa gaya yang bekerja pada komponen fork baik regangan maupun tegangan masih berada dibawah batas yang diijinkan sehinga desain fork dinyatakan aman.
Abstract Keywords:
abaqus; Lifting AGV ; finite element method; MHE
Components on AGV will experience varying loads and continue to recur along with loading and unloading of goods, not to mention the components in the lifting sub-system. Fork is a component that will lift the load directly, the conditions rise, fall and rotate will result in the concentration of voltage on the fork. AGV is designed with dimensions of 1.4 × 0.82m and height from the surface of the lower wheel to the upper lifting tip of 1.52m, capable of lifting a maximum load of 100 kg with a maximum lift height of 0.57 meters. Fork construction using ASTM A36 carbon steel material. This study aims to analyze the AGV fork on static loads to determine the magnitude of von mises stress, strain to ensure the fork design is able to accept the load received so that it is safe in doing the work. The finite element method uses Abaqus software to analyze the amount of stress and strain on the fork at maximum load lifting conditions minimum height, middle and maximum. The result of the simulation shows that the force acting on fork components both strain and tension is still below the allowable limit so that fork design Otherwise safe.
Alamat korespondensi E-mail :
[email protected] ISSN : 2087 – 1627
33
ISSN : 2087 – 1627
1.
Pendahuluan Mobil robot atau Automatic Guided VehicleAGV banyak sekali ragamnya, tergantung dari jenis pekerjaan apa yang akan dilakukan terutama dalam dunia industri. Salah satu jenis Material Handling Equipment (MHE) seperti conveyor,crane dan kerekan, elevator dan lift, sistem penyimpanan dan pengambilan otomatis dan sebagainya yang berfokus pada proses mentransfer sesuatu barang dari satu tempat ke tempat lain terutama di sektor industri atau industri gudang [5]. Seiring dengan bongkar muat barang komponen-komponen pada Automatic Guided Vehicle (AGV) akan mengalami pembebanan yang bervariasi dan terus berulang. Fork atau garpu adalah bagian utama dari sebuah forklift yang berfungsi sebagai penopang untuk membawa dan mengangkat barang. Fork berbentuk dua buah besi lurus dengan panjang rata-rata 2,5 m. Posisi peletakan barang di atas pallet masuk ke dalam fork juga menentukan beban maksimal yang dapat diangkat oleh sebuah forklift. Oleh k arena itu perlu dilakukan evaluasi kekuatan untuk mengetahui kemampuan dan keamanan komponen fork dalam menjalankan fungsinya sehingga dapat diperoleh kepastian dalam pengoperasian maupun tindakan preventif dalam bentuk perbaikan desain. Secara umum jenis kegagalan mekanik yang biasa ditemui dalam praktek seperti yielding komponen matrial dibawah beban statik sehingga terjadi deformasi yang besar, tekuk (buckling), creep, keausan (wear), patah (f racture) dapat berupa patah akibat tegangan yang melebihi batas kekakuan, patah lelah akibat beban fatigue, akibat beban impact, serta kegagalan akibat kombinasi antara tegangan dan korosi. [3] Tujuan perancangan ini adalah untuk menjamin komponen memiliki kinerja yang memuaskan dan dapat menahan tegangan serta deformasi yang terjadi selama umur pakainya, sehingga harus memenuhi nilai keamanan minimum yang disyaratkan dalam standar yang ada berdasarkan aturan-aturan metode engineering. Analisa elemen hingga merupakan suatu teknik numerik. Dalam metode elemen hingga, semua kompleksitas dari sebuah problem tetap dipertahankan sebegaimana adanya, seperti variasi bentuk, syarat batas, dan beban. Solusi penyelesain yang dicapai dari metode elemen hingga merupakan pendekatan dari solusi eksaknya [1]. Metode finite element digunakan untuk menyelidiki efek dari perubahan konfigurasi, struktur dan dimensi dari komponen penyusun pada karakteristik kekakuan komponen suspensi yang
kompleks bagian rangka dasar kendaraan. Analisa kekakuan elemen hingga dilakukan dengan menggunakan software ABAQUS. Bahan yang digunakan untuk analisis finite elemen adalah baja dengan modulus Young 206,8 Gpa dan poisson ratio 0,29 [2]. Manfaat dari penelitian ini adalah memberikan informasi komponen-komponen kritis pada desain, sehingga menghindari terjadinya faktor kegagalan, mampu memberikan hasil yang maksimal dalam pembuatan prototipe AGV, memberikan konstribusi pada pengembangan dan penguasaan di bidang teknologi manufaktur khususnya pada pengembangan sistem otomasi material handling. 2. Metodologi 2.1. Pemodelan Desain Automatic Guided Vehicle (AGV) Berikut adalah skema dari penelitian yang dilakukan. Dari Gambar 1 menunjukan bahwa analisa diawali dengan memasukan desain (import) dalam software abaqus, kemudian melakukan beberapa perbaikan desain lalu memasukan jenis material, menetukan syarat batas, constraint, memasukan beban, meshing dan terakhir melakukan iterasi merupakan proses dimana abaqus melakukan simulasi dan menghitung gaya-gaya yang terjadi pada setiap node. Kemudian melihat hasil penyelesaian ke modul visualization, hasilnya bentuk grafik berwarna yang merupakan keluaran dari apa yang diminta pada tahap field output reques, seperti besaran tegangan maksimal, regangan, displacement dan lain-lain untuk pengambilan dan pengolahan hasil simulasi.
Input Geometri
Developme nt ModelGeo metri
Visualization dan Report
Input Mat erial
Submit dan Result
Initial
Conditi on
Definisi Kontak
Gambar 1. Metodologi simulasi Finite Element Abaqus Berikut adalah desain AGV yang telah dibuat dan dianalisa seperti gambar 2 berikut ini.
34
ISSN : 2087 – 1627
Spesifikasi dari material ASTM A36 adalah sebagai berikut: Tabel 1. Spesifikasi material carbon steel ASTM A36 No 1 2 3 4 5 Gambar 2. Desain Automatic Guided Vehicle (AGV)
FORK
Gambar 3. Variasi ketinggian analisa kekuatan (a) 50 mm (b) 285 mm (c) 570 mm
Properties Tegangan luluh (σ y) Tegangan ultimate (σ u) Modulus young (E) Poisson ratio (ν) Density
Value 250 MPa 400 - 550 MPa 200 GPa 0.260 7850 Kg/m3
2.2. Beban, Tegangan (σ) dan regangan (ε) Desain AGV di rancang mampu mengangkat beban maksimal seberat 100 kg dengan ketinggian maksimal 0,57 meter. Konsep dasar tegangan dan regangan dapat di ilustrasikan dengan meninjau sebuah batang prismatik yaitu batang lurus yang memiliki penampang sama pada keseluruhan panjangnya dengan panjang mula-mula L yang dibebani dengan gaya aksial P pada ujungnya seperti Gambar 5. berikut. Untuk mengamati tegangan-tegangan internal yang ditimbulkan gayagaya aksial dalam batang dibuat suatu pemotongan garis khayal pada irisan m-n. Irisan ini diambil tegak lurus sumbu longitudinal batang seperti pada Gambar 5 (a). Karena itu irisan ini dikenal sebagai suatu penampang (cross section).
Spesifikasi desain AGV adalah sebagai berikut, dimensi 1,47 × 0,82 m dan tinggi dari permukaan roda bawah sampai ujung lifting atas 1,52 meter, mampu untuk mengangkat beban maksimal 100 kg dengan ketinggian pengangkatan maksimum 0,57 meter. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : Stuktur lifting dibuat dari material carbon Steel ASTM A36 setara dengan ST 37 dengan bentuk profil kotak berongga ukuran 40 × 40 × 1,6 mm yang dilas. Material ini digunakan untuk bagian komponen mast, carriage, dan rangka, sedangkan fork menggunkana ASTM A36 solid. Gambar 5. Batang prismatik dengan beban P Dengan menganggap bahwa gaya terdistribusi merata pada penampang batang maka hubungan antara gaya, luas penampang dan tegangan diperoleh persamaan berikut ini.
(1) Gambar 4. profil material lifting
Sebuah batang yang dibebani secara aksial akan mengalami perubahan panjang dimana akan
35
ISSN : 2087 – 1627
menjadi lebih panjang apabila tegangan tarik dan akan lebih pendek bila tegangan tekan. Regangan (strain) merupakan perbandingan antara panjang L dengan perubahan panjang ΔL seperti persamaan berikut :
50mm, 285 mm dan 570 mm seperti pada Gambar 4 berikut ini.
Perbandingan antara tegangan dan regangan yang berasal dari diagram tegangan regangan dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut: b
σ ε
(3)
Sedangkan safety factor (SF) atau faktor keamanan diperlukan sesuai dengan kondisi kerja dan jenis material yang digunakan. 3. Hasil dan Pembahasan Analisa beban statis terdistribusi merata pada bidang garpu Analisa kekuatan material pada fork dilakukan untuk mendapatkan elemen mesin yang aman bisa secara analitik maupun dengan bantuan software. Teori yang digunakan dalam menganalisa kegagalan dalam penelitian ini adalah Distorsion Energy Theory (DET) yang dikenal sebagai Von Mises Criterion. Teori kegagalan ini disebabkan oleh energi elastik yang bergabung dengan deformasi geser. Teori ini berlaku untuk material yang memiliki sifat ulet (ductile). Rumus yang digunakan untuk memprediksi kegagalan yaitu : σe =
E √
Gambar 4. Variasi ketinggian pengangkatan beban statis merata pada lifting (a) 50 mm (b) 285 mm (c) 570 mm Saat mengangkat beban maka masing-masing komponen akan menderita tegangan. Fork sebagai komponen yang langsung menerima beban mendapatkan beban tekan sebesar 0,016 N/mm2, yang akan terdistribusi pada tiap komponen subsistem lifting. Berdasarkan hasil simulasi dengan software Abaqus seperti pada Gambar 5 yang dilakukan pada 3 ketinggian yang berbeda, didapatkan hasil tegangan dan tegangan von misses pada fork adalah sebagaimana Gambar 6, 7.
{(σ3 – σ 1)2 + (σ3 – σ2 )2 + (σ 3 – σ 1)2 }1/2 (4)
Bidang fork sebagai komponen yang menerima beban secara langsung. Luas bidang fork yang menerima beban terdistribusi merata pada permukaan dua buah garpu adalah 655 × 80 mm × 2 buah = 104.800 mm2 . Sedangkan gaya yang diterima oleh bidang fork sebesar: Ffork = (Wbeb an + Wlifting) × gravitasi
Gambar 5. Hasil iterasi menggunakan software Abaqus
(5)
jadi besar Ffork = (100 + 66 kg) × 10 m/s = 1660 N. Sehingga tekanan (P) yang diterima oleh garpu per mm2 sebesar :
/mm2 Analisa ini dilakukan pada tiga ketinggian pengangkatan yang berbeda yaitu pada ketinggian Gambar 6. Distribusi regangan beban statis merata
36
ISSN : 2087 – 1627
Berdasarkan tahapan-tahapan analisa yang telah dilakukan hasil regangan pada 3 titik ketinggian yang berbeda yaitu 50 mm, 287 mm dan 570 mm didapatkan hasil, semakin tinggi beban, regangan yang terjadi makin meningkat. Akan tetapi dari ketiga ketinggian yang berbeda regangan pada komponen fork masih berada dibawah regangan yang diijinkan. Sehingga desain fork bisa dinyatakan aman.
Gambar 7. Distribusi Tegangan von mises maksimal beban statis merata
komponen fork juga berada dibawah nilai tegangan luluh dari material ASTM A36 yaitu 250 Mpa dan masih b erada dibawah tegangan ijin dengan faktor keamanan 2 yaitu sebesar 125 Mpa. 3.
Desain fork dinyatakan aman untuk mengangkat beban sebarat 100kg dengan ketinggian maksimal 570 mm.
5. Daftar Pustaka [1] Bhivakatti, S.S., Finite element Analysis, New Age International Publishers, New Delhi, 2005. [2] Long, H., Fanourakis, A., dan Oliver, P., Case Study in Design:Generation of Design Knowledge for Vehicle Sub-frames Based on Finite Element Simulation. Springer, 2008. [3] Faraq Mahmoud M., Material Selection for Engineering design, Prentice Hall, Europe, 1997. [4] Yaghoubi, S., Khalili, S., Nezhad, N.M., Kazemi, M.R., dan Sakhaiifar, M., Designing and Methodology of Automated Guided Vehicle Robots/Self Guided Vehicles Systems, Future Trends, IJRRAS Vol. 13, 2012.
Untuk baja ASTM A36 tegangan yiel sebesar 250 Mpa, jika faktor keamanan diambil 2 maka tegangan ijin adalah sebesar: σ = 125 Mpa Berdasarkan tahapan-tahapan analisa yang telah dilakukan hasil tegangan von mises pada 3 titik ketinggian yang berbeda yaitu 50 mm, 287 mm dan 570 mm didapatkan hasil, semakin tinggi beban, tegangan von mises yang terjadi pada fork cenderung tetap. Dari ketiga ketinggian yang berbeda tegangan von mises pada komponen fork masih berada dibawah tegangan yang diijinkan dengan faktor keamanan 2. Sehingga desain fork bisa dinyatakan aman. 4.
Kesimpulan Dari analisa komponen fork pada desain automatic guided vehicles subsystem lifting dengan pembebanan statis pada tiga ketinggian yang berbeda menggunakan software abaqus 6.11 dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1.
2.
Reganan komponen fork dinyatakan aman untuk mengangkat beban sebarat 100 kg karena masih berada dibawah reganagan yang diijinkan untuk material carbon Steel ASTM A36. Tegangan von mises yang terjadi pada
37
