Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet Menggunakan Metode Fotoelastisitas Tono Sukarnoto dan Soeharsono
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, UnivcrsitasTrisakti Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.4,Jl. KyaiTapaNo 1,Grogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431, Fax: 5605841. E-mail:
[email protected]
ABSTRACT: Stress Distribution Analysis on Bolt Head with Various Fillets Using Photoelasticity Method. A geometry modification can be use to reduce stress concentration. This research is
investigating the influence offillet radius in the head ofbolt. Different than most common bolt, thefillet is made at the bottom surface of head around its neck. To show the stress distribution we use classical
experimental mechanics method, photo elasticity. Loading comesfrom a lead screw and measured by a load cell connected to a computer data logger. As the result, a 5 mm fillet radius may reduce maximum shear stress up to 35% than nofillet radius, so its effective to minimize stress concentration in head bolt. Keywords'. Photoelasticity, bolt, stress distribution
PENDAHULUAN
Baut merupakan salah satu elemen mesin yang penggunaannya sangat luas. Fungsi utama baut adalah menyambung dua komponen atau lebih agar menjadi satu kesatuan yang utuh. Ketika dibutuhkan sambungan dapat dilepas kembali tanpa merusak. Pada saat digunakan baut akan mengalami tegangan tarik maupun tegangan geser. Karena perubahan geometri maka pada bagian-bagian tertentu terjadi konsentrasi tegangan. Beberapa cara dapat diiakukan untuk mengurangi konsentrasi tegangan akibat perubahan geometri ini yaitu, membuat radius filet, mengubah posisi filet atau bahkan dengan melubangi bagian tertentu di sekitar konsentrasi tegangan [1]. Pada baut, secara umum terdapat radius filet di sudut antara kepala baut dengan badannya. Filet ini efektif mengurangi konsentrasi tegangan di daerah tersebut. Namun dalam pemakaian dapat terjadi filet ini terdeformasi oleh lubang baut sehingga radiusnya mengecil. Untuk itu dicoba membuat filet di bagian bawah kepala baut sehingga tidak terpengaruh kontak antara baut dan tempat mengikatnya. Metode fotoelastisitas dipilih karena perubahan
tegangan yang terjadi dapat diamati secara langsung dari perubahan fringe cahaya pada spesimen model transparan yang ditempatkan di antara medan cahaya terpolarisasi [2]. Hasil pengukuran dengan metode ini relatif akurat dan dapat dianalogikan dengan material sesungguhnya dalam skala penuh atau pun diperkecil. Fotoelastisitas yang digunakan adalah dua dimensi. Analisis orde fringe diiakukan secara digital sehingga
sangat menghemat waktu serta tidak terlalu memerlukan keahlian khusus sebagaimana cara manual [3].
Fotoelastisitas Dua Dimensi
Analisis
tegangan
menggunakan
metode
fotoelastisitas berdasarkan atas fenomena material, yang bersifat isotropic ketika tidak dibebani. Tetapi akan berubah menjadi doubly refractive {optically anisotropic) ketika dibebani. Namun karakteristik ini akan hilang ketika kembali tidak dibebani. Besar beban yang dibebankan pada model dibawah batas elastis material. Contoh material ini seperti: epoxy, high polymer materials, dan Iain-lain [4]. Aplikasi dari fotoelastisitas dapat terbagi menjadi
dua bagian tergantung dari bentuk geometri model yang dianalisis. Jika model yang dianalisis berupa bidang, maka gaya-gaya dapat dianalisa sebagai tegangan dan regangan pada bidang, maka metode dua dimensional dapat diiakukan. Untuk model berbentuk selain bidang dan lebih kompleks, maka digunakan metode analisis tiga dimensional. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa terdapat suatu kelas material dimana ia bersifat isotropic ketika tidak dibebani, dan menjadi doubly refractive
{optically anisotropic) ketika dibebani. Material inilah yang dikenal sebagai crystals yang apabila dilewati oleh cahaya, akan direfleksikan menjadi dua cahaya, inilah yang disebut sebagai double refraction. Metode fotoelastisitas ini dikembangkan berdasarkan sifat-sifat fisik dari material transparan tersebut, dengan catatan besar beban yang diuji tidak melewati batas elastis dari material [4]. Dalam menganalisis tegangan dengan
menggunakan metode fotoelastisitas terdapat dua jenis polariskop yang dapat digunakan. Polariskop merupakan susunan peralatan optik yang digunakan dalam mendeteksi distribusi tegangan yang terjadi. Kedua jenis
Kontak Person: Tono Sukarnoto
JurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, USAKTI
Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.2,Jl. Kyai Tapa No. I Grogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431
polariskop yang biasa digunakan adalah: • Polariskop bidang {planepolariscope) (Gambar 1) • Polariskop circular{circularpolariscope){G&mbar 2)
Fax: 5605841, E-mail:
[email protected]
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... {Tono Sukarnoto dkk)
137
Polariskop bidang
Ketika model uji dibebani maka akan bersifat
doubly refractive dan titik dimana cahaya lewat akan terpolarisasi sesuai dengan arah tegangan utama yang bekerja 0\ dan rj2. Sumbu polarisator akan membentuk sudut (j) terhadap sumbu ot dan a2 (Gambar 1). Apabila besar sudut $ yang terjadi adalah nol atau it/2, maka sumbu polarisator akan berimpit dengan a, atau a2. Karena sumbu analisator adalah tegak lurus terhadap
arah sumbu polarisator, maka intensitas cahaya yang keluar dari analisator adalah nol. Akibatnya pada semua
titik pada model uji dimana arah dari tegangan utama berimpit dengan orientasi dari polarisator-analisator, cahaya yang keluar dari analisator akan nol [5].
Gambar 2. Susunan polariskop circular, P= polarisator. Qi= Pelat 'A X pertama, M= model, Q2= Pelat V* Xkedua.
Titik-titik dimana arah tegangan utama berimpit
dengan orientasi dari kombinasi polarisator-analisator disebut dengan garis isoklinis.
Perangkat pembebanan berupa kerangka dengan lead screw untuk mengatur beban (Gambar 4). Sebagai
Polariskop circular
pengukur beban digunakan load cell model cincin yang
Pada susunan polariskop circular digunakan dua
buah pelat seperempat gelombang (quarter wave plate) yang masing-masing diletakkan diantara model uji dan polarisator serta antara model uji dan analisator. Susunan polariskop circular ini dapat dilihatpada Gambar 2. Pada susunan polariskop circular, posisi titik-titik
pada model uji dimana nilai dari a, dan a2 membuat perbedaan fase relatif 2mn. Disebabkan perbedaan fase
dilengkapi dengan rangkaian strain gage dan dihubungkan dengan komputer data logger. Model transparan baut dipasang dengan bagian kepala di bavvah kemudian diberi beban aksial ke atas.
Pola isokromat dan isoklinis tiap spesimen direkam
dengan kamera digital. Selanjutnya gambar yang diperoleh diproses dengan komputer untuk mendapatkan ordefringe yang dicari.
relatif berhubungan dengan o"|-a2, maka semua titik-titik
pada
model
uji dimana
nilai
F
dari csra2 yang
menimbulkan perbedaan fase relatif sebesar 2m7t (dimana m = 0, 1,2, ...), intensitas cahaya yang keluar dari analistor akan nol. Maka dari itu pada layar akan terlihat susunan garis gelap {dark band) atau fringe yang
dikenal sebagai garis isokromatis [5].
>£ SC
U U I
L U
P Qi
Q2
M
c
A
Gambar 3. Susunan peralatan optik, SC=sumber cahaya, P= polarisator, Q,= Pelat V* Xpertama, M= model. Q2= Pelat V* X kedua, A= analisator, C= kamera digital
Gambar 1. Susunan polariskop bidang, S = sumber cahaya, P = polarisator, M = model uji, A = analisator [5]
METODOLOGI Peralatan
Peralatan terdiri dari perangkat fotoelastisitas, perangkat mekanis untuk pembebanan dan perangkat pengolah gambar. Rangkaian perangkat fotoelastisitas terdiri dari sumber cahaya, polarisator, analisator dan sepasang pelat seperempat gelombang (Gambar 3). Gambar 4. Perangkat Mekanis, a= ulir pembeban, b= rangka, c= load cell. d= model beban transparan
138
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 137-141
Benda Uji
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dibuat empat model baut dengan variasi pada radius filetnya. Mulai dari tanpa filet, spesimen 1 (R = 0), spesimen 2 radius filet (R) = 2,5 mm, spesimen 3 R = 4 mm dan spesimen 4 R = 5
Analisis pertama untuk pola isoklinis
mm (Gambar 5). Beban konstan diberikan dalam arah
aksial di badan model sehingga terjadi tegangan kontak antara kepala model dengan tumpuannya. Bahan model transparan dari lembaran epoxy araldit B tebal 10 mm. Pada saat pemesinan hams diperhatikan masalah gaya pemotongan dan panas yang timbul. Panas akibat gaya pemotongan yang tinggi saat pemesinan harus dihindari karena akan menimbulkan tegangan batas yang tertinggal pada model [2]. Untuk itu diperlukan mata potong yang tajam serta mesin yang presisi sehingga pemesinan diiakukan dengan mesin
Pola garis isoklinis diambil pada sudut-sudut 0°
sampai dengan 90° dengan interval 15°. Contoh gambar hasil pengujian isoklinis dapat dilihat pada Gambar 6. Sedangkan contoh gambar dari pola garis isoklinis ditunjukkan pada Gambar 10.
Analisis kedua untuk pola isokromat
Pola garis isokromatis pada spesimen 1 sampai 4 diiakukan dengan beban 350 N pada medan gelap dan medan terang. Contoh gabungan untuk medan gelap dengan medan terang dengan beban 350 N pada Gambar 7. Pola garis medan gelap dapat dilihat pada Gambar 8 sedangkan medan terangnya dapat dilihat pada Gambar 9.
CNC.
il •-*
90 75' 60
<2^
_--r- •
45
•A
j
> -
.ts. r•
»i _\
yf ill
{Fft*
15
\ vs
\ ss
0
vo>
E&h
Gambar 6. Pola Garis Isoklinis Spesimen 3 (angka di sebelah kiri adalah sudut isoklinis)
r^i
o
"-
X
X •:> s.
>
*•*.
0:<
s°
>>
Gambar 7. Polagabungan medan gelap dan terang isokromat Gambar 5. Model dan Variasi Radius Benda Uji Radius filet R=0, R=2,5, R= 4 dan R=5 mm berturut-turut untuk gambar a, b, c, dan d. Garis
Prosedur Pengujian
Pengamatan
Ekperimen ini diiakukan dalam beberapa tahap yaitu: - Pengambilan pola gambar isoklinis - Pengambilan pola gambar isokromatis - Penggabungan pola garis isoklinis - Penggabungan pola garis isokromatis untuk medan gelap dan terang - Analisis pola gambar
Gambar 8. Pola garis medan gelap pada spesimen 3 beban 350 N
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (TonoSukarnoto dkk)
139
Dengan menggunakan metode separasi tegangan diketahui at atau a2 serta x,2 pada permukaan bebas nilainya adalah nol. Distribusi tegangan yang terjadi dari
hasil eksperimental untuk setiap nomor fringe dapat dihitung sebagai berikut: /
\ .
N
Txy = V°"i ~ 0"2 jsm 2a = fr.— sin 2a 'ISfrr-S r;
I .)
(1)
h
vCW- •••-:••* dimana diketahui:
\.
fr {ni\a\ fringe tegangan) = 11,2 kN/m [2] h(tebal spesimen) = 10mm =0,01m
\
Gambar 9. Pola garis medan terang pada spesimen 3 beban 350 N
N (jumlahfringe) txy: Tegangan gesermaksimum o~|dan a2: tegangan utama
Perhitungan
Hasil dari perhitungan yang didapat akan disajikan dalam bentuk grafik yang menjelaskan hasil analisis terhadap benda uji. Dari model benda uji tersebut, distribusi tegangan yang akan dibahas adalah distribusi tegangan sepanjang garis pengamatan seperti terlihat
pada Gambar 8. Dengan mengambil titik pengamatan sebagai fungsi sudut isoklinis dan ordt fringe maka akan dihasilkan grafik sebagai berikut untuk model spesimen no 3 (Gambar 10 & 11).
Berdasarkan rumus di atas,
maka distribusi
tegangan xxy hasil eksperimental untuk setiap titik pengamatan untuk keempat spesimen dapat ditunjukkan pada grafik Gambar 12. Perbandingan Tegangan Fotoelastisitas Tegangan (MPa) 2.00E+06
1.80E+06
;r
1.60E+O8 1.40E+06
1.20E+06
Sudut
1.00E+06
8.00E+05 6.00E+05 4.00E+05 2.00E+05 0.00E+00
-2.00E+05
I | I |c | I 1 I | I I I 1 I I ' |» I—Tltlk Pengamatan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LO
Titik Pengamatan • Spesimen 1
-*-
' Spesimen 2
- Spesimen 3 - Spesimen 4
Gambar 12. Grafik perbandingan tegangan-tegangan fotoelastisitas beban 350N untukkeempat spesiemen. Gambar 10. Sudut Isoklinis pada spesimen 3
Fringe
Medan terang Medan gelap
I | I 1 I| I | I | I | I 1I | I | I I 1 2
Secara
keseluruhan
tegangan
terbesar
untuk
keempat spesimen terjadi di titik pengamatan nol pinggir filet dan makin mengecil dengan makin menjauhnya titik
3 4
5
6 7 8
Nth Penganatan
9 10
pengamatan, hal ini menunjukkan terjadinya konsentrasi tegangan di daerah tersebut.
Tegangan maksimum terbesar terjadi pada spesimen no 1 (tanpa radius) dan yang terkecil pada spesimen no 4 (radius celah paling besar). Hal ini sesuai dengan teori bahwa konsentrasi tegangan akibat perbedaan geometri akan berkurang dengan pemberian radius filet.
Dalam perancangan baut pemberian radius yang selama ini diiakukan di bagian filet di leher baut, dapat diubah dengan memindahkan letak radius di bagian bawah kepala bautdi sekeliling lehernya. Tentunya besar radius yang dapat diberikan bergantung kepada ukuran bautnya, selain itu perlu dipertimbangkan aspek mampu bentuk iformability) dari material baut tersebut.
Gambar 11.Grafik ordo isokromat padaspesimen 3 beban350 N
140
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007,137-141
SIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA
Berdasarkan analisis dari hasil eksperimental yang telah dibahas, dapat diambil kesimpulan bahwa pemberian filet dengan radius tertentu di sekeliling Ieher baut efektif mengurangi konsentrasi tegangan di kepala
1,
Element Analysis, Journal of Experimental Techniques, 2001,25 (5), pp 19-21. Durelli, A.J. ; Applied Stress Analysis ; Prentice -
baut.
Radius filet 5 mm memberikan pengurangan tegangan geser maksimum sampai 35 % dibandingkan tanpa radius, sedangkan radius 2.5 mm mengurangi tegangan maksimum sebesar 14%.
Radius filet pada kepala baut dapat menjadi alternatif desain geometri untuk pengurangan
A Ahlquist, I Ionescu, Moslehy; Stress reduction in Gear Tooth using Photoelasticity and Finite
Hall ofIndia Private Limited; New Delhi; 1970.
4.
konsentrasi tegangan selain dari radius filet di leher baut sebagaimana baut pada umumnya.
Zuccarello; Complete Isochromatic Fringe-order Analysis in Digital Photoelasticity by Fourier Transform and Load Stepping, Strain International Journal for Strain measurement, 2005,41 (2). Dally, James W. ; Wiliiam F. Riley ; Experimental Stress Analysis (Third Edition) ; 1991, McGraw Hill International Editions.
5.
Srinath, L.S; M.R. Raghavan; K. Lingaiah; G. Gargesha; B. Pant; K. Ramachandra; Juvinall, R.C.; Experimental Stress Analysis; 1980, Tata McGraw Hill Publishing Company Limited.
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (Tono Sukarnoto dkk)
141
