TM

SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI

TESIS

Oleh

M. RAFIQ YANHAR 047015008/TM

S

C

N

PA

A

S

K O L A

H

E

A S A R JA

SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008 M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Teknik Mesin pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

M. RAFIQ YANHAR 047015008/TM

SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

Judul Tesis

Nama Mahasiswa Nomor Pokok Program Studi

: SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI : M. Rafiq Yanhar : 047015008 : Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua

(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) Anggota

Ketua Program Studi

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

(Ir. Tugiman, MT) Anggota

Direktur

(Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B, MSc)

Tanggal lulus : 24 November 2008 M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

Telah diuji pada Tanggal : 24 November 2008

PANITIA PENGUJI TESIS Ketua

: Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME

Anggota

: 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Ir. Tugiman, MT 3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri 4. Ir. Syahrul Abda, M.Sc


ABSTRAK Penelitian ini mengetengahkan tentang verifikasi dengan menggunakan simulasi komputer dari pengujian helm industri dengan bahan komposit polimer GFRP yang mendapat beban impak kecepatan tinggi. Helm terbuat dari penggabungan polyester resin 157 BQTN EX dan dua lapisan serat E-Glass jenis Chop Strand Mat. Pemodelan helm akan dibuat sesuai dengan dimensi aslinya dengan menggunakan software Autocad sedangkan distribusi tegangan yang terjadi pada helm akan dianalisa dengan software MSC NASTRAN 4.5. Data- data yang diperlukan untuk simulasi ini telah diperoleh dari peneliti sebelumnya yaitu : pengukuran massa jenis helm, uji statik untuk memperoleh sifat mekanik helm (dengan menggunakan alat uji servopulser), dan uji impak untuk mengetahui besar tegangan insiden yang masuk ke dalam helm serta untuk memperoleh tegangan yang terjadi pada helm (dengan menggunakan alat uji KOMPAK). Dengan beban impak sebesar 24,5 MPa (ID 40) dan 33,56 MPa (ID 120) maka selisih tegangan yang terjadi antara hasil eksperimen dan simulasi pada strain gage 15 mm dari titik impak adalah 3,815 %, sedangkan untuk strain gage 30 mm dari titik impak selisih tegangan adalah 10,55 %. Simulasi dengan berbagai waktu impak yang berbeda juga memberi informasi bahwa semakin kecil waktu impak maka tegangan yang terjadi akan semakin besar dan semakin besar waktu impak maka tegangan yang terjadi akan semakin kecil. Simulasi juga menunjukkan bahwa semakin jauh dari titik impak maka tegangan yang terjadi akan semakin mengecil dan semakin besar harga modulus elastisitas dari material helm semakin besar pula tegangan yang terjadi, dan sebaliknya semakin kecil harga modulus elastisitas semakin kecil tegangan yang terjadi. Kata-kata kunci : Simulasi, Helm Komposit GFRP, Beban Impak, Tegangan


ABSTRACT This study focuses on a verification using computer simulation of the test of helmet industry made of GFRP polymer composite with high speed load impact. The helmet was made from the combination of polyester resin157 BQTN EX and a two-layer E-Glass fiber of Chop Strand Mat type.The helmet model will be made according to original dimension by using Autocad software while the distribution of the stress occurs on the helmet was analyzed using MSC NASTRAN 4.5 software. The data needed for the simulation were obtained through previous researcher such as measuring the mass type of the helmet, statistical test to obtain the mechanical characteristic of the helmet (using servopulser testing device), and impact test to find out the amount of incidental stress that gets into the helmet and the stress occured on the helmet (using KOMPAK testing device). With the impact load of 24,5 MPa (ID 40) and 33,56 MPa (ID 120), the difference of the stress occured between the result of experiment and simulation at strain gage of 15 mm from the impact point is 3,815 %, while for strain gage of 30 mm from impact point, the stress difference is 10,55 %. Simulation with various different time of impact also give the information that the smaller time of impact is the bigger the stress will be and the bigger the time of impact is the smaller the stress will be. Simulation also shows that the farther from impact point is the smaller the stress will be and the bigger the elastic modulus of helmet is the bigger the stress will be, conversely the smaller the elastic modulus is the smaller the stress will be. Keyword : Simulation, GFRP Composite Helmet, Impact Load, Stress


KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul “Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit GFRP Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi ”. Penulisan ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari komisi pembimbing dan tulisan ini merupakan syarat yang harus dipenuhi setiap mahasiswa Magister Teknik Mesin SPs USU untuk melaksanakan sidang tesis. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1.

Prof. Dr. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir.Samsul Rizal,M.Eng (anggota), dan Ir. Tugiman MT (anggota) yang telah banyak memberi petunjuk dan arahan sehingga tulisan ini dapat diselesaikan.

2.

Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana, Prof. Dr. Bustami Syam, MSME dan Dr. Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan kesempatan untuk mengikuti pendidikan pada Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU.

3.

Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis mengikuti pendidikan di Program Magister.

4.

Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan dan kakanda alumni MTM yang telah banyak memberikan masukan dan arahan.

5.

Kedua orang tua Ayahanda (almarhum), Ibunda, abang, kakak, dan istri tercinta yang telah banyak memberikan motivasi kepada penulis.

6.

Fakultas Teknik dan Jurusan Teknik Mesin UISU yang telah memberikan banyak dukungan moril.


Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan ini, oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.

Medan, Oktober 2008 Peneliti,

M. Rafiq Yanhar 047 015 008


DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ..............................................................................................................................

i

ABSTRACT............................................................................................................................

ii

KATA PENGANTAR ............................................................................................................

iii

RIWAYAT HIDUP ................................................................................................................

v

DAFTAR ISI...........................................................................................................................

vii

DAFTAR TABEL ..................................................................................................................

ix

DAFTAR GAMBAR..............................................................................................................

x

DAFTAR LAMPIRAN ..........................................................................................................

xiv

DAFTAR ISTILAH ...............................................................................................................

xv

LAMBANG YUNANI............................................................................................................

xvi

BAB 1 PENDAHULUAN.................................................................................................... 1.1. Latar Belakang ......................................................................................................... 1.2. Perumusan Masalah.................................................................................................. 1.3. Tujuan Penelitian...................................................................................................... 1.4. Manfaat Penelitian....................................................................................................

1 1 4 4 5

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................................... 2.1. Standarisasi Helm Industri ....................................................................................... 2.2. Komposit .................................................................................................................. 2.3. Pengukuran Tegangan Pada Helm............................................................................ 2.4. Simulasi Komputer................................................................................................... 2.5. Kerangka Konsep .....................................................................................................

6 6 7 13 23 31

BAB 3 METODE PENELITIAN ....................................................................................... 3.1. Tempat dan Waktu ................................................................................................... 3.2. Bahan, Peralatan, dan Metode .................................................................................. 3.3. Rancangan Penelitian ............................................................................................... 3.4. Pelaksanaan Penelitian ............................................................................................. 3.5. Variabel yang Diamati ............................................................................................. BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................... 4.1 Simulasi Helm Dan Perbandingannya Dengan Hasil Eksperimen ........................... 4.2 Tegangan pada titik-titik yang tidak dipasang strain gage ....................................... 4.3 Pembebanan dengan waktu impak yang berbeda ..................................................... 4.4 Pembebanan Dengan Modulus Elastisitas Yang Berbeda................ 68

33 33 33 41 42 43 44 44 61 64


BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................... 5.1 Kesimpulan .............................................................................................................. 5.2 Saran.........................................................................................................................

71 71 72

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................

73


DAFTAR TABEL Nomor 2.1

Judul Halaman Sifat mekanik unsaturated polyester resin 157 BQTN EX .................................

12

2.2

Sifat mekanik serat jenis E-glass.........................................................................

12


DAFTAR GAMBAR Nomor 2.1

Judul Halaman Komponen helm industri.................................................................................

2.2

Model (cara) kegagalan pada komposit diperkuat serat yang tidak searah ………………………………………………

2.3

6

8 ...........

Mikro kerusakan laminasi pada matriks, dan terjadi delaminasi pada lapisan matriks ........................................................................

2.4

Mikro kerusakan laminasi, terjadi kerusakan serat dan matriks serta delaminasi antara lapisan serat dan matriks………………. 8

2.5

Stress whitening zone kepatahan T300/F 185 graphite/epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan) ....................................................................

8

9

2.6

Susunan serat woven roving.........................................................

10

2.7

Susunan serat chop strand mat.....................................................

11

2.8

Set-up alat uji KOMPAK……………………………………….

14

2.9

Perilaku Gelombang Longitudinal ..................................................................

15

2.10

Susunan Batang Uji...................................................................... ...................

17

2.11

Perilaku Batang Setelah Terjadi Impak...........................................................

18

2.12

Perilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen............

20

2.13

Diagram Lagrange (pakai spesimen)............................................

22

2.14

Elemen dx dy dz

2.15

Bentuk elemen solid tetrahedral...................................................

...........................................................................

24

25

2.16

Impak depan dan samping pada helm sepeda motor....................

30

2.17

Tegangan yang terjadi pada otak manusia akibat beban impak...

30

2.18

Kerangka konsep penelitian.........................................................

32

3.1

Helm komposit ................................................................................................

33

3.2

Tipikal grafik tegangan impak dan tegangan insiden .....................................

35

3.3

Set-up pengukuran respon helm dengan uniaxial gage arah-X (σx ) (b= 15 mm dan 30 mm dari titik impak)…………..

36


3.4

Set-up pengukuran respon helm dengan uniaxial gage arah-Y (σy ) (b= 15 mm dan 30 mm dari titik impak)..................

37

3.5

Kotak dialog ukuran elemen ...........................................................................

38

3.6

Kotak dialog sifat mekanik .............................................................................

38

3.7

Kotak dialog constraint ...................................................................................

39

3.8

Kotak dialog model fungsi ..............................................................................

39

3.9

Kotak dialog beban impak...............................................................................

40

3.10

Kotak dialog analisa........................................................................................

40

3.11

Set-up uji helm ................................................................................................

41

3.12

Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian..............................................................

42

4.1

Dimensi helm ..................................................................................................

44

4.2

Model helm setelah dibagi dua........................................................................

45

4.3

Kotak dialog jenis material .............................................................................

46

4.4

Kotak dialog sifat mekanik material ...............................................................

46

4.5

Kotak dialog material helm komposit .............................................................

47

4.6

Kotak dialog mesh...........................................................................................

48

4.7

Helm setelah di mesh ......................................................................................

48

4.8

Beban impak dalam arah sumbu Y..................................................................

49

4.9

Kotak dialog constraint ...................................................................................

50

4.10

Helm setelah diconstraint ................................................................................

50

4.11

Tegangan insiden dan waktu impak hasil eksperimen ....................................

51

4.12

Kotak dialog pemilihan elemen.......................................................................

52

4.13

Kotak dialog beban impak dalam bentuk pressure..........................................

52

4.14

Kotak dialog arah pembebanan .......................................................................

53

4.15

Tegangan insiden vs waktu impak hasil eksperimen.......................................

53

4.16

Kotak dialog model fungsi ..............................................................................

54


4.17

Kurva modifikasi tegangan insiden untuk simulasi.........................................

54

4.18

Kotak dialog beban dinamis............................................................................

55

4.19

Kotak dialog analisa........................................................................................

56

4.20

Distribusi tegangan pada helm ........................................................................

56

4.21

Grafik tegangan ID 40 mm (Beban impak 24,5 MPa) - St gage 15 mm .....................................................

57

Grafik tegangan ID 120 mm (Beban impak 33,56 MPa) – St gage 15 mm...................................................

57

4.23

Grafik tegangan hasil eksperimen - St. Gage 15 mm ......................................

58

4.24

Grafik tegangan ID 40 mm (Beban impak 24,5 MPa) – St. Gage 30 mm...................................................

59

Grafik tegangan ID 120 mm (Beban impak 33,56 MPa) – St. Gage 30 mm.................................................

59

Grafik tegangan hasil eksperimen - St.Gage 30 mm .......................................

60

4.22

4.25 4.26 4.27

Tegangan pada tiga titik yang tidak dipasang strain gage............

61

4.28

Grafik tegangan pada titik a.........................................................

62

4.29

Grafik tegangan pada titik b.........................................................

62

4.30

Grafik tegangan pada titik c.........................................................

63

4.31

Grafik tegangan dengan waktu impak 10 us ...................................................

64

4.32

Grafik tegangan dengan waktu impak 150 us .................................................

65

4.33


65

4.34


66

4.35


67

4.36

Grafik tegangan dengan harga E 66,89 MPa...............................

68

4.37

Grafik tegangan dengan harga E 668,9 MPa...............................

69

4.38

Grafik tegangan dengan harga E 66890 MPa.............................

69


DAFTAR LAMPIRAN Nomor 1

Judul Halaman Software MSC Nastran 4.5.....................................................................................

75

2

Technical Data Sheet..............................................................................................

76


DAFTAR ISTILAH Notasi

C0,1 C0,2 C0,3 CI CII CIII Ccd CL Dl E Ek Em Ei Ek0 ES ES0 m N P S t t1 tL tI V0

V0 VI VR Vs VT Δm SC1 SC2

Satuan = Luas penampang batang 1

m2

= Luas penampang batang 2

m2

= Luas penampang batang 3

m2

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =

Kecepatan rambat gelombang dalam batang 1 Kecepatan rambat gelombang dalam batang 2 Kecepatan rambat gelombang dalam batang 3 Kecepatan rambat gelombang dalam batang impak Kecepatan rambat gelombang dalam batang penerus Kecepatan rambat gelombang dalam spesimen Kecepatan rambat gelombang pada spesimen Kecepatan gelombang longitudinal Perubahan panjang batang uji Modulus Young material Energi kinetik Modulus Young Modulus impak Energi kinetik mula-mula Energi regangan Energi regangan mula-mula Massa benda mula Nilai data yang diperoleh setelah pengimpakan Gaya tarik pada komposit Standar deviasi Waktu rambat gelombang Waktu rambat gelombang antara strain gage a dan b Waktu rambat gelombang longitudinal Waktu rambat gelombang dalam batang impak Kecepatan partikel mula-mula Tegangan setelah pengimpakan Kecepatan batang 1 sebelum tumbukan

= = = = = = =

Kecepatan partikel masuk Kecepatan partikel yang direfleksikan Tegangan pengujian Kecepatan partikel yang ditransmisikan Perubahan massa Semiconductor I Semiconductor II

m/det m/det m/det m/det m/det m/det m/det m/det Mm GPa Joule MPa MPa

Joule Joule Joule Kg N det det det m/det m/det Volt m/det m/det m/det Volt m/det Kg

LAMBANG YUNANI


α ασ β βσ ε η ρ1 ρ2 ρ3 σ1 σ2 σI σR σT σi

= = = = = = = = = = = = = = =

Faktor transmisi Tegangan yang ditransmisikan Faktor refleksi Tegangan yang direfleksikan Regangan Faktor gage Rapat jenis material batang 1 Rapat jenis material batang 2 Rapat jenis material batang 3 Tegangan pada batang 1 Tegangan pada batang 2 Tegangan yang masuk Tegangan yang direfleksikan Tegangan yang ditransmisikan Tegangan tarik impak

MPa MPa kg/m3 kg/m3 kg/m3 MPa MPa MPa MPa MPa


BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Tidak dapat dibantah bahwa penelitianlah yang membuat manusia dapat hidup layak selama

ini. Penemuan-penemuan baru di bidang komunikasi , transportasi, kedokteran, dan lain-lain semuanya berawal dari keingintahuan yang besar dan pemikiran yang terus menerus sehingga akhirnya membuahkan banyak kemudahan pada manusia sekarang ini. Namun sebagian penelitian tersebut ada yang membutuhkan biaya yang besar sehingga para peneliti mulai berfikir untuk membuat simulasinya dengan komputer. Penelitian untuk menyelidiki perambatan gempa dan kerusakan yang ditimbulkan pada suatu daerah misalnya, akan lebih murah dilakukan dengan simulasi komputer dibandingkan dengan percobaan yang sebenarnya di lapangan. Simulasi dapat dijadikan sebagai klarifikasi dari eksperimen namun bisa juga untuk memprediksi apa yang bakal terjadi pada suatu objek, kita hanya perlu merubah beberapa variabel yang telah tersedia pada software dan hasilnya bisa segera diketahui untuk dibandingkan dengan hasil eksperimen. Dalam penelitian ini simulasi yang akan dikembangkan adalah simulasi tentang helm industri yang mendapat beban impak kecepatan tinggi. Helm industri dibuat sebagai alat pelindung kepala untuk mengurangi angka kecelakaan kerja dalam dunia industri, khususnya yang bergerak dalam bidang jasa konstruksi dan produksi. Kepala merupakan bagian yang paling vital dari tubuh manusia, sebab di kepala terdapat beberapa indera manusia dan otak yang merupakan pusat berfikir, pusat keseimbangan, dan pusat dari segala aktifitas manusia. Penelitian tentang tegangan toleransi yang diperbolehkan masuk ke tengkorak ketika terjadi impak telah dipublikasikan, para peneliti tersebut melakukan penyelidikan secara pemodelan elemen hingga atau pengolahan data-data anatomi kepala manusia. Hal ini disebabkan ketidakmungkinan kepala manusia langsung dijadikan objek penelitian. Yusuke Miyazaki, et al [1] menyelidiki pengaruh bentuk kepala manusia terhadap kerusakan otak yang akan terjadi akibat beban impak dengan M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

memodelkan 52 bentuk kepala yang dianalisa dengan menggunakan MDS (Multi Dimensional Scaling). Jhonson, E. A. C., et al [2] menyelidiki respon tekanan yang terjadi pada otak manusia akibat impak kecepatan rendah dan tinggi dengan pemodelan elemen hingga menggunakan software LS Dyna 3D. Hasi penelitian Deck C., et al [3] menunjukkan tegangan tarik, tegangan tekan, maupun tegangan geser Von Misses yang terjadi pada otak masih dalam batas-batas yang diizinkan. Sarkar S., et al [4] menyelidiki respon pada kepala manusia akibat beban statik dan dinamik dengan pemodelan elemen hingga. Walaupun sudah jelas bahwa fungsi helm sebagai pelindung kepala namun di beberapa industri di Indonesia masih juga digunakan helm yang tidak memenuhi syarat-syarat keselamatan kerja, artinya helm tersebut tidak standard dan belum bisa melindungi pekerja dari benturan benda yang jatuh dari ketinggian tertentu. Dan bagi para pekerja sendiri walaupun sudah menyadari pentingnya helm sebagai pelindung kepala namun masih banyak yang tidak memakai helm ketika sedang melaksanakan tugasnya. Berdasarkan survey yang telah dilakukan para peneliti sebelumnya kurangnya minat memakai helm disebabkan oleh helm yang digunakan terasa tidak nyaman, yang mana hal ini disebabkan oleh beberapa hal yaitu : a.

Helm terasa panas karena kurangnya ventilasi pada helm yang menyebabkan kepala mudah berkeringat dan menimbulkan gatal-gatal pada kulit kepala.

b.

Helm terasa berat sehingga menyebabkan leher menjadi pegal.

c.

Ukuran helm yang kurang sesuai dengan bentuk kepala sehingga terasa tidak nyaman ketika dipakai.

Dengan pertimbangan-pertimbangan di atas maka dibuatlah helm standard dari bahan komposit yang lebih kuat, lebih nyaman dan lebih ringan sehingga diharapkan minat para pekerja untuk memakai helm pada saat bertugas menjadi lebih tinggi. Helm dibentuk dari bahan komposit polimer GFRP yang terdiri dari polyester resin 157 BQTN EX sebagai matriks dan dua lapis serat E-Glass jenis chop strand mat sebagai penguat.


Simulasi helm industri ini merupakan klarifikasi dari hasil pengujian secara eksperimental yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya yaitu Hasrin [5]. Dengan pertimbangan bahwa simulasi memerlukan biaya yang jauh lebih kecil, tegangan yang terjadi pada seluruh permukaan helm dapat diketahui, juga dengan pertimbangan bahwa helm standard dari bahan komposit polimer GFRP belum dibuat simulasinya maka peneliti merasa perlu untuk membuat simulasi dari helm standard berbahan komposit tersebut. Penulis memperkirakan di masa yang akan datang metode simulasi akan memberikan kontribusi yang lebih besar lagi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

1.2

Perumusan Masalah Permasalahan utama dalam pengujian helm industri di laboratorium adalah distribusi

tegangan pada seluruh permukaan helm sulit untuk dapat diperoleh. Tegangan hanya terbaca pada lokasi yang dipasangi strain gage. Sebaliknya dengan simulasi komputer distribusi tegangan dapat dengan jelas terlihat pada seluruh permukaan helm, sehingga untuk menyelesaikan permasalahan di atas penulis merasa perlu untuk membuat simulasinya.

1.3

Tujuan Penelitian

1.3.1 Tujuan Umum Tujuan umum dari penelitian ini adalah memperoleh hasil simulasi tegangan pada helm industri dari bahan komposit GFRP yang mendapat beban impak kecepatan tinggi.

1.3.2 Tujuan Khusus 1. Untuk mengetahui distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm. 2. Untuk mengetahui lokasi dan tegangan terbesar yang terjadi pada helm. 3. Untuk mengetahui selisih tegangan antara eksperimen dan simulasi.


4. Untuk mengetahui perbedaan tegangan bila terjadi perubahan pada waktu impak. 5. Untuk mengetahui perbedaan tegangan bila modulus elastisitas dirubah.

1.4

Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian ini adalah : 1.

Menginformasikan salah satu peran simulasi komputer yaitu sebagai pembanding dari sebuah eksperimen.

2.

Memberi masukan pada pemerintah untuk mempertimbangkan simulasi komputer sebagai pembanding dari pengujian helm industri di laboratorium.


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Standarisasi Helm Industri

2.1.1.

Standarisasi Secara umum helm yang digunakan oleh pekerja sebagai alat pelindung diri pada Negara-

negara maju sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan kebijakan dan peraturan yang ditetapkan oleh pemerintahnya. Beberapa standard helm yang dikenal luas dan banyak menjadi referensi, ialah: ANSI Z89.1-1997 [6], JIS T8131-1977 [7], dan SNI 19-1811-1990 [8]

2.1.2.

Komponen helm Komponen helm industri terdiri atas beberapa bagian. Secara umum bagian-bagian tersebut

dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

4 1

5

2 6 3

7

Keterangan gambar: 1. Tempurung 2. Jaring 3. Pelindung sinar matahari 4. Peredam benturan 5. Tali cincin 6. Bantalan kepala 7. Tali dagu

Gambar 2.1 Komponen helm industri

2.2. Komposit 2.1 Mekanisme kegagalan komposit Komposit merupakan komponen rekayasa skala makro (engineering macroscale), yang tersusun dari kombinasi dua atau lebih material yang menghasilkan kemampuan (properties) yang lebih baik daripada bila komponen itu berdiri sendiri. Kelakuan komposit adalah sangat kompleks M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

karena sangat tergantung pada bagaimana masing-masing komponen material dikombinasikan. Kemampuan mekanis secara keseluruhan dapat saja menjadi sangat berbeda walaupun komponen penyusunnya sama, tetapi proses pembuatannya berbeda. Dikarenakan penggunaan komposit yang luas dalam bidang kehidupan, maka kerusakan kecil yang terjadi padanya seperti kerusakan serat (fiber breaking), keretakan matriks (matrix cracking), berpisahnya lapisan antara (interface debonding), delaminasi (delamination), dan lain-lain; yang mana mekanisme ini tidak boleh diabaikan didalam memperhitungkan kemampuannya [9]. Pemeriksaan fraktografi merupakan suatu cara yang efektif dan berguna dalam memeriksa kerusakan diatas (ASTM E-30, 2002). Tidak sama seperti metal dimana kegagalan mungkin didominasi oleh pertumbuhan dari retakan makro (macrocracks), komposit diperkuat serat (FRP) gagal didalam sebuah cara (mode) komulatif yang dapat melibatkan sebuah kombinasi dari mode yang berbeda seperti kerusakan serat (fiber breaking), keretakan matriks (matrix cracking) dan berpisahnya serat dan matriks (matriks/fiber debonding), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Model (cara) kegagalan pada komposit diperkuat serat yang tidak searah .


Gambar 2.3 Mikro kerusakan laminasi pada matriks, dan terjadi delaminasi pada lapisan matriks

Gambar 2.4 Mikro kerusakan laminasi, terjadi kerusakan serat dan matriks serta delaminasi antara lapisan serat dan matriks

Gambar 2.5 Stress whitening zone kepatahan T300/F 185 graphite/epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan) Masing – masing cara (mode) dapat saja terjadi pada waktu yang berlainan dan juga dapat terjadi secara bersamaan pada lokasi kegagalan. Pada Gambar 2.3 hingga 2.5 diperlihatkan gambar mikro (micrograph) dari permukaan interface dari material laminasi yang mengalami kegagalan, serta digambarkan mekanisme retak maupun arah progasi dari keretakan tersebut.

2.2.2. Bahan serat


Bahan serat yang umum dipakai sebagai penguat pada komposit sangat bervariasi, dimana penggunaannya tergantung pada jenis operasional dari komposit tersebut. Serat–serat yang umum di pakai antara lain adalah [10] : a.

serat Karbon

b.

serat Kevlar

c.

serat S-glass

d.

serat E-glass, dll.

Jenis susunan arah serat yang digunakan ada dua jenis yaitu: a.

Woven Roving (WR) Woven roving (Gambar 2.6) mempunyai bentuk seperti anyaman tikar, serat gelas yang teranyam dibuat saling bertindih secara selang-seling kearah vertikal dan horisontal (00 dan 900). Kumpulan anyaman adalah seperti tali; anyaman ini memberikan penguatan kearah vertikal dan horisontal. Pemakaiannya dalam konstruksi terutama pada bagian frame dan girder. WR ini sedikit kaku, sehingga agak sulit dibentuk terutama bila digunakan untuk bagian berlekuk tajam.

Serat melintang

Serat memanjang

Gambar 2.6 Susunan serat woven roving.

b.

Chop Strand Mat (CSM) Chop strand mat (Gambar 2.7) mempunyai bentuk seperti anyaman tidak teratur, serat gelas yang teranyam dibuat bertindih secara tidak teratur kesegala arah (undirectional). Serat gelas yang teranyam mempunyai panjang serat yang relatif lebih pendek dari panjang serat WR.


Kumpulan anyaman adalah seperti tumpukan jerami; anyaman ini memberikan penguatan ke segala arah. Pemakaiannya dalam konstruksi terutama pada bagian Hull. CSM ini lebih fleksibel, sehingga mudah dibentuk dan mudah digunakan untuk bagian berlekuk tajam.

Serat Gelas

Gambar 2.7 Susunan serat chop strand mat

2.2.2 Komposit sebagai material helm industri Banyak jenis material yang dapat dipilih untuk membentuk helm industri, contohnya untuk helm standard terbuat dari jenis polimer : Polyethylene (PE), Polyprophylene (PP) atau Acrylic Butadien Styrene (ABS), sedangkan helm non standard misalnya Ethylene Propelene Copolymer. Dalam penelitian ini helm dibuat dari bahan komposit GFRP, dengan material penyusun helm dan sifat mekaniknya seperti berikut : a.

Bahan matriks adalah Unsaturated Polyester Resin 157 BQTN EX dengan sifat mekanis seperti diperlihatkan pada tabel 2.1 Tabel 2.1 Sifat mekanik unsaturated polyester resin 157 BQTN EX Sifat mekanis Satuan Harga


Berat jenis Modulus elastisitas (E) Kekuatan tarik statis Elongation

b.

Mgm-3 GPa MPa %

1.215 0,03 55 1.6

Bahan serat adalah serat E-glass, dengan sifat mekanik seperti diperlihatkan pada tabel 2.2. Tabel 2.2 Sifat mekanik serat jenis E-glass Sifat mekanis Satuan Diameter Densitas Modulus elastisitas (E) Kekuatan tarik Elongation

μm kg.m-3 GPa MPa %

Harga 12 2530 s.d 2600 7,3 350 4.8

Penggunaan komposit saat ini semakin luas misalnya di sektor olahraga kita temui berbagai perlengkapan olahraga seperti papan surfing, raket tenis dan bulutangkis, perahu layar, atau untuk pesawat tempur maupun pesawat luar angkasa yang semuanya membutuhkan bahan yang ringan tapi kuat. Dalam penelitian ini diharapkan helm yang terbuat dari bahan komposit GFRP juga dapat memiliki sifat yang ringan namun tetap kuat sehingga memberikan kenyamanan bagi pemakainya.

2.3

Pengukuran Tegangan Pada Helm

2.3.1

Peralatan


Alat yang digunakan untuk pengambilan data tegangan yang terjadi pada helm adalah kompresor

impak

dengan

detil

Keterangan Gambar: 1. Kompresor 2. Tangki Udara 3. Pressure Regulator 4. Katup Solenoid 5. Pipa Barel

peralatan

yang

8. 9. 10. 11. 12.

dapat

dilihat

seperti

gambar

2.8,

Test rig dan spesimen Helm Strain Gage Bridge Head Signal Conditioner Transient Converter


6. 7.

Striker Input bar

13. 14.

Personal Computer Interface

Gambar 2.8 Set-up alat uji KOMPAK

2.3.2

Teknik Propagasi Tegangan Aplikasi teknik propagasi tegangan untuk mengukur kekuatan material pertama sekali

dikembangkan oleh Kolsky [11] yang menemukan suatu cara pengukuran kekuatan tekan material menggunakan prinsip propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Hasilnya sangat mengagumkan karena dengan teknik itu persamaan konstitutif kompresi dapat diperoleh sampai pada laju pembebanan melebihi 104 s-1. Pemakaian metoda Kolsky untuk mendapatkan sifat mekanik berbagai bahan telah dilaporkan oleh beberapa peneliti lain [12,13,14]. Teknik propagasi tegangan juga telah dikembangkan untuk material getas (brittle), Syam, B, etl [15,16] dan Daimaruya, etl [17,18] membuat modifikasi batang kolsky dan mengadopsi teknik propagasi tegangan dalam batang untuk menghitung kekuatan tarik impak berbagai material getas.

2.3.2.1 Rambatan gelombang pada batang Gelombang dibagi atas 2 bagian, yaitu: (1) gelombang transversal, dan (2) gelombang longitudinal. Gelombang longitudinal digunakan sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan tarik impak. Untuk membahas perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam, dapat dilihat pada Gambar 2.9 [19]. Gaya impak diberikan pada ujung kiri batang, yang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C1, pada waktu t. C

V o ,t C l ,t M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

Gambar 2.9 Perilaku Gelombang Keseimbangan momentum pada Gambar 2.4, berupa:

Δm V = F t m Vo = Fo t ( Ao Cl t ρ o ) Vo = σ o Ao t

σ o = ρ o C l Vo

……………………………

(2.1)

dimana: Cl Vo σo

= Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang = Kecepatan partikel = Tegangan pada batang.

Modulus elastisitas suatu bahan dapat dinyatakan dengan persamaan:

E = Cl ρ 2

Cl =

E ………………………………………………...

ρ

(2.2)

Subtitusi Persamaan (2.2) ke Persamaan (2.1) akan diperoleh :

σ o = Eo ρ o V .................................................................... (2.3)

Energi yang dipindahkan batang pada waktu t dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu: Energi kinetik yang besarnya:

Ek = 1 mV 2 2 ………………………………… 2 Ek o = 1 A o (C l t)ρ o Vo 2

(2.4)

Energi regangan yang dipindahkan sebesar:


Es = Volume. Es =

σ2 2E

A (Cl t) σ 2 2E

A (C t) ( E o ρ o ) Vo Es o = o l 2E Es o =

A o C l t ρ o Vo2 2

2

...........................................................(2.5)

Sehingga energi total yang dipindahkan batang pada waktu t adalah:

Et = Ek o + Es o 2 2 = 1 A o (C l t)ρ o Vo + 1 A o (C l t)ρ o Vo 2 2

E t = A o (C l t ) ρ o Vo2 ..........................................................(2.6) Dengan demikian terlihat besarnya energi yang dipindahkan pada batang ditentukan oleh harga-harga A, C, t, ρ, dan kecepatan awal batang.

2.3.2.2

Impak pada batang Susunan batang yang digunakan pada metode pengujian impak ini diperlihatkan secara

skematis pada Gambar 2.10, yang terdiri dari: batang impak, batang penerus, dan spesimen.

Spesimen impakUji Gambar 2.10 SusBatang unan Batang

Batang penerus

3 Spesimen dapat berbentuk batang atau tabung dengan geometri sederhana dan diletakkan 1 V1 2 bersentuhan secara kolinir dengan batang penerus.


Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan batang penerus dan spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu: V2= V3 = 0. Setelah impak, lihat Gambar 2.11 (dimana C0,1, C0,2, dan C0,3 adalah kecepatan gelombang dalam masing-masing batang), gelombang longitudinal tekan akan merambat dari bidang antar muka impak (impact interface) batang impak dan batang penerus ke dalam masing-masing batang. Akibatnya, bidang antar muka impak dan spesimen pada akhirnya mempunyai kecepatan yang sama sebesar V’. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, yang dapat dinyatakan dengan hubungan:

σ1 A1 = σ2 A2 .................................................................... (2.7) dimana: A1 A2 σ1 σ2

= Luas penampang batang 1 = Luas penampang batang 2 = Tegangan pada batang 1 = Tegangan pada batang 2

C01 1

V1

σ1

σ2

V’

V’

C02 3

2

Gambar 2.11 Perilaku Batang Setelah Terjadi Impak Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan

σ = EρV

di mana: σ= tegangan

impak, ρ= massa jenis bahan, E= modulus Young, dan V= kecepatan partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1 akan timbul tegangan sebesar:

σ 1 = ρ 1 E1 (V1 − V ' ) σ 1 = ρ1 E1 V1 − ρ1 E1V '

………………………………...(2.8)

dimana: V1

= Kecepatan sebelum tumbukan


V’ ρ1

= Kecepatan setelah tumbukan = Masa jenis bahan batang 1.

Selanjutnya kita tinjau batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’. Melalui Gambar 2.8 dapat ditentukan tegangan pada batang 2 , yaitu:

σ 2 = ρ 2 E2 V ' V' =

σ2

…………………………………………...(2.9)

ρ2E2

Substitusi Persamaan (2.9) ke Pers. (2.8) akan menghasilkan:

σ 1 = ρ 1 E 1 V1 − ρ 1 E 1

σ2 ρ2E2

….................................(2.10)

sehingga Persamaan (2.10) dapat ditulis:

σ 1 ρ 2 E 2 = ρ 1 E 1 ρ 2 E 2 V1 − ρ 1 E 1 σ 2 σ 1 ρ 2 E 2 + ρ 1 E 1 σ 2 = ρ 1 E 1 ρ 2 E 2 V1 ...........................(2.11) Dengan

mensubstitusikan

Pers.

(A 1 ρ 2 E 2 + ρ 1 E 1 A 1 )σ 1 A2

σ1 =

(2.7)

ke

Pers.

(2.11)

diperoleh

:

= ρ 1 E 1 ρ 2 E 2 V1

ρ 1 E 1 ρ 2 E 2 V1 A1 ρ1E1 + A 2 ρ 2 E 2

A 2 ......................................(2.12)

dengan cara yang sama akan diperoleh nilai σ2 yaitu:

σ2 =

ρ 1 E 1ρ 2 E 2 V1 A1 ρ1 E1 + A 2 ρ 2 E 2

A 1 .......................................(2.13)

Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka σ =


σ1 = σ2. Selanjutnya tinjau rambatan gelombang tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar 2.12. Tegangan yang masuk dari ujung kiri input bar sebesar σ akan timbul pada interface input bar dan spesimen pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2 adalah panjang input bar dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini, ada tiga bentuk gelombang tegangan yang terlibat, yaitu: (1) Tegangan yang terjadi (σ), (2) Tegangan yang ditransmisikan (σT), (3) Tegangan yang direfleksikan (σR).

Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut :

σT = σR =

2 A2 E 3 Co 2 σ .................................(2.14) A3 E 3 C o 2 + A2 E 2 C o 3 A3 E 3 C o 2 − A2 E 2 C o 3 A3 E 3 C o 2 + A2 E 2 C o 3

V’ σ11

................................(2.15)

A3 ρ3 Co,3

interface

A2 ρ2 Co,2

σ

VT

VR σR

σT

Gambar 2.12 Perilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen

Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, didapat hubungan:

σ T = ασ

.........................................................................(2.16)

σ R = βσ

........................................................................(2.17)

Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama maka dengan mensubstitusikan harga E2 = E3, Co2 = Co3, A2 = A3, dan L2 = L3 ke dalam persamaan (2.14) dan M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

(2.15), diperoleh σT = σ dan σR = 0. Ini berarti besar tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.

2.3.2.3 Pengukuran beban impak Beban impak, yaitu tegangan insiden yang ditransmisikan ke dalam spesimen helm, dapat dihitung menggunakan pers. (2.14), jika harga tegangan impak (σ) telah diketahui. Pada Gambar 2.13 (b) (bagian yang diarsir) telah ditunjukkan besarnya tegangan insiden yang ditransmisikan ke dalam spesimen helm, di mana terlihat bahwa tegangan insiden ditentukan oleh faktor transmisi (α) yang harganya dapat dihitung jika geometri dan sifat mekanik kedua batang diketahui. Harga tegangan impak (σ) dan tegangan insiden (ασ) dapat diperoleh dengan mengukur regangan yang terjadi pada batang penerus. Tegangan yang terjadi pada helm dapat diukur langsung pada spesimen helm, dengan cara memasang strain gage pada permukaan helm (pengukuran langsung). b

Lab Striker

c

Input bar

-σ

-σ

σ

(b)

σ

T1ib

T2S T1S

Strain gage a b

Lbc

-σ

ασ

βσ

Α

T2ib

-ασ

ασ

-βσ

T2s T1s

a

βσ


0

σ

Lokasi a Lokasi b

teg. insiden

ασ βσ

Gambar 2.13 Diagram Lagrange (pakai spesimen) 2.4 Simulasi Komputer 2.4.1

Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan

permasalahan teknik dan problem matematis. Tipe masalah teknik dan matematik yang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu masalah analisa struktur dan masalah non struktur. Tipe-tipe permasalahan struktur meliputi : analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran. Sedangkan masalah non struktur meliputi : perpindahan panas, mekanika fluida, dan distribusi potensial listrik dan potensial magnet. Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada umumnya sulit dipecahkan melalui matematika analisis. Hal ini disebabkan karena matematika analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Penyelesaian analisis dari suatu persamaan diferensial suatu geometri yang kompleks, pembebanan yang rumit, tidaklah mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini. Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan dari suatu


benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagian yang kecil (diskritisasi). Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam metode elemen hingga dirumuskan sebagai berikut : 1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi Tipe elemen yang digunakan dalam metode elemen hingga ini yaitu : elemen segitiga dan segi empat untuk dua dimensi, sedangkan untuk kasus- kasus tiga dimensi digunakan elemen tetrahedral, heksagonal, dan balok. Selanjutnya bagilah benda tersebut dalam elemen-elemen, langkah ini disebut langkah diskritisasi. 2. Pemilihan fungsi pemindah /fungsi interpolasi Jenis-jenis fungsi yang sering digunakan adalah fungsi linier, fungsi kuadratik, kubik, atau polinomial derajat tinggi. 3. Mencari hubungan strain-displacement dan stress-strain. Sebagai contoh untuk kasus satu dimensi berlaku hubungan :

εx = σx

du ....................................................................................(2.18) dx

= E

ε x ................................................................................(2.19)

Untuk menurunkan persamaan 2.18 tinjaulah sebuah elemen kecil dx dy dz dari sebuah benda seperti pada gambar 2.14 z, ,w

dy dx dz

y, v

P x, u Gambar 2.14 Elemen dx dy dz Apabila benda mengalami perubahan bentuk dan u,v,w merupakan komponen perpindahan titik P maka satuan perpanjangan (unit elongation) pada titik P dalam arah sumbu x adalah

du . dx


5. Gunakan persamaan kesetimbangan

{F }= [k ]{d } ...................................................................................(2.20) kemudian masukkan syarat batas yang diketahui. 6. Selesaikan persamaan pada langkah lima dengan menghitung harga yang belum diketahui. 7.

Hitung stress dan strain dari tiap elemen.

2.4.2 Elemen tetrahedral Bentuk elemen tetrahedral ditunjukan pada gambar berikut ini . z,w 1 2

3 4

y,v

x,u Gambar 2.15 Bentuk elemen solid tetrahedral

Displacemen {d} adalah :


⎧u1 ⎫ ⎪v ⎪ ⎪ 1 ⎪ ⎪w1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪. ⎪ {d } = ⎨ ⎬ .............................................................................................(2.21) ⎪. ⎪ ⎪u 4 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪v 4 ⎪ ⎪w ⎪ ⎩ 4⎭

fungsi displacemen u adalah : u=

1 ⎡⎧(α 1 + β1 x + γ 1 y + δ 1 z )u1 + (α 2 + β 2 x + γ 2 y + δ 2 z )u 2 + ⎫⎤ ⎬⎥ ........(2.22) ⎢⎨ 6v ⎣⎩(α 3 + β 3 x + γ 3 y + δ 3 z )u 3 + (α 4 + β 4 x + γ 4 y + δ 4 z )u 4 ⎭⎦

dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut : 1 x1 y1 z1 6v =

1 x2 y 2 z 2 1 x3 y 3 z 4

....................................................................................(2.23)

1 x3 y 4 z 4 v menyatakan volume dari elemen tetrahedral .Koefisien koefisien αi , βi,δi, ( i = 1,2,3,4 ) dalam persamaan sebelumnya diberikan sebagai berikut :

x2 y 2 z 2

α 1 = x3 y 3 z 3 x4 y 4 z 5

1 y2 z2

β1 = 1 y3 z3 ..................................(2.24) 1 y4 z4


1 y2 z 2

γ 1 = 1 y3 z3 1 y4 z 4

x1 y1 z1

α 2 = − x3 y3 z3 x4 y4 z4

1 x1 z1

γ 2 = 1 x3 z3

1 x1 y1

δ 1 = 1 x 3 y 3 …………………….(2.25) 1 x4 y 4

1 y1 z1

β 2 = 1 y3 z3 …………………….(2.26) 1 y4 z 4

1 x1 y1

δ 2 = 1 x3 y3 ……………………...(2.27)

1 x4 z4

1 x4 y 4

x1 y1 z1

1 y1 z1

α 3 = x3 y 3 z 3 x4 y 4 z 4

1 x1 z1

γ 3 = 1 x2 z 2 1 x4 z 4 x1 y1 z1

α 4 = − x2 y 2 z 2 x3 y 3 z 3

β 3 = 1 y 2 z 2 ……………………...(2.28) 1 y4 z 4

1 x1 y1

δ 3 = − 1 x2 y 2 …………………….(2.29) 1 x4 y 4 1 x1 y1

β 4 = − 1 x2 y 2 …………………….(2.30) 1 x3 y 3


1 x1 z1

1 x1 y1

γ 4 = 1 x2 z 2

δ 4 = 1 x2 y 2 …………………....(2.31)

1 x3 z 3

1 x3 y 3

Fungsi displacemen dalam kaitannya dengan fungsi bentuk N ditulis sebagai berikut: ⎧u1 ⎫ ⎪v ⎪ ⎪ 1 ⎪ ⎪w1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪u 2 ⎪ ⎪v 2 ⎪ ⎧u ⎫ ⎡ N 1 0 0 N 2 0 0 N 3 0 0 N 4 0 0 ⎤ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎢ ⎥ ⎪w2 ⎪ ⎨v ⎬ = ⎢0 N 1 0 0 N 2 0 0 N 3 0 0 N 4 0 ⎥ ⎨ ⎬ ...................................(2.32) ⎪w⎪ ⎢0 0 N 0 0 N 0 0 N 0 0 N ⎥ ⎪u 3 ⎪ ⎩ ⎭ ⎣ 1 2 3 4⎦ ⎪v 3 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪w3 ⎪ ⎪u ⎪ ⎪ 4⎪ ⎪v 4 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩w4 ⎭ dimana N1 = N2 = N3 = N4 =

α 1 + β1 x + γ 1 y + δ 1 z 6v

α 2 + β2 x + γ 2 y + δ 2 z 6v

……………………………………………....(2.33)

α3 + β3 x + γ 3 y + δ 3 z 6v

α 4 + β4 x + γ 4 y + δ 4 z 6v


strain dari elemen untuk kasus stress tiga dimensi diberikan dalam persamaan berikut ini:

{ε } = [B ] {d } ........................................................................................(2.34)

⎡β1 ⎢0 ⎢ ⎢0 [B] = ⎢ ⎢λ1 ⎢0 ⎢ ⎢⎣δ 1

0

γ1 0

β1 δ1 0

0 ⎤ 0 ⎥⎥ δ1 ⎥ ⎥ ……………………………………………………….(2.35) 0 ⎥ γ1⎥ ⎥ β 1 ⎥⎦

hubungan stress- strain diberikan melalui persamaan:

{σ } = [D] {ε }...............................................................................................(2.36) dimana [D ] adalah :

0 0 0 ⎤ ⎡1 − v v v ⎢ 1− v v 0 0 0 ⎥⎥ ⎢ ⎢ 1− v 0 0 0 ⎥ ⎥ ⎢ 1 − 2v ⎥ ⎢ E 0 0 [D] = ⎥ ..........................(2.37) ⎢ 2 (1 + v )(1 − 2v ) ⎢ ⎥ 1 − 2v ⎢ 0 ⎥ 2 ⎥ ⎢ ⎢ 1 − 2v ⎥ ⎥ ⎢ 2 ⎦ ⎣


2.4.3 Penelitian-penelitian yang berhubungan dengan simulasi helm Penelitian tentang kekuatan helm dan keamanannya telah dilakukan beberapa peneliti dengan menggunakan simulasi komputer, diantaranya : Praveen Kumar Pinnoji dan Puneet Mahajan telah meneliti tentang beban impak yang terjadi pada helm sepeda motor dan juga otak manusia (Gambar 2.14 dan 2.15) dengan menggunakan software LS-DYNA [20].

Gambar 2.16 Impak depan dan samping pada helm sepeda motor

Gambar 2.17 Tegangan yang terjadi pada otak manusia akibat beban impak Sedangkan penelitian helm industri non standard (dari bahan Ethylene Propelene Copolymer) yang mendapat beban impak kecepatan tinggi telah dikembangkan dengan simulasi komputer oleh Syam B dan Nayan dengan memakai software MSC Nastran 4.5 [21].


2.5.

Kerangka Konsep Untuk membandingkan selisih tegangan antara eksperimen dan simulasi maka tegangan yang

dikeluarkan dari simulasi hanya pada elemen berjarak 15 mm dan 30 mm dari titik impak. Dalam penelitian ini variabel bebas yaitu jarak impak antara striker dan input bar, tegangan insiden, waktu impak, dan modulus elastisitas akan mempengaruhi distribusi tegangan pada helm. Dan dengan simulasi permasalahan ini akan bisa diatasi sehingga distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm bisa diketahui. Kerangka konsep dalam penelitian ini digambarkan seperti Gambar 2.16.

Permasalahan : Distribusi Tegangan Pada Seluruh Permukaan Helm Tidak Diketahui

Variabel Bebas : - Jarak Impak - Tegangan Insiden - Waktu Impak - Modulus Elastisitas

Simulasi Komputer

Data hasil eksperimen

Hasil yang diperoleh : - Tegangan pada seluruh permukaan helm. - Selisih tegangan antara simulasi dan eksperimen. - Lokasi dan tegangan terbesar pada helm. - Pebedaan tegangan bila waktu impak dirubah. - Perbedaan tegangan bila modulus elastisitas dirubah. Gambar 2.18 Kerangka konsep penelitian


BAB 3 METODE PENELITIAN

3.1.

Tempat dan Waktu Pengambilan data telah dilaksanakan oleh peneliti sebelumnya [5] di laboratorium Pusat Riset

Impak dan Keretakan jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sedangkan klarifikasi dengan simulasi komputer akan dilaksanakan di IC-STAR. Waktu penelitian mulai dari tanggal pengesahan usulan oleh pengelola program sampai dinyatakan selesai.

3.2.

Bahan, Peralatan dan Metode

3.2.1.

Bahan Dalam penelitian ini spesimen helm yang akan disimulasikan adalah helm industri yang

terbuat dari komposit polimer GFRP yang terdiri dari polyester resin 157 BQTN EX dan dua lapis serat E-Glass jenis Chop Strand Mat yang dibuat dengan metode hand lay up (Gambar 3.1).

(a) tampak atas

(b) tampak samping

Gambar 3.1 Helm komposit 3.2.2.

Peralatan Peralatan yang digunakan untuk mengambil data tegangan insiden dan tegangan yang terjadi

pada helm adalah alat uji kompak seperti yang terlihat pada gambar 2.8, data ini merupakan data rujukan yang diperoleh dari peneliti sebelumnya [5]. Untuk simulasi tegangan pada helm digunakan software MSC Nastran 4.5, sedangkan pemodelan helm dibuat dengan bantuan software Autocad.


3.2.3

Metode

3.2.3.1

Metode pengumpulan data

3.2.3.1.1

Sifat mekanik helm Sifat mekanik helm yang diperlukan dalam simulasi komputer adalah modulus elastisitas dan

poisson ratio, yang telah diperoleh dari uji tarik material helm tersebut [1].

3.2.3.1.2 Massa jenis helm Massa jenis (ρ) spesimen uji merupakan salah satu informasi penting yang dibutuhkan untuk simulasi komputer. Harga massa jenis spesimen uji telah diperoleh dengan cara mengukur besarnya massa dibagi dengan volume spesimen [5]. Volume diketahui dengan mengukur dimensi pada saat spesimen berbentuk potongan pelat yang berukuran 10

× 10 × 4 mm, sedang massa diukur dengan

timbangan digital.

3.2.3.1.3 Pengukuran tidak langsung (metode dua gage) Pengimpakan helm dengan metode dua gage dimaksudkan untuk menghitung tegangan impak yang merambat pada input bar dan tegangan insiden yang masuk serta berpropagasi ke dalam helm, tegangan insiden inilah yang akan dimasukkan sebagai beban impak dalam simulasi komputer. Pengukuran tidak langsung ini dilakukan dengan cara menempel dua buah semi conductor gage pada input bar pada posisi 1100 mm dan 1300 mm dari ujung kiri input bar seperti diperlihatkan pada Gambar 3.10. Sinyal gelombang tegangan dihasilkan dari ujung impak striker dan input bar, setelah pengimpakan. 1300 1100 strike 500

input b

1500

gage a

gage b


15

80

10

35.82866023 3.6543645

5

0 700

800

900

1000

1100

1200

1300

S tre s s (M P a )

T egan gan (M P a)

40

0 0

100

200

300

400

500

600

-5

-40

-10

-80 Waktu (μ s)

-15 Time (μs)

Gambar 3.2 Tipikal grafik tegangan impak dan tegangan insiden 3.2.3.1.4. Pengukuran langsung Pengujian respon helm yang dilakukan secara langsung bertujuan untuk memperoleh data tegangan yang terjadi pada helm, data inilah yang akan dibandingkan dengan data hasil simulasi komputer. Pengukuran langsung ini dilakukan dengan menggunakan uniaxial strain gage

yang

dipasangkan arah-X dan arah-Y pada jarak 15 mm dan 30 mm pada bagian atas helm. Helm diimpak dengan jarak impak yang bervariasi dengan tekanan impak 0,4 Mpa. Pemasangan strain gage dengan jarak yang sudah ditentukan di atas bertujuan untuk mendeteksi karakteristik tegangan sedekat mungkin dengan beban impak dengan memvariasikan tekanan dan jarak impak. Adapun set-up pengukuran langsung pada helm tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.3 dan 3.4. Set-up pengukuran tegangan arah-X (σx ) dan Y ( σ y ) akibat impak pada helm dari arah atas ditunjukkan pada Gambar 3.3 dan 3.4.


500 mm

1500 mm

Striker

Input Bar

Gambar 3.3 Set-up pengukuran respon helm dengan uniaxial gage arah-X (σx ) (b= 15 mm dan 30 mm dari titik impak)

500 mm

1500 mm

Striker

Input Bar

Gambar 3.4 Set-up pengukuran respon helm dengan uniaxial gage arah-Y (σy ) (b= 15 mm dan 30 mm dari titik impak)

3.2.3.2 Metode Analisa Dengan Simulasi Dalam penelitian ini analisa dengan simulasi komputer dilakukan dengan menggunakan software MSC/NASTRAN 4.5 sedangkan model helm industri digambar dengan bantuan software Autocad. Adapun langkah-langkah analisa dengan simulasi komputer dapat dilihat seperti berikut ini, 1.

Helm industri digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm yang sebenarnya dengan menggunakan software Autocad. Karena bentuknya yang simetris maka helm akan dibagi menjadi dua bagian dengan tujuan untuk mempercepat proses analisa yang akan dilakukan dengan software Nastran.

2.

Permukaan helm dibagi dalam elemen-elemen yang berbentuk heksagonal atau tetrahedral dengan ukuran elemen sesuai dengan yang diinginkan dengan mengisi item-item yang diperlukan pada kotak dialog di bawah ini.


Gambar 3.5 Kotak dialog ukuran elemen 3.

Sifat mekanik helm seperti modulus elastisitas, poisson ratio, dan massa jenis dimasukkan ke software MSC/NASTRAN 4.5.

Gambar 3.6 Kotak dialog sifat mekanik 4.

Pada titik-titik tertentu dari helm diconstraint sehingga pada sumbu-sumbu yang diinginkan helm tidak dapat bergerak (sesuai dengan keadaan pada waktu melakukan pengujian di laboratorium).


Gambar 3.7 Kotak dialog constraint

5.

Waktu impak pada simulasi MEH diambil dari grafik tegangan insiden dari hasil pengujian dan akan dimasukkan ke kotak dialog berikut ini :

Gambar 3.8 Kotak dialog model fungsi 6. Dalam software Nastran ini beban akan diberikan dalam bentuk tegangan (pressure), karena berdasarkan hasil eksperimen beban impak yang membentur helm adalah dalam bentuk tegangan insiden. Beban impak tersebut akan diletakkan pada elemen yang sesuai dengan titik impak sewaktu pengujian, beban impak akan dimasukkan ke kotak dialog berikut ini :


Gambar 3.9 Kotak dialog beban impak 7.

Setelah langkah-langkah di atas selesai dilakukan maka langkah terakhir yaitu proses analisa bisa dilakukan sehingga distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm dapat diperoleh.

Gambar 3.10 Kotak dialog analisa 3.3.

Rancangan Penelitian Data tegangan insiden dan tegangan pada helm dengan impak pada bagian atas helm (gambar

3.11) yang telah diperoleh dari peneliti sebelumnya [5] diambil sebagai rujukan untuk dibandingkan dengan hasil simulasi.


200 Striker

200

Input bar

500 mm

1500 mm

Gambar 3.11 Set-up uji helm

Tahap berikutnya adalah memodelkan helm dengan bantuan software Autocad, helm dimodelkan sesuai dengan dimensi aslinya. Kemudian data tegangan yang diperoleh dari eksperimen di laboratorium tadi akan diklarifikasi dengan hasil simulasi komputer menggunakan software MSC/NASTRAN 4.5.

3.4

Pelaksanaan Penelitian

Urutan pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.12 berikut ini :

Mulai

Pemodelan Helm Sifat Mekanik Material Helm Model Pembebanan dari Grafik Tegangan Insiden M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

Analisa Nastran

Hasil

Kesimpulan

Selesai Gambar 3.12 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian

3.5.

Variabel yang diamati Adapun variabel-variabel yang akan diamati dalam penelitian ini adalah :

1. Jarak impak, yaitu jarak antara striker dan input bar. 2. Tegangan insiden, yaitu tegangan yang ditransmisikan ke dalam helm. 3. Waktu impak, yaitu waktu benturan antara input bar dan spesimen helm. 4. Distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm. 5. Modulus Elastisitas.


BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1

Simulasi Helm Dan Perbandingannya Dengan Hasil Eksperimen Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software

autocad. Helm digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm yang sebenarnya (Gambar 4.1). 300

226

235 230

20

147

152

19 190 9

a). Tampak Depan

b). Tampak Samping

Gambar 4.1 Dimensi helm Setelah itu helm dipindahkan ke software MSC/Nastran 4.5 dengan mengimport dari model autocad. Dalam MSC/Nastran 4.5 analisa bisa dilakukan dengan mengambil setengah dari model helm


yang sebenarnya dengan syarat bentuk geometri helm harus simetris terhadap salah satu sumbunya (Gambar 4.2).

V1

Y X

Z

Gambar 4.2 Model helm setelah dibagi dua

Di dalam software MSC/Nastran 4.5 telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekaniknya (Gambar 4.3), bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog untuk material otomatis akan terisi (Gambar 4.4).


Gambar 4.3 Kotak dialog jenis material

Gambar 4.4 Kotak dialog sifat mekanik material Namun karena material helm dalam penelitian ini tidak terdapat dalam daftar yang disediakan oleh MSC/Nastran 4.5 maka sifat-sifat mekanik yang telah diperoleh melalui uji tarik seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog (Gambar 4.5)


Ketika helm dimodelkan dengan software autocad, ukuran helm dibuat dalam satuan milimeter, sehingga modulus elastisitas dan massa jenis dari hasil uji tarik yang masih memakai satuan meter harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam satuan milimeter sebelum dimasukkan ke dalam kotak dialog. E = 6,689 GPa = 6,689.109

ρ = 1555

N N = 6689 = 6689 MPa 2 m mm 2

kg kg = 1,555.10 −6 3 m mm 3

Gambar 4.5 Kotak dialog material helm komposit Bentuk elemen yang digunakan dalam simulasi adalah elemen solid tetrahedral empat node. Jumlah elemen yang akan terbentuk pada model helm tergantung pada ukuran elemen (element size) yang terdapat dalam kotak dialog (Gambar 4.6 ). Ukuran elemen sebesar delapan dipilih berdasarkan luas permukaan input bar yang membentur helm sewaktu melaksanakan eksperimen di laboratorium. Helm setelah selesai di mesh dapat dilihat pada gambar 4.7 dengan jumlah elemen sebanyak 6292 dan node 12872.


Gambar 4.6 Kotak dialog mesh V1

Y X

Z

Gambar 4.7 Helm setelah di mesh Kondisi yang terjadi sewaktu melakukan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa setelah helm menerima beban impak maka helm yang terletak di atas tes rig akan bertranslasi searah dengan arah beban impaknya, sedangkan untuk gerakan rotasi tidak terjadi pada helm (Gambar 3.7). Kondisi di atas harus diadopsi ke dalam simulasi agar hasil simulasi yang diperoleh dapat mendekati hasil dari eksperimen. Karena dalam penelitian ini beban yang disimulasikan adalah beban impak dari sebelah atas helm atau dalam MSC/Nastran artinya beban impak tersebut diberikan dalam arah sumbu Y (Gambar 4.8), maka untuk gerakan translasi helm harus diconstraint dalam arah sumbu X dan Z saja. Sedangkan


untuk arah Y tidak diconstraint karena pada arah sumbu ini helm akan bertranslasi setelah kena beban impak (Gambar 4.9). Helm setelah selesai diconstraint dapat dilihat pada gambar 4.10. V1 L1 24.5

Y X

Z

Gambar 4.8 Beban impak dalam arah sumbu Y

Gambar 4.9 Kotak dialog constraint


V1 C1

13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 1313 131313 13131313 13131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313 13 1313131313 13 13 13 13 13 13 1313 13 13 113 13 3 13 13 13 1 13 313 13 113 13 13 313 13 13 13 13 131313131313131313131313131313 13 13 13 13 1313 1313 13 13 13 13 13 13

Z X

Y

Gambar 4.10 Helm setelah diconstraint Dari diagram Lagrange diperoleh informasi bahwa bila ada perbedaan sifat mekanik dan dimensi antara input bar dengan spesimen helm, maka tegangan yang menjalar di input bar ( σ ) sebagian akan ditransmisikan ke dalam helm ( ασ ), sedangkan sisanya akan direfleksikan kembali ke dalam input bar ( βσ ) (Gambar 2.8). Tegangan yang ditransmisikan ke dalam helm (disebut juga dengan tegangan insiden) inilah yang sebenarnya menjadi beban impak, dan beban impak ini akan mengakibatkan terjadinya tegangan pada permukaan helm. Beban impak dan selang waktu yang telah tercatat dari eksperimen akan dimasukkan ke dalam simulasi, yaitu sebesar 24,5 MPa dengan waktu impak 300 μ s untuk ID 40 mm dan 33,56 MPa dengan waktu impak 300 μ s untuk ID 120 mm (Gambar 4.11).


200

P = 0,4 Mpa Striker

200

Input Bar a

500 mm

b

1500 mm Stress (MPa)

60

100

64.43

40

24.50

Tegangan (MPa)

50 20

0

0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

1600

200

100

300

400

-20

-50 -40

-100

ti

-60

Time (μs)

Waktu (μs)

Gambar 4.11 Tegangan insiden dan waktu impak hasil eksperimen Untuk memperoleh titik impak yang sesuai dengan eksperimen dapat dilakukan dengan memilih elemen yang telah terbentuk pada helm seperti yang ditampilkan pada gambar 4.7, elemen yang dipilih adalah yang sesuai dengan lokasi titik pengimpakan (gambar 4.12).

Gambar 4.12 Kotak dialog pemilihan elemen Di dalam software MSC/Nastran tersedia beberapa jenis bentuk pembebanan, diantaranya adalah dalam bentuk gaya (force) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). Karena beban


impak yang diperoleh dari eksperimen di laboratorium dalam bentuk tegangan, maka dipilih pembebanan dalam bentuk pressure (Gambar 4.13)

Gambar 4.13 Kotak dialog beban impak dalam bentuk pressure Sedangkan untuk pembebanan tersedia empat arah yaitu dari sebelah atas, bawah, kiri, dan kanan. Dalam hal ini dipilih face 4 yang memberikan arah impak dari sebelah atas helm (Gambar 4.14).

Gambar 4.14 Kotak dialog arah pembebanan


Beban yang diberikan pada simulasi berdasarkan intensitas tegangan insiden dalam fungsi waktu F(t) pada ID 60 yaitu sebesar 24,5 MPa dengan selang waktu 300μs (Gambar 4.15). Dan untuk mendapatkan hasil yang maksimal, kurva tegangan insiden hasil eksperimen dimodifikasi menjadi setengah sinus dengan tidak merubah besar beban. Selanjutnya data-data tersebut dimasukkan ke dalam kotak dialog model fungsi (Gambar 4.16) dan bentuk kurva tegangan insiden yang telah dimodifikasi menjadi setengah sinus dapat dilihat pada Gambar 4.17 60 40

24,5 20

100

200

300

- 20 - 40

ti =

300

μs

- 60

Gambar 4.15 Tegangan insiden vs waktu impak hasil eksperimen

Gambar 4.16 Kotak dialog model fungsi


0.998 0.936 0.873 0.811 0.749 0.686 0.624 0.561 0.499 0.437 0.374 0.312 0.25 0.187 0.125 0.0624 0. 0.

0.0000187 0.0000375 0.0000562 0.000075 0.0000937 0.000113

0.000131

0.00015

0.000169

0.000187

0.000206

0.000225

0.000244

0.000262

0.000281

0.0003 DYNA

Gambar 4.17 Kurva modifikasi tegangan insiden untuk simulasi Karena beban yang diberikan pada helm adalah beban impak atau beban dinamis maka dalam simulasi juga diperlukan pembebanan dalam bentuk dinamis (Gambar 4.18).


Gambar 4.18 Kotak dialog beban dinamis

Langkah terakhir adalah proses analisa dengan memilih analysis type dalam bentuk transient dynamic dan output types dalam bentuk displacement and stress (Gambar 4.19).


Gambar 4.19 Kotak dialog analisa Hasil yang diperoleh dari simulasi dapat ditampilkan dalam bentuk tegangan pada permukaan helm, seperti terlihat pada gambar 4.20. V1 L1 C1

24.22 19.98 15.73 11.48 7.238 2.992 -1.254 -5.5 -9.745 -13.99 -18.24 -22.48 -26.73 -30.97 Y X

-35.22 -39.47

Z Output Set: Case 30 Time 0.0087 Contour: Solid Z Normal Stress

-43.71

Gambar 4.20 Distribusi tegangan pada helm


Atau dapat juga ditampilkan dalam bentuk grafik (Gambar 4.21, 4.22, 4.24, dan 4.25), grafik tegangan yang terjadi pada helm inilah yang akan dibandingkan dengan grafik yang diperoleh dari eksperimen (Gambar 4.23 dan 4.26). 0. -0.524 -1.048 -1.572 -2.096

Tegangan (MPa)

-2.62 -3.144 -3.668 -4.192 -4.716 -5.24 -5.764 -6.288 -6.812 -7.336 -7.861 1

3

5

7

9

11

13

Waktu (us) 15

17

19

21

23

25

27

29 Output Set

1: Solid Z Normal Stress, Element 5576

Gambar 4.21 Grafik tegangan ID 40 mm (Beban impak 24,5 MPa) - St gage 15 mm 0. -0.718 -1.436 -2.154 -2.871 -3.589 -4.307 Tegangan (MPa)

-5.025 -5.743 -6.461 -7.179 -7.896 -8.614 -9.332 -10.05 -10.77 1

3

5

7


9

11

13

15 Waktu (us)

17

19

21

23

25

27

29 Output Set

Gambar. 4.22 Grafik tegangan ID 120 mm (Beban impak 33,56 MPa) – St gage 15 mm


18 ID 40 ID 120

12

Stress (MPa)

6

0 0

1000

2000

3000

4000

-6

-7,42 -12

-10.96 -18 Waktu (us)

Gambar 4.23 Grafik tegangan hasil eksperimen - St. Gage 15 mm

Dari hasil eksperimen dengan strain gage terpasang 15 mm dari titik impak diperoleh tegangan sebesar 7,42 MPa untuk beban 24,5 Mpa (ID 40 mm) dan 10,96 MPa untuk beban 33,56 MPa (ID 120 mm). Sedangkan hasil simulasi pada jarak pengamatan yang sama diperoleh tegangan sebesar 7,861 MPa untuk beban 24,5 MPa dan 10,77 MPa untuk beban 33,56 MPa. Jika dibandingkan pada lokasi ini terjadi selisih tegangan sekitar 3,815 %.

5.28 4.886 4.491 4.096 3.701 3.306

M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak 2.911 Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008 2.516 2.121 1.727 1.332

Tegangan (MPa))

Waktu (us)

Gambar 4.24 Grafik tegangan ID 40 mm (Beban impak 24,5 MPa) – St. Gage 30 mm 7.233 6.691 6.15 5.608 5.066 4.524 3.982 Tegangan (MPa))

3.44 2.899 2.357 1.815 1.273 0.731 0.189 -0.352 -0.894 1

3

5

7


9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29 Output Set

Waktu (us)

Gambar 4.25 Grafik tegangan ID 120 mm(Beban impak 33,56 MPa) – St. Gage 30 mm


18 ID 40 ID 120

12

5.12

5.89

Stress (MPa)

6

0 0

1000

2000

3000

4000

-6

-12

-18 Waktu (us)

Gambar 4.26 Grafik tegangan hasil eksperimen - St.Gage 30 mm Pada strain gage terpasang 30 mm dari titik impak untuk beban 24,5 MPa diperoleh tegangan sebesar 5,12 MPa dan 5,89 MPa untuk beban 33,56 MPa. Sedangkan hasil simulasi pada jarak pengamatan yang sama diperoleh tegangan sebesar 5,26 MPa untuk beban 24,5 MPa dan 7,233 MPa untuk beban 33,56 MPa. Selisih tegangan yang terjadi pada lokasi ini adalah 10,55 %. Selisih yang relatif besar ini kemungkinan disebabkan oleh adanya perbedaan dimensi antara helm eksperimen dan simulasi ketika helm dimodelkan dengan autocad. Klarifikasi simulasi komputer terhadap pengujian eksperimen menghasilkan perbedaan hasil yang relatif kecil, selain itu konfigurasi kurva tegangan yang berpropagasi pada helm yang dihasilkan secara simulasi mempunyai kesamaan dengan hasil eksperimen. Dari kesamaan yang disebutkan di atas menunjukkan bahwa simulasi secara tidak langsung dapat menjadi suatu pembanding dari hasil eksperimen.

4.2 Tegangan pada titik-titik yang tidak dipasang strain gage Dengan simulasi distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm dapat diketahui baik pada tempat yang dipasang strain gage maupun tidak, untuk membuktikan itu maka penulis mengeluarkan grafik tegangan di tiga tempat yang tidak terpasang strain gage seperti terlihat pada gambar 4.27. Titik a adalah lokasi dari titik impak yang lokasinya sama seperti gambar 4.8 , sedangkan titik b berjarak 22


mm dari titik a, dan titik c berjarak 44 mm dari titik a. Tegangan insiden yang digunakan sebagai beban impak adalah 24,5 MPa dengan waktu impak 300

μ s.

a

b

V1

c

Y X

Z

Gambar 4.27 Tegangan pada tiga titik yang tidak dipasang strain gage Hasil yang diperoleh dari simulasi dapat dilihat pada gambar 4.28, 4.29, dan 4.30. Pada titik a atau lokasi titik impak, tegangan yang berpropagasi adalah tegangan tekan yang bertambah besar seiring dengan pertambahan waktu. Besar tegangan yang terjadi pada titik ini yaitu sekitar 46 MPa, grafik tegangannya dapat dilihat pada gambar 4.28. 2.332 -0.875 -4.081 -7.288 -10.49 -13.7

Tegangan (MPa))

-16.91 -20.11 -23.32 -26.53 -29.73 -32.94 -36.15 -39.35 -42.56

Waktu (us)

-45.77

Gambar 4.28 Grafik tegangan pada titik a 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32 Output Set



Sedangkan pada titik b yang berjarak 22 mm dari titik a tegangan yang terjadi lebih kecil dari titik a yaitu sekitar 9,2 MPa (Gambar 4.29). 14.24 9.543 4.848 0.153 -4.542 -9.237

Tegangan (MPa))

-13.93 -18.63 -23.32 -28.02 -32.71 -37.41 -42.1 -46.8

Waktu (us)

-51.49

Gambar 4.29 Grafik tegangan pada titik b -56.19 Pada titik c yang berjarak 44 mm dari titik a tegangan yang terjadi semakin mengecil yaitu sekitar 3 1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45 47 Output Set

MPa (Gam2:bar 4.30). Solid Z Normal Stress, Element 8752 14.24 9.543 4.848 0.153 -4.542 -9.237 Tegangan (MPa))

-13.93 -18.63 -23.32 -28.02 -32.71 -37.41 -42.1 -46.8 -51.49 Waktu (us)

-56.19

Gambar 4.30 Grafik tegangan pada titik c 1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45 47 Output Set


Dari simulasi diperoleh tegangan terbesar yang terjadi pada helm akibat beban impak sebesar 24,5 MPa adalah 46 MPa dengan lokasi pada titik a atau tepat di titik pengimpakan. Sedangkan pada titik b M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

yang berjarak 22 mm dari titik a tegangan yang terjadi lebih kecil yaitu sebesar 9,2 MPa. Pada titik c yang berjarak 44 mm dari titik a tegangan semakin mengecil yaitu sekitar 3 MPa. Dari hasil di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa tegangan terbesar adalah pada titik pengimpakan, dan semakin jauh dari titik impak maka tegangan yang terjadi akan semakin mengecil.

4.3 Pembebanan Dengan Waktu Impak Yang Berbeda Besar tegangan yang terjadi pada helm dengan pembebanan sebesar 24,5 Mpa dan waktu impak 300 μs telah diketahui baik dari hasil eksperimen maupun simulasi. Untuk melengkapi tulisan ini penulis merasa perlu untuk membuat simulasi tegangan yang terjadi pada helm dengan beban yang sama tapi waktu impaknya berbeda, dengan tujuan untuk membandingkan dengan hasil yang telah diperoleh sebelumnya. Pembebanan diambil sebesar 24,5 MPa dengan waktu impak mulai dari 10 μs hingga 600 μs. Hasil yang diperoleh akan dibandingkan dengan grafik tegangan yang memiliki beban impak 24,5 MPa dan waktu impak 300 μs (Gambar 4.21) Dibawah ini adalah dari hasil simulasi helm dengan waktu impak yang berbeda-beda.

1.659 0.963 0.267 -0.429 -1.125 -1.821 -2.517 Tegangan (MPa))

-3.213 -3.909 -4.605 -5.301 -5.997 -6.693 -7.389 -8.085 Waktu (us)

-8.781 -9.477 1

26

51

76

101

126

151

176

201

226

251

276

301

326

351

376

401

M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Output Set Z Normal Stress, Element 5576 Kecepata1:nSolid Tinggi, 2008 USU Repository © 2008

Gambar 4.31 Grafik tegangan dengan waktu impak 10 μs 0.462 -0.144 -0.749 -1.355 -1.961 -2.566 -3.172 Tegangan (MPa))

-3.778 -4.383 -4.989 -5.595 -6.2 -6.806 -7.412 -8.017 Waktu (us)

-8.623 -9.229 1

2

3

4

Gambar 4.32 Grafik tegangan dengan waktu impak 150 μs 5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29 30 Output Set


0.0655 -0.46 -0.986 -1.512 -2.037 -2.563 -3.089

Tegangan (MPa))

-3.614 -4.14 -4.666 -5.192 -5.717 -6.243 -6.769 -7.294 -7.82

Waktu (us)

Gambar 4.33 Grafik tegangan dengan waktu impak 200 μs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ngSet Dari grafik-grafik di atas menunjukkan bahwa dengan waktu impak : 200 μs diperoleh tegaOutput an -8.346


sebesar 8,346 MPa, 150 μs diperoleh tegangan 9,229 MPa, dan 10 μs diperoleh tegangan 9,477 MPa. Bila dibandingkan dengan waktu impak 300 μs dengan tegangan yang terjadi sebesar 7,861 MPa maka hasil ini menunjukkan bahwa semakin kecil waktu impak maka semakin besar tegangan yang terjadi.


0. -0.435 -0.87 -1.305 -1.74 -2.175 Tegangan (MPa))

-2.61 -3.045 -3.48 -3.915 -4.35 -4.785 -5.22 -5.655 -6.09 -6.525 Waktu (us)

-6.96 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29 30 Output Set


Gambar 4.34 Grafik tegangan dengan waktu impak 400 μs

0. -0.332 -0.664 -0.996 -1.328 -1.66 -1.991 Tegangan (MPa))

-2.323 -2.655 -2.987 -3.319 -3.651 -3.983 -4.315 -4.647 -4.979

-5.311 M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak 1 2 2008 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Kecepatan Tinggi, Output Set USU Repository © 2008 1: Solid Z Normal Stress, Element 5576

Waktu (us)

Gambar 4.35 Grafik tegangan dengan waktu impak 600 μs Dengan waktu impak yang lebih besar dari 300 μs yaitu : 400 μs diperoleh tegangan 6,96 MPa dan 600 μs diperoleh tegangan 5,311 MPa. Bila dibandingkan dengan waktu impak 300 μs dengan tegangan yang terjadi sebesar 7,861 MPa maka hasil ini menunjukkan bahwa semakin besar waktu impak maka semakin kecil tegangan yang terjadi.

4.4 Pembebanan Dengan Modulus Elastisitas Yang Berbeda Perbedaan modulus elastisitas dari suatu material akan menyebabkan perbedaan pada tegangan yang terjadi, semakin besar harga E maka semakin besar pula tegangan pada material tersebut. Hal ini dapat dilihat pada persamaan berikut :

σ =ε

E .................................................................(4.1)

Untuk mengetahui respon tegangan yang terjadi pada helm bila modulus elastisitasnya diperkecil atau diperbesar maka penulis mencoba mensimulasikan beberapa harga modulus elastisatas dari helm (Gambar 4.31, 4.32, dan 4.33). Grafik tegangan yang diperoleh akan dibandingkan dengan tegangan dengan modulus elastisitas sebesar 6689 MPa (Gambar 4.28).


0. -0.0292 -0.0583 -0.0875 -0.117 -0.146 -0.175 Tegangan (MPa))

-0.204 -0.233 -0.262 -0.292 -0.321 -0.35 -0.379 -0.408 Waktu (us)

-0.437 -0.466 0.

Gambar 4.36 Grafik tegangan dengan harga E 66,89 MPa 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29 30 Output Set

24

25

26

27

28

29 30 Output Set

-0.292 1: Solid Z Normal Stress, Element 7650 -0.583 -0.875 -1.166 -1.458 -1.749 Tegangan (MPa))

-2.041 -2.332 -2.624 -2.915 -3.207 -3.498 -3.79 -4.081 -4.373 -4.664

Waktu (us)

Gambar 4.37 Grafik tegangan dengan harga E 668,9 MPa

1 2 3 4 5 6 0. 1: Solid Z Normal Stress, Element 7650 -29.15

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

-58.3 -87.46 -116.6 -145.8 -174.9

M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak -204.1 Kecepatan Tinggi, 2008 USU Repository © 2008 -233.2 -262.4 -291.5 -320.7

Tegangan (MPa))

Waktu (us)

Gambar 4.38 Grafik tegangan dengan harga E 66890 MPa Dari hasil simulasi dengan harga E = 66,89 MPa diperoleh tegangan sebesar 0,466 MPa, sedangkan dengan harga E = 668,9 MPa diperoleh tegangan sebesar 4,664 MPa, dan dengan harga E = 66890 MPa diperoleh tegangan sebesar 460 MPa.. Bila dibandingkan harga E = 6689 MPa yang memberikan tegangan sekitar 46 MPa (Gambar 4.28), maka dapat disimpulkan bahwa tegangan berbanding lurus dengan modulus elastisitas, semakin besar harga E semakin besar pula tegangan yang terjadi dan sebaliknya semakin kecil harga E semakin kecil tegangan yang terjadi, hal ini sesuai dengan persamaan 4.1.


BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1.

Dari hasil simulasi dengan strain gage berjarak 15 mm dari titik impak diperoleh tegangan 7,861 MPa dan 10,77 MPa. Sedang hasil eksperimen pada jarak pengamatan yang sama diperoleh tegangan 7,42 MPa dan 10,96 MPa. Perbandingan selisih tegangan pada lokasi ini sekitar 3,815 %.

2.

Dari hasil simulasi dengan strain gage berjarak 30 mm dari titik impak diperoleh tegangan 5,26 MPa dan 7,233 MPa. Sedang hasil eksperimen pada jarak pengamatan yang sama diperoleh tegangan 5,12 MPa dan 5,89 MPa. Perbandingan selisih tegangan pada lokasi ini sekitar 10,55 %.

3.

Dari simulasi diperoleh tegangan terbesar yang terjadi pada helm adalah 46 MPa dengan lokasi terletak tepat pada titik pengimpakan, dan semakin jauh dari titik impak maka tegangan yang terjadi akan semakin kecil.

4.

Simulasi menunjukkan bahwa semakin kecil waktu impak maka semakin besar tegangan yang terjadi pada helm sebaliknya semakin besar waktu impak semakin kecil pula tegangan yang terjadi pada helm.

5.

Dari simulasi diperoleh tegangan yang terjadi pada helm berbanding lurus dengan modulus elastisitasnya, semakin besar harga E semakin besar pula tegangan yang terjadi dan sebaliknya semakin kecil harga E semakin kecil tegangan yang terjadi.

6. Simulasi tegangan pada helm industri dari bahan komposit GFRP yang mendapat beban impak kecepatan tinggi dengan menggunakan software MSC Nastran 4.5 bukan hanya dapat menjadi pembuktian dari sebuah eksperimen tetapi juga dapat memberikan data-data baru dengan menambah beberapa variabel seperti waktu impak, modulus elastisitas, dan tegangan pada titiktitik yang tidak terpasang strain gage.


5.2

Saran

1. Agar selisih tegangan antara eksperimen dan simulasi tidak terlalu besar maka ketika dimodelkan dengan autocad dimensi helm industri harus benar-benar mendekati ukuran yang sebenarnya. Untuk itu penulis menyarankan agar helm dibelah menjadi dua bagian yang simetris sehingga memudahkan dalam pengukuran. 2.

Dari hasil simulasi diperoleh distribusi tegangan akibat impak pada bagian atas helm industri. Berdasarkan data-data tersebut penulis menyarankan untuk memperkuat bagian atas helm terutama pada tulangan, karena pada bagian ini tegangan yang terjadi lebih besar dibandingkan bagian-bagian lain pada helm. Sementara pada bagian pelindung sinar matahari tegangan yang terjadi semakin mengecil sehingga tidak diperlukan bahan yang terlalu kuat.


DAFTAR PUSTAKA

[1] Miyazaki, Yusuke and Ujihashi, Sadayuki. Influence of the Head Shape Variation on Brain Damage under Impact. SAE International 2005 [2] Johnson, E. A. C and Young, P. G. The Analysis of Pressure Response in Head Injury. SAE International, 2006. [3] Deck C., Baumgartner B. and Willinger R. Helmet Optimisation Based On Head-Helmet Modellin. Université Louis Pasteur de Strasbourg IMFS – UMR 7507 ULP-CNRS France, 2001.

[4] Sarkar, S, Majumder, S and Roychowdhury. Response Of Human Head Under Static & Dynamic Load Using Finite Element Method. Trends Biomater. Artif. Organs. Vol. 17(2) pp 130-134 (2004) [5] Hasrin, Desain dan Pabrikasi Helmet Industri yang Ergonomik.

[6] American National Standard Institute for Industrial Head Protection, Z89.11997. [7] Japan International Standard for Safety Helmet, T-8131, Japan, 1977 [8] Warner, B, Steven, Fiber Science, University of Massachusetts,Prentice Hall, New Jersey, USA, 1995 [9] Sih, G.C, Composite material response: Constitutive relations and damage mechanisms, Elsevier Applied Science, London, Great Britain, 1988

[10] Standar Nasional Indonesia, Helm Pengendara Kendaraan Bermotor Roda Dua untuk Umum, SNI 19-1811-1990. [11]

Kolsky, H., An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High-Rate of Loading, Proc. Phys. Soc., London, B62, 676-700, 1949.

[12] Clark, D.S., The Behaviours of Metal under Dynamic Loading, Trans. Amer. Soc. Metals, 46, 1954, 34. [13] Lindholm, U.S., Some Experiments with Split-Hopkinson Pressure Bar, J.Mech.Phys. Solid, 12, 317-335, 1964. [14] Maiden, C.J. and S.J. Green, Compressive Strain Rate Test on Six Selected Materials at Strain Rates from 10-4 to 104 in/in/sec., J.Appl. Mech., 33, 496, 1966.


[15] Syam B, Perilaku Mekanik Material Keramik Teknik Terhadap Beban Impak, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin, FT. USU, Medan, 1996. [16] Syam B, A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Materials, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan, March 1996, pp. 29-98. [17] Daimaruya, M., H. Kobayashi, and Bustami Syam, Impact Tensile Strength of Brittle Materials, Proc. Of Int. Conf. on Adv. Tech. In Exp. Mech. (ATEM’96), Nov. 1995, Tokyo, Japan, pp. 269-274. [18] Daimaruya, M., H. Kobayashi, Bustami Syam, and M. Chiba, Impact Tensile Strength and Fracture of Plaster, J. of the jap. Soc. For Strength and Frac. Of Mat., JSFM, vol. 30, no. 1, 1996.

[19] Syam B, Aplikasi Teknik Dua Gage Dalam Pengukuran Tegangan Insiden pada Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah SAINTEK, Vol.19, no.2, 2003. [20] Pinnoji, Praveen Kumar and Mahajan, Puneet. Impact Analysis Of Helmets For Improved Ventilation With Deformable Head Model. IRCOBI Conference, Madrid (Spain), September 2006. [21] Syam B, Nayan A, Penyelidikan Perilaku Mekanik Helm Industri Akibat Beban Impak Kecepatan Tinggi. Prosiding Seminar Material dan Struktur (MASTRUCT), Medan, Januari, 2004


TM

Recommend Documents