Optimalisasi Peran Teknik Mesin Dalam Meningkatkan Ketahanan Energi

Seminar NasionalTeknikMesin X JurusanMesinFakultasTeknik UB

2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Optimalisasi Peran Teknik Mesin Dalam Meningkatkan Ketahanan Energi Ketua Peyunting Dr.Eng. Yudy Surya I,ST.,M.Eng. Sekretaris Penyunting Dr. Slamet Wahyudi, ST.,MT. Penelaah Ahli Prof. Dr. Ir Pratikto, MMT (Universitas Brawijaya Malang) Prof. Ir. ING Wardhana, M.Eng., Ph.D.(Universitas Brawijaya Malang) Dr.Eng. Anggit Murdani, ST.,M.Eng. (POLINEMA) Dr.Eng. Budi Prawara,ST.,M.Eng. (LIPI-TELIMEK) Penyunting Pelaksana Francisca Gayuh Utami D, ST., MT. Tata Letak Fikrul Akbar Alamsyah, ST Dodik & Very Cetak dan Distribusi Totok S. Penanggung Jawab Ketua Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang Perancang Sampul Dodik & Very Penerbit Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang Jl. MT. Haryono 167 Malang 65145 Telp./Fax. +62-341-554291 Email: [email protected]

The statements and opinion expressed in the papers are those of the authors themselves and not necessarily reflect the opinion of the editors and organizers. Any mention of company or trade name does not imply endorsement by organizers.

ISBN: 978 – 602 – 19028 – 0 – 6 Copyright © 2011, Departement Mechanical of Engineering Faculty, Brawijaya University of Malang Not to be commercially reproduced by any means without written permission Printed in Malang, Indonesia, November 2011 SNTTM X | i


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ................................................................................................ ii DAFTAR ISI .............................................................................................................. iii KEYNOTE SPEAKER Tantangan Keilmuwan teknik mesin di bidang nuclear reactor safety Deendarlianto .......................................................................................................................... 1 Rancang Bangun dan Aplikasi Engine Rusnas 500 cc I Nyoman Jujur ........................................................................................................................ 10

BIDANG KONVERSI ENERGI Peningkatan Efisiensi Pembakaran Tungku Kayu Bakar Tradisional Dengan Modifikasi Disain Bambang Yunianto, Nazarudin Sinaga ..................................................................................... 24 Studi Pemanfaatan Briket Kulit Jambu Mete Dengan Kombinasi Sekam Padi Dan Tongkol Jagung Sebagai Bahan Bakar Alternatif Lydia M Salam, H Baharuddin Mire, M. Fachry. A.R............................................................... 29 Efek Ash Campuran Batubara Mutu Rendah Terhadap Potensi Pembentukan Slagging dan Fouling Pada Boiler PT. Semen Tonasa Ismail....................................................................................................................................... 37 Pengembangan Bahan Bakar Briket dari Campuran Kulit Mete dan Sekam Padi Muchammad ............................................................................................................................ 42 Pengaruh Air Fuel Ratio Terhadap Emisi Gas Buang Berbahan Bakar Lpg Pada Ruang Bakar Model Helle-Shaw Cell I Gusti Ngurah Putu Tenaya, Made Hardiana. ......................................................................... 47 Kajian Numerik Aliran Udara Pembakaran pada Tangentially Fired Pulverized-Coal Boiler Wawan Aries Widodo, Is Bunyamin Suryo, Giri Nugroho......................................................... 52 Perbandingan Simulasi Dengan Asumsi Ideal gas Dengan Kondisi Real gas Effect pada Kasus Combustion Albert Meigo R.E.Y, Romie O.Bura, Bambang Kismono Hadi .................................................. 57 Karakteristik Pembakaran Briket Limbah Tongkol Jagung Dan Sekam Padi Dengan Berbagai Perbandingan Tongkol Jagung Dan Sekam Padi Andi Mangkau, Prof. Dr. Ir. Effendy Arif, M. Eng .................................................................... 66 Efek Katalisator (Broquet) Terhadap Emisi Gas Buang Mesin Bensin Arijanto, Andhika Mahardika ................................................................................................... 76 SNTTM X | iii


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Disain Sistem Loading dan Unloading Untuk Alat Angkut Material Dengan Roda Tunggal Berbasis Mekanisme Empat Batang Syamsul Huda, Mulyadi Bur, Gilang Aperlin ......................................................................... 787 Perancangan Awal Alat Uji Split Hopkinson Pressure Bar Guna Menentukan Sifat Material pada Laju Regangan Tinggi Novri Adrian, Leonardo Gunawan, Tatacipta Dirgantara, Ichsan Setya Putra ....................... 794 Kaji Numerik dan Eksperimen Tumbukan Kuasi-Statik pada Tabung Silinder Polyvinyl Chloride Sahril Afandi Sitompul, Tatacipta Dirgantara, Leonardo Gunawan, Ichsan Setya Putra ........803 Pertimbangan Penting Dalam Mendesain Bantalan, Studi Kasus: Modifikasi Bantalan Pada Suatu Centrifuge Untuk Meningkatkan Umurnya Indra Nurhadi, Hardy Kesuma ............................................................................................... 810 Perancangan, Pembuatan, dan Pengujian Load Cell 3-Axis untuk Pengukuran Ground Reaction Force pada Force Platform Sandro Mihradi, Andi I. Mahyudin, Tatacipta Dirgantara, Alit W. Suwirya ........................... 817

BIDANG MATERIAL Pengenalan Program Komputer LD-FEM (Large Deformation-Finite Element Method) Sebagai Alat Bantu Pemodelan dan Simulasi Material Hyperelastic Sugeng Waluyo ...................................................................................................................... 825 Analisis Tegangan Dan Kekuatan Rekat Antar-Muka Pada Bahan Komposit Serat Bambu Dan Resin Epoksi Lies Banowati dan Bambang K. Hadi.................................................................................... 833 Pengaruh Variasi Beban dan Lama Rendaman Air Laut Terhadap Perubahan Defleksi Material Pipa Baja ASTM A53 dengan Metode Uji C-Ring Hairul Arsyad............................................................................................................................. 844 Creep Rupture Analysis and Remaining Life Assessment of A335-P5 Steel Tubes Mochammad Noer Ilman ........................................................................................................ 849 Pengaruh Air Gambut Terhadap Kekuatan Lelah Baja Struktur M. Dalil, dan Warman Fatwa................................................................................................. 855 Analisis Uji Tekan Pada Spesimen Serat Kelapa Dan Kelapa Sawit Noor Eddy, Donny George Hutagalung.................................................................................. 863 Corrosion Location and Size Detection in Reinforced Concrete by Using 2D Boundary Element Inverse Analysis Syarizal Fonna, M. Ridha, S. Huzni, Israr, R. Afrizal and A.K. Ariffin .................................... 871

SNTTM X | xiii


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Perancangan Awal Alat Uji Split Hopkinson Pressure Bar Untuk Mengukur Sifat Mekanik Material Pada Laju Regangan Tinggi Novri Adriana, Leonardo Gunawanb, Tatacipta Dirgantaraa, Ichsan Setya Putraa a

Alumni Program Studi S1 Aeronotika dan Astronotika b Kelompok Keahlian Struktur Ringan Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung Jl.Ganesa No.10 Bandung 40132, Indonesia ABSTRACT This paper presents the development of Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), also known as Kolsky bar, as a device to measure mechanical properties of materials at high strain rates. This device consists of two long bars with a specimen placed in between. Strain wave is generated at one bar by shooting a striker bar to one free end of the bar. The wave propagates to other end of the bar and then to the specimen which causes plastic deformation to the specimen. A part of the wave is reflected back to the first bar and the other part is transferred to the second bar. Strain-stress behavior of the specimen can be determined from the initial strain wave, the reflected wave, and the transferred wave. The design was carried out for the bars, the supporting frame, and the gun system which provides high velocity of the striker bar. This device was designed to measure materials properties at strain rates of 103 -- 104 s-1. Keywords: Mechanical design, Split Hopkinson Pressure Bar, High strain rates.

1. PENDAHULUAN Sifat mekanik material pada laju regangan tinggi diperlukan dalam analisa respon suatu struktur akibat beban yang terjadi dalam waktu yang sangat cepat seperti beban impak. Data ini sangat dibutuhkan karena kebanyakan data sifat material yang tersedia diukur melalui pengujian kuasi-statik. Gambar 1 menunjukkan perubahan kekuatan material sebagai fungsi laju regangan [1]. Pengukuran sifat mekanik material pada laju regangan tinggi pada umumnya dilakukan menggunakan Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Alat ini pertama kali dikembangkan oleh Dr. John Hopkinson pada tahun 1870-an dan saat ini masih terus dikembangkan untuk berbagai keperluan [2,3,4,5,6,7]. 600

True Stress (MPa)

500 400 Strain Rate (/sec) 100 10 1 0.1 0.001

300 200 100 0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Effective Plastic Strain

Gambar 1. Kekuatan material sebagai fungsi laju regangan

Makalah ini mempresentasikan proses desain awal alat SHPB yang akan digunakan untuk menyediakan data sifat material pada laju regangan tinggi, yang diperlukan dalam simulasi numerik pembebanan impak pada tabung prismatik di Kelompok Keahlian Struktur Ringan, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB. 2. DASAR TEORI Gambar 2 menunjukkan skema SHPB, yang terdiri dari tiga bagian utama yaitu pembangkit beban, komponen batang, dan sistem perekam dan penerima data [2]. Prinsip dasar cara kerja SHPB adalah batang striker ditembakkan ke arah batang input, yang akan membangkitkan gelombang regangan kompresi uniaksial pada batang output. Gelombang tersebut akan merambat menuju spesimen pada ujung lain batang input. Sebagian gelombang regangan kompresi akan dipantulkan kembali ke batang input dalam bentuk gelombang regangan tarik dan sebagian lainnya diteruskan ke spesimen dan ke batang output dalam bentuk gelombang regangan tekan. Gelombang regangan pada batang input dan output direkam oleh sistem instrument yang menggunakan strain gages spesimensebagai sensor. Hasil pengujian ini berupa plot regangan terhadap waktu yang dapat diproses lebih lanjut menjadi grafik tegangan-regangan spesimen seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Pengujian menggunakan SHPB biasanya dilakukan untuk mendapatkan sifat mekanik material pada laju regangan yang mencapai 104 s-1.

SNTTM X |794 Corresponding author email: [email protected]


Pembangkit Beban

Penembak

2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Komponen Batang

Striker

Batang input

Spesimen

Batang Input

I R

Batang Output

Laras Strain gage Jembatan Wheatstone

Pre-Amplifier

Strain gage

Spesimen LS Batang output T

Stopper

Jembatan Wheatstone

Osiloskop

v1

v2

Pre-Amplifier

Gambar 3. Spesimen uji Sistem Perekam dan Penerima Data

Gambar 2. Bentuk umum SHPB

Hubungan antara tegangan dan regangan dinamik yang diperoleh dari pengujian menggunakan SHPB dapat dianalisa dengan asumsi bahwa gelombang yang terjadi pada komponen batang dan spesimen adalah gelombang 1 dimensi, dan ukuran spesimen kecil sehingga gelombang regangan melewati spesimen dalam waktu yang lebih kecil dibandingkan dengan waktu perambatan gelombang pada batang input dan output. 2.1 Sifat Mekanik Spesimen Gambar 3 menunjukkan spesimen di antara batang input dan batang output saat terkena gelombang regangan. Pada batang input terjadi gelombang regangan datang dan gelombang pantul , serta pada batang output terjadi gelombang terusan . Kecepatan sisi kiri spesimen adalah dan sisi kanan adalah . Berdasarkan teori gelombang satu dimensi, kecepatan partikel pada kedua ujung spesimen dapat dihubungkan dengan tiga gelombang regangan yang terjadi: –

(1)

,

,

(2)

Dimana : kecepatan gelombang elastik, : modulus Young, dan : massa jenis batang. Subskrip B menyatakan batang. Jika adalah panjang awal spesimen, rata-rata laju regangan pada spesimen adalah: ,

spesimen kecil, tegangan pada sisi kiri dan kanan spesimen dapat dianggap sama, . Dengan menggunakan kondisi ini, dari Pers. (5) dan (6) didapat: (7) Dengan demikian Pers. (3), (4), dan (6) bisa disederhanakan menjadi: ,

(8) ,

(9)

.

(10)

Jika tegangan pada spesimen tidak terdistribusi seragam, harga tegangan spesimen dapat dihitung dari rata-rata tegangan pada kedua ujung spesimen: (11) Pers.(8), (9), dan (10) atau (11) digunakan untuk menghitung laju regangan, regangan dan tegangan pada spesimen berdasarkan besar regangan yang terjadi pada batang . 2.2 Parameter Desain SHPB Harga laju regangan, regangan, dan tegangan pada spesimen merupakan persyaratan desain SHPB. Ketiga harga ini digunakan untuk menentukan parameter desain SHPB seperti kecepatan striker, geometri dan material komponen batang, dan sebagainya. Dalam desain ini ditentukan bahwa diameter dan material batang striker, batang input, dan batang output adalah sama.

(3)

dan regangan spesimen: .

(4)

Tegangan pada sisi kiri dan kanan spesimen dihitung dengan persamaan berikut: (5)

vst Striker

v=0 Sebelum tumbukan

cB

vst Striker

vi

Batang input

cB vi

Setelah tumbukan

v=0 Batang input

(6) dimana : luas penampang dan E: Modulus Young. Subskrip S menyatakan spesimen. Karena ukuran

Gambar 4. Proses pembangkitan pulsa regangan pada v striker batang input oleh

SNTTM X |795


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Gambar 4 menunjukkan proses pembentukan pulsa regangan pada batang input dengan cara menembakkan batang striker ke batang input. Sebelum terjadi kontak, striker bergerak dengan kecepatan dan batang input dalam kondisi diam. Saat terjadi kontak, secara kinematik kecepatan batang striker dan batang input di daerah kontak akan menjadi sama sebesar (0 < < ). Di posisi yang jauh dari daerah kontak, kecepatan masih sama seperti semula karena tumbukan terjadi secara mendadak. Karena kecepatan pada ujung kiri dan kanan kedua batang berbeda, terjadi gelombang regangan pada batang striker yang bergerak ke kiri dan pada batang input yang bergerak ke kanan. Pada bidang kontak terjadi gaya aksi-reaksi antara batang striker dan batang input. Karena diameter striker dan batang input sama, maka: (12 ) = . dimana : tegangan pada striker dan : tegangan pada batang input. Besar bergantung pada kecepatan tumbukan, , menurut persamaan berikut: 1 . 2 dan regangan pada batang input: =

ε =

1 2

.

(13)

(14)

Pers.(14) menyatakan hubungan antara regangan pada batang input sebagai fungsi dari kecepatan tumbukan dari striker. Persamaan ini sering dimanfaatkan dalam proses kalibrasi sistem SHPB. Striker dan batang input dalam keadaan saling menekan satu sama lain selama gelombang regangan pada striker bergerak ke kiri dan kemudian memantul ke kanan sebagai gelombang tarik. Saat gelombang tersebut mencapai bidang kontak, striker tidak menekan batang input lagi dan tegangan pada batang input menghilang. Dengan demikian terbentuk pulsa regangan pada batang input dengan durasi yang sama dengan waktu yang diperlukan oleh gelombang pada striker untuk bergerak dari bidang kontak ke kiri dan kembali lagi ke bidang kontak, yaitu: =

2

,

(15)

dan panjang pulsa pada batang input adalah: =

=2

.

(16)

Pulsa tegangan ini merambat ke kanan menuju spesimen. Sebagian gelombang regangan merambat ke batang output, dimana nilai tegangan batang output dan tegangan spesimen memiliki hubungan sebagai berikut: =

(17)

Tegangan pantulan bergantung pada laju regangan spesimen menurut persamaan berikut: =

έ (18) −2 Dari Pers.(7), (17), dan (18) tegangan datang yang merambat melalui batang input adalah: =

+

(19) έ 2 Kecepatan striker dapat dihubungkan dengan persyaratan desain dan έ dengan mensubstitusikan Pers.(13) ke (19) dan selanjutnya mensubstitusikan Pers.(7), (17) dan (18) ke hasil yang didapat, yang menghasilkan: 2 = ( + έ ) (20) 2 Persyaratan desain lain yang juga harus dipenuhi adalah regangan maksimum pada spesimen. Pers.(9), dapat diproses lebih lanjut dengan mengasumsikan bahwa nilai regangan pantulan konstan dengan durasi pulsa , yang akan memberi: ε = . (21) −2 ε Dengan mensubstitusikan Pers.(21) ke (16), didapat hubungan antara panjang pulsa dan regangan spesimen yang dibutuhkan: ε = . (22) −2ε Pers.(22) digunakan untuk menghitung panjang pulsa yang diperlukan. Panjang pulsa ini menjadi syarat panjang minimum batang input dan batang output, karena berdasarkan teknik SHPB konvensional, panjang batang input dan batang output harus lebih panjang daripada panjang pulsa yang terjadi. Persyaratan ini diperlukan agar tidak terjadi tumpang tindih antara pulsa regangan dengan pantulannya pada strain gage. 3. PARAMETER DESAIN Berdasarkan persamaan yang telah didapat dan rencana pemakaian alat SHPB, didapat beberapa hal penting dari alat uji tersebut: a. Kecepatan tumbuk striker Kecepatan tumbuk dipengaruhi oleh pembangkit beban yang tersedia. Kecepatan tumbuk ini akan mempengaruhi laju regangan pada saat pengujian dilakukan, seperti dinyatakan oleh Pers.(14). b. Perambatan gelombang satu dimensi Kerja alat ini didasarkan pada perambatan gelombang 1 dimensi pada striker, batang input, spesimen dan batang output. Oleh karena itu perlu dibuat sistem pendukung yang dapat menjaga kelurusan batang-batang tersebut. c. Protektor Selama pengujian tidak boleh terjadi kecelakaan atau kerusakan terhadap lingkungan disekitar.

SNTTM X |796


Untuk menghindari kecelakaan, perlu direncanakan sistem penghenti batang output yang bergerak akibat tumbukan oleh batang input. d. Penerima dan pengolah data Gelombang regangan yang terjadi pada batang input dan batang output perlu diukur sebagai data untuk menentukan sifat mekanik spesimen. Berdasarkan pertimbangan desain yang telah dilakukan, design requirement and objective (DR&O) alat SHPB ini ditentukan sebagai berikut:  Aman dioperasikan,  Material yang digunakan tersedia dipasaran,  Mudah dibuat,  Dapat digunakan untuk mengukur material spesimen berbentuk silinder dengan kekuatan mencapai 1 GPa pada laju regangan 103 - 104 s-1. Tenaga pendorong:  Dapat mengatur kecepatan striker pada berbagai kecepatan secara konsisten. Batang input dan batang output:  Harus lurus dan satu sumbu dengan presisi tinggi agar perambatan gelombang yang terjadi satu dimensi,  Kekuatan batang harus lebih tinggi daripada kekuatan spesimen,  Berdasarkan ruang yang tersedia, panjang batang input dan output maksimal 1,5 m,  Diameter batang input dan output berkisar dari 15 hingga 25 mm. Striker:  Diameter dan material striker sama dengan diameter dan material batang input dan output,  Striker harus bergerak dalam satu sumbu dengan batang input dan output,  Untuk memvariasikan panjang pulsa regangan, striker dapat diganti dengan panjang maksimal setengah panjang batang input. Dudukan dan Meja:  Untuk menjaga kelurusannya, batang ditumpu oleh system dudukan yang kaku dan dapat menjaga bar agar selalu satu sumbu sepanjang pergerakannya,  Gesekan yang terjadi antara bar dan dudukan harus minimal untuk mejaga gerakan batang dalam arah aksial,  Dudukan dipasang di atas meja panjang yang kaku.

4. PERANCANGAN KONSEP Berdasarkan pada spesifikasi masalah dan DR&O yang telah dibuat, dilakukan beberapa alternatif desain mengikuti [8] dan [9]. Untuk setiap komponen alat uji SHPB, beberapa kemungkinan solusi adalah sebagai berikut: 4.1 Pembangkit Beban Alternatif pembangkit beban yang dapat mendorong striker mencapai kecepatan tinggi:

2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

 Gas Gun (D11 ) Alat pendorong ini memanfaatkan gas bertekanan tinggi yang dilepaskan secara tiba-tiba untuk mempercepat batang striker. Sistem ini terdiri atas bejana tekan, gas gun, laras dan release valve. Kecepatan striker dapat dikontrol dengan mengatur tekanan gas dalam bejana tekan.  Bahan peledak kimia (D12) Alat ini mirip dengan sistem senjata api ringan yang berfungsi menembakkan proyektil menuju target yang diinginkan dengan menggunakan gaya dorong dari pembakaran propelan. Kelebihan alat ini adalah tidak membutuhkan banyak tempat. Namun demikian, kecepatan proyektil sulit dikontrol serta memerlukan pengamanan yang tinggi.  Gaya Elektromagnetik (D13) Prinsip penggerak elektromagnetik adalah mempercepat suatu benda dengan memanfaatkan arus listrik dan medan magnet. Alat ini dapat memberi kecepatan impak yang lebih tinggi dibandingkan menggunakan gas gun dan bahan peledak kimia, namun alat ini cukup rumit. 4.2 Dudukan DR&O mensyaratkan bahwa dudukan harus berfungsi untuk mengatur kelurusan sumbu komponen batang dan memiliki gesekan minimum dengan batang. Untuk itu dudukan didesain untuk berfungsi sebagai bantalan dan pengatur ketinggian. Bantalan merupakan bagian yang langsung bersentuhan dengan batang, sedangkan pengatur ketinggian terletak di antara bantalan dan meja.

Teflon

Teflon

Bantalan

Meja

Desain Dudukan 1 (D21)

Desain Dudukan 2 (D22) Teflon

Roller bearing

(c)

(d)

Gambar 5 (a) Desain Dudukan 1 (D21), (b) Desain Dudukan 2 (D22), (c) Desain Dudukan 3 (D23), (d) Desain Dudukan 4 (D24)

SNTTM X |797


Ada dua jenis bantalan yang dapat digunakan untuk memenuhi persyaratan ini yaitu bantalan luncur dan bantalan gelinding. Bantalan luncur yang dirancang menggunakan teflon karena bahan ini memiliki koefisien gesek kecil. Pengatur ketinggian dibuat menggunakan baut. Beberapa desain dudukan dibuat dengan pengatur ketinggian dengan jumlah baut yang berbeda. Gambar 5 menunjukkan 4 (empat) alternatif desain dudukan, dengan identifikasinya. 4.3 Meja Agar komponen batang selalu tetap berada dalam posisi satu sumbu, SHPB dibangun diatas meja panjang yang kaku. Kondisi ini akan menjaga gelombang pada batang bergerak satu dimensi. Beberapa alternatif desain meja dan identifikasinya dapat dilihat pada Gambar 6.

2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

 Menggunakan karet (D43) Karet diletakkan dalam tabung dan digunakan untuk meredam energi batang output berdasarkan gesekan antara batang output dengan karet. Untuk mengantisipasi kegagalan, dibagian belakang ditambahkan sebuah batang atau balok penahan. Dari segi harga, stopper menggunakan sistem suspensi paling mahal dan plastisin paling murah. Gambar 7 menunjukkan 3 (tiga) desain stopper dan identifikasinya.

(a)

(b)

Gambar 7 (a) Stopper plastisin (D41), (b) Stopper suspensi (D42), (c) Stopper friksi (D43)

5. PERANCANGAN BENTUK (c) Gambar 6 (a) Meja kaki A (D31), (b)Meja kaki I (D32), (c) Meja rel (D33)

4.4 Stopper Untuk menyerap energi kinetik batang output, digunakan stopper yang disebut juga sebagai peredam momentum. Stopper merupakan sistem pendukung yang terpisah dari sistem komponen batang dan diletakkan di ujung batang output. Bentuk desain peredam momentum yang bisa dibuat adalah:  Menggunakan soft material dari bahan plastisin Plastisin adalah material lunak yang memiliki sifat plastis. Bahan ini akan meredam energi batang output dengan cara berdeformasi.  Menggunakan sistem suspensi (D42) Suspensi berfungsi untuk meredam kejutan dan getaran. Sistem ini dapat digunakan pada alat uji SHPB ini untuk meredam energi batang output.

Beberapa desain awal SHPB dibuat dengan mengkombinasikan berbagai desain alternatif komponen. Evaluasi yang telah dilakukan untuk setiap komponen penyusun dari alat yang akan dirancang belum bisa langsung digunakan untuk menentukan solusi akhir desain awal SHPB, karena solusi terbaik belum tentu bisa didapat dengan menggabungkan solusi terbaik untuk setiap komponen. Karena itu evaluasi dilakukan terhadap beberapa desain awal SHPB yang diperoleh dari gabungan beberapa desain komponen berdasarkan kriteria yang sudah ditentukan. Tabel 1. Pilihan solusi untuk beberapa sub-fungsi Solusi

1

2

3

Pembangkit beban

D11

D 12

D 13

Meja Dudukan Stopper

D21 D31 D41

D 22 D 32 D 42

D 23 D 33 D 43

Sub-fungsi

4

D 34

SNTTM X |798


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

Tabel 2. Penilaian fitur untuk setiap desain Desain Desain Desain Desain Desain 1 2 3 4 5

Fitur

Pemenuhan Fungsi

T

T

T

T

T

Keandalan

T

S

S

T

T

Serviceability

S

S

S

S

S

Umur

S

S

S

S

R

Kemudahan Perawatan

T

S

T

T

T

Kemudahan Pembuatan

S

S

S

S

S

Efisiensi Pengoperasian

S

S

R

S

T

Kesederhanaan Layout

S

R

S

S

S

Tingkat Keamanan

S

R

T

T

T

Cost

3

4

2

5

1

Keterangan:  T: tinggi, merupakan solusi yang paling memuaskan  S: sedang, merupakan solusi yang mendekati memuaskan  R: rendah, merupakan solusi yang paling tidak memuaskan  Cost: 1 ke 5 adalah tingkatan harga dari yang paling murah hingga paling mahal.

Tabel 1 menunjukkan pilihan solusi untuk setiap komponen yang dilakukan dalam perancangan konsep. Dari pilhan tersebut, dilakukan kombinasi untuk mendapatkan 5 (lima) desain awal yang mungkin, yaitu:  Kombinasi 1: D11 + D21 + D24 + D31 + D41  Kombinasi 2: D11 + D21 + D24 +D31 + D42  Kombinasi 3: D11 + D22 + D31 + D41  Kombinasi 4: D11 + D22 +D23 + D33 + D41  Kombinasi 5: D11 + D24 + D32 + D43 Tabel 2 menunjukkan evaluasi untuk lima desain awal tersebut. Berdasarkan kriteria tersebut maka dapat ditentukan desain yang paling baik berdasarkan peringkat untuk setiap desain seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Desain 1 dan 4 merupakan pilihan yang terbaik karena memiliki peringkat T yang lebih banyak dibandingkan desain 2, 3 dan 5. Jika ditinjau dari segi biaya, Desain 4 membutuhkan biaya yang besar dibandingkan dengan Desain 1. Karena itu Desain 1 dipilih sebagai desain SHPB terbaik. Tabel 3. Peringkat untuk setiap desain Rating

Desain 1

Desain 2

Desain 3

Desain 4

Desain 5

High

4

2

3

4

4

5 1

5

3

0 5

2 1

Medium

5

6

Low

0 3

1 4

Cost

2

6. PERANCANGAN RINCI Desain 1 selanjutnya dianalisis lebih detil agar alat dapat berfungsi sesuai dengan kriteria yang telah ditetapkan. 6.1 Kondisi Operasi Kritis Agar semua persyaratan desain yang telah ditetapkan tercapai, perhitungan dilakukan pada dua kondisi pengoperasian kritis, yaitu saat pengujian laju regangan maksimum dan pengujian laju regangan minimum [4]. Pengujian pada laju regangan maksimum melibatkan tegangan terbesar yang ditransmisikan melalui komponen batang, dimana komponen batang harus tetap elastis. Kondisi ini juga menentukan kecepatan maksimum striker yang selanjutnya menentukan kebutuhan daya dorong maksimum untuk system penggerak striker. Dengan demikian material komponen batang harus dipilih yang memiliki kekuatan luluh yang lebih tinggi daripada tegangan maksimum yang terjadi dalam perhitungan ini. Selanjutnya, semakin rendah laju regangan pada sistem, diperlukan system batang yang semakin panjang. Dengan demikian pengujian pada laju regangan minimum akan menentukan panjang batang minimum yang harus digunakan, Langkah pertama dalam proses desain ini adalah menentukan diameter striker dan batang, serta mendefinisikan geometri spesimen (panjang dan luas penampang). 6.2 Desain Sistem Batang Pada studi kasus ini diameter batang diambil sebesar 25 mm. Geometri spesimen sangat berpengaruh terhadap besarnya laju regangan spesimen, oleh karena itu, pada perhitungan ini geometri spesimen yang digunakan diambil yang cukup kecil yaitu panjang 6 mm dan diameter 7 mm. Tegangan spesimen diambil sebesar 1 GPa, laju regangan 104, dan regangan 0.5 sesuai spesifikasi desain. Dengan menggunakan Pers.(12), (16), (17), (18), (19), (20), (21), (22), didapat parameter desain SHPB pada pengujian dengan laju regangan maksimum dan laju regangan minimum, yang ditampilkan pada Tabel 4 dan 5 [10]. Energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan striker, Ekin, dihitung dari energi kinetik striker, yang merupakan fungsi dari kecepatan tumbukan dan massa striker. Tabel 4 menunjukkan bahwa material batang harus mempunyai kekuatan luluh lebih tinggi dari 1288 MPa. Baja 4340 dengan kekuatan luluh sekitar 1620 MPa dapat digunakan untuk komponen ini, Selanjutnya sistem penembak harus mampu menggerakkan striker dengan kecepatan 63.9 m/s yang memerlukan energi kinetik sebesar 1009 J. Tabel 5 menunjukkan bahwa batang input dan batang output harus mempunyai panjang minimal 1,027 m untuk menghasilkan laju regangan minimum. Dengan

SNTTM X |799


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

demikian panjang batang sebesar 1.5 m dalam DR&O memenuhi persyaratan yang diminta.

diameter 25 mm, panjang spesimen 7 mm, diameter 6 mm, dan volume bejana 2 liter. Tabel 6 menunjukkan

Tabel 4. Kasus pengujian pada laju regangan maksimum [10]

Tabel 6. Perhitungan Tekanan Bejana Tekan

σ [Mpa]

ε

1000 [MPa] 78

[MPa]

Panjang Striker (m)

Laju Regangan maksimum (s-1)

Kecepatan Striker (m/s)

Tekanan Pressure tank (Pa)

1288

-1209

0,75

1500

12,89

651.041

[m]

[J]

0,6

2000

15,89

731.237

0,5

2500

18,89

820.086

0,4

3000

21,89

841.257

0,3

4000

27,89

980.430

0,2

6500

42,89

1.482.962

0,1

10000

63,89

1.581.694

0,05

10000

63,89

775.947

έ [s-1]

[MPa]

[MPa]

0.5

10000

1288

[m/s]

[m]

[s]

63.9

0.128

5 x 10-5

0.256

1009

Tabel 5. Kasus pengujian pada laju regangan minimum [10] σ [Mpa]

ε

έ [s-1]

[MPa]

[MPa]

[MPa]

1000

0.2

1000

199

199

-121

[MPa]

[m/s]

[m]

[s]

[m]

[J]

78

9.9

0.51

2,6 x 10-4

1.027

97

6.3 Pembangkit Beban Pembangkit beban terdiri dari bejana tekan, katup, laras dan striker. Bejana tekan digunakan sebagai tempat penampung gas bertekanan tinggi. Pada saat pengujian, gas ini dilepaskan secara tiba-tiba kedalam laras dengan menggunakan valve sehingga mempercepat striker. 6.3.1 Striker Dalam pengujian, panjang striker yang digunakan bisa dipilih berdasarkan pada panjang gelombang yang diinginkan dan laras yang digunakan saat pengujian. Striker memiliki diameter yang sama dengan batang input dan batang output, serta terbuat dari material yang sama yaitu Baja 4340. Untuk menjamin agar terjadi perambatan gelombang satu dimensi pada batang input, maksimum sudut kesalahan impak yang terjadi adalah 0,04 derajat [3]. 6.3.2 Laras Laras merupakan tempat striker dipercepat sampai mencapai kecepatan yang diinginkan. Laras dibuat dengan diameter dalam sesuai dengan diameter striker. Berdasarkan [3], antara striker dan laras diberi perbedaan diameter 0,001-inch untuk mengurangi gesekan dan menghindari kebocoran gas. 6.3.3 Bejana Tekan Bejana tekan merupakan tempat penyimpanan gas bertekanan tinggi untuk mempercepat striker saat pengujian. Desain bejana tekan didasarkan pada kapasitas volume dan tekanan gas yang diperlukan untuk mempercepat striker menuju kecepatan maksimum yang dibutuhkan. Perhitungan tekanan gas dilakukan dengan mengasumsikan bar terbuat dari baja 4340 dengan

perhitungan tekanan gas yang diperlukan untuk beberapa panjang striker pada beberapa kasus. Perhitungan pada Tabel 6 dilakukan menggunakan Pers. (20) dan persamaan ekspansi gas dalam tabung dengan tekanan awal P0, volume awal V0, dan jarak yang ditempuh striker sebagai x, sebagai berikut: =

2

ln (

(23)

+ 1)

Dari Tabel 6 dapat dilihat bahwa untuk membawa

Gambar 8. Bejana tekan untuk system pembangkit beban

striker ke kecepatan maksimum sebesar 63,9 m/s dibutuhkan tekanan gas sebesar ≈ 1,582 M . Karena perhitungan belum memasukkan gesekan antara striker dan laras serta adanya kebocoran udara melalui celah antara striker dan laras, maka harga tekanan maksimum dikalikan dengan faktor 1,5 menjadi 2,373 M atau sekitar 24 Bar. Bejana tekan yang digunakan dalam sistem pembangkit beban memiliki volume 0,002 m3 dengan l = 25 cm, diameter dalam 9 cm, dan tebal dinding 0,5 cm. Berdasarkan harga tekanan maksimum tersebut, tegangan yang bekerja pada dinding bejana dalam arah axial = 24 dan tegangan tangensial = 48 . Desain bejana tekan aman untuk tekanan yang ada karena besar tegangan yang bekerja pada bejana jauh dibawah kekuatan luluh material baja yang mencapai 1000 MPa.

SNTTM X |800


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

6.3.4 Katup Bejana tekan dihubungkan ke laras melalui katup yang dapat mengatur aliran suatu fluida dengan menutup, membuka atau menghambat sebagian dari jalannya aliran. Katup dipilih yang memiliki akurasi baik hingga daerah diatas tekanan maksimum. Untuk mendapatkan kecepatan tumbukan yang konsisten, kecepatan buka katup harus konsisten. Oleh karena itu, pada desain ini digunakan katup selenoid. 6.3.5 Tabung Nitrogen dan Regulator tekanan Gas yang digunakan untuk menggerakkan striker adalah nitrogen, karena tersedia banyak di pasaran dan tidak mengakibatkan korosi pada tabung. Gas dari tabung nitrogen bertekanan tinggi disalurkan ke bejana tekan menggunakan regulator tekanan. Dengan demikian tekanan gas nitrogen dalam bejana tekan dapat diatur sesuai dengan kebutuhan pengujian. 6.4 Hasil Desain SHPB Gambar 9 menunjukkan hasil akhir desain Split Hopkinson Pressure Bar. Konsep desain ini memiliki spesifikasi komponen-komponen utama sebagai berikut:  Pembangkit beban dibuat dengan menggunakan gas nitrogen terkompresi yang dapat membawa striker mencapai kecepatan 60 m/s  Batang input dan batang output dibuat dengan panjang 1,5 meter dengan material Baja 4340.  Striker terbuat dari Baja 4340 dengan diameter yang sama seperti batang input dan output. Panjang striker dapat divariasikan dengan panjang maksimum 0,75 m.  Dudukan sistem batang berupa bantalan luncur dengan desain berbentuk V dan pengatur ketinggian menggunakan empat baut  Meja menggunakan profile I dan C yang tersedia di pasaran.  Stopper terbuat dari bahan plastisin.

4 2

3

1

5

6 No 1 2 3 4 5 6

Keterangan Batang input Batang output Spesimen Stopper Bejana tekan, laras dan katup Tabung gas nitrogen dan regulator tekanan

Gambar 9. Hasil desain awal SHPB

7.

KESIMPULAN Perancangan awal alat uji sifat material pada laju regangan tinggi Split Hopkinson Pressure Bar telah dilakukan secara sistematik. Alat ini telah memenuhi DR&O yang ditetapkan. Untuk mendapatkan desain yang lebih akurat, perhitungan dapat dilakukan lebih baik lagi menggunakan metode yang lebih baik seperti metode elemen hingga. Selain itu, simulasi pengujian impak juga dapat dilakukan untuk memverifikasi desain sebelum alat ini dibuat. ACKNOWLEDGMENT Kegiatan penelitian ini didukung oleh ITB melalui kegiatan Riset KK tahun anggaran 2011. DAFTAR PUSTAKA [1] Ditho Ardiansyah Pulungan. 2010. Analysis of Cylindrical Thin-walled Column Subjected to Axial Impact Loading Considering Strain Rate Effect. Program Studi Aeronotika & Astronotika, Fakultas Teknik Mesin & Dirgantara, ITB. [2] Weinong Chen and Bo Song. 2011. Split Hopkinson (Kolsky) Bar. New York: Springer. [3] Kenneth D. Robertson, Shun-Chin Chou, and Jamfs H. Rainey. 1971. Design and Operating Characteristics of A Split Hopkinson Pressure Bar Apparatus. Army Materials and Mechanics Research Center, Watertown, Massachusetts 02172. [4] Felipe Gallina, R.S. Birch and A. Alves. 2003. Design of A Split Hopkinson Pressure Bar. The 18th Brazilian Congress of Mechanical Engineering. Brazilian Congress of Mechanical Engineering (COBEM), Ouro Preto pp 1. [5] Michael Adam Kaiser. 1998. Advancements in the Split Hopkinson Bar Test. Mechanical Engineering, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University. [6] Jesse Haines, Christopher Knight and Radek Glaser. 2007. Design and Characteristics of A Split Hopkinson Pressure Bar Apparatus. Mechanical Engineering, University of Maine. [7] Nazia Tasneem. 2002. Study of Wave Shaping Techniques of Split Hopkinson Pressure Bar Using Finite Element Analysis. Department of Mechanical Engineering, Osmania University. [8] G. Phal and W. Beitz. 1996. Engineering Design: A Systematic Approach. London: Springer. [9] Supemda Siahaan. 2008. Desain Alat Uji Impak Kecepatan Rendah. Program Studi S1 Aeronotika & Astronotika, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, ITB.

SNTTM X |801


2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6

[10] Novri Adrian. 2011. Perancangan Awal Alat Uji Split Hopkinson Pressure Bar untuk Mengukur Sifat Mekanik Material pada Laju Regangan Tinggi. Program Studi S1 Aeronotika dan Astronotika, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB.

SNTTM X |802

Optimalisasi Peran Teknik Mesin Dalam Meningkatkan Ketahanan Energi

Recommend Documents