Pengaruh Beban Impact pada Inisiasi Keretakan dan Fragmentasi

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

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

Pengaruh Beban Impact pada Inisiasi Keretakan dan Fragmentasi Sutikno, Indra Sidharta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia

Abstract Beban impact sering teridentifikasi pada bidang engineering, tetapi fenomena yang terjadi pada kasus partikel impact khususnya untuk granular material - belum terungkap secara lengkap. Hasil observasi pada eksperimen menunjukkan bahwa keretakan dan fragmentasi dari suatu partikel saat menumbuk material target menimbulkan pengaruh yang fenomenal terhadap kerusakan pada material target. Untuk mengevaluasi lebih lanjut tentang pengaruh keretakan dan fragmentasi partikel terhadap kerusakan material target, perlu untuk mengetahui proses terjadinya keretakan dan fragmentasi pada partikel pada saat proses impact sedang terjadi. Kerusakan pada material akibat beban impact, dapat diidentifikasi dengan metode Non Destructive Evaluation dan observasi visual. Metode ini hanya dapat dilakukan apabila material dalam kondisi tidak sedang terjadi proses - off process. Untuk itu pada penelitian ini dikembangkan Metode Elemen Diskrit guna mensimulasikan fenomena keretakan dan fragmentasi didalam partikel. Metode ini dilakukan dengan cara memodelkan material menjadi elemen-elemen diskrit. Metode ini dikembangkan sebagai alternatif terhadap Metode Elemen Hingga. Metode elemen diskrit dapat memprediksi lokasi terjadinya keretakan dan fragmentasi yang terjadi didalam partikel. Melalui penelitian ini fenomena yang terjadi pada kasus partikel impact, khususnya keretakan dan fragmentasi didalam partikel dapat diungkap lebih detail. Keywords: Metode Elemen Diskrit, Keretakan, Fragmentasi

1. PENDAHULUAN Permasalahan dalam partikel impact banyak diidentifikasi pada proses engineering. Beberapa contoh kasus partikel impact yang dapat diidentifikasi antara lain: (a) impact dari tetesan air hujan pada pesawat udara dapat menyebabkan degradasi pada optik IR transmiter [1]. (b) impact dari partikel pada sayap dan body pesawat [2]. (c) partikel impact pada sistem transport benda padat dengan cair atau gas dapat menyebabkan erosi pada dinding saluran perpipaan [3]. (d) partikel impact yang menyebabkan erosi pada boiler tubes khususnya di bagian economizer [4]. (e) pada gas turbin bertemperatur tinggi, sudu turbin yang dibuat dari keramik yang dikenai partikel impact juga mengalami kerusakan yang berupa takikan berbentuk V [5,6].

Gambar 1. Zona kerusakan pada sudu turbin [7]

Sederet penelitian telah dilakukan tentang beban impact terhadap material getas, antara lain penelitian yang dilakukan oleh Fields dan Townsend [7], Frank dan Lawn [8], dan Knight et al. [9]. Didalam publikasinya, Kim et al [10] telah mempelajari bentuk keretakan pada plat yang terbuat dari material getas akibat impact oleh partikel. Tetapi focus utama dalam penelitian tersebut adalah kerusakan pada target material bukan pada partikel. Dengan mempertimbangkan adanya erosi pada material target yang disebabkan oleh partikel impact, perilaku partikel setelah terjadi impact ikut memegang peranan dan penting untuk dipelajari. Keretakan dan fragmentasi pada partikel dapat mengubah waktu kontak (contact time) dan tekanan kontak (contact pressure) antara partikel dengan material target. Oleh karena itu pengaruh keretakan dan fragmentasi partikel pada kerusakan material target tidak dapat diprediksi tanpa mengetahui formasi keretakan dan fragmentasi pada partikel tersebut. Banyak penelitian yang telah dilakukan, tetapi fenomena keretakan dan fragmentasi dalam partikel khusunya yang terbuat dari material getas dan pengaruhnya terhadap kerusakan material target belum terungkap secara lengkap. Belum ada penelitian yang membahas tentang keretakan dan fragmentasi didalam partikel secara spesifik. Oleh karena itu penelitian ini difokuskan pada pengembangan metode elemen diskrit sebagai

SNTTM X | 1063

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

tahap awal yang mendukung untuk dapat mengetahui formasi keretakan dan fragmentasi didalam partikel pada saat terjadi impact. 1.2 Permasalahan Banyak kendala yang dihadapi untuk mengetahui formasi keretakan dan fragmentasi didalam partikel pada kasus impact. Hal ini disebabkan evaluasi dilakukan pada keretakan dan fragmentasi internal yang terjadi didalam partikel dan terjadi dalam durasi yang sangat singkat. Oleh karena itu metode non destructive test dan observasi fisik tidak dapat digunakan untuk mengetahui formasi keretakan dan fragmentasi tersebut. Untuk itu digunakan metode elemen diskrit untuk mengetahui formasi keretakan dan fragmentasi didalam partikel. Metode elemen diskrit ini lebih unggul dibandingkan dengan metode elemen hingga khususnya untuk analisis non-continuum material termasuk keretakan dan fragmentasi. 1.2 Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah mengembangan metode elemen diskrit sebagai tahap awal untuk mengevaluasi fenomena keretakan dan fragmentasi didalam partikel yang terbuat dari material getas pada kasus impact yang sangat sulit diamati dengan menggunakan peralatan fisik mengingat keretakan dan fragmentasi terjadi didalam partikel dan terjadi pada durasi yang sangat singkat. Hasil penelitian ini diharapkan dapat digunakan sebagai tool untuk penelitian berikutnya yang akan mengupas tentang pengaruh formasi keretakan dan fragmentasi

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

2.

Gambar 3. Hubungan antar elemen 3.

4.

Penentuan jenis elemen diskrit Jenis elemen juga memegang peranan penting dalam metode elemen diskrit. Jenis elemen yang berbeda akan menyebabkan formulasi dalam perhitungan metode ini berbeda. Jenis elemen ini berhubungan dengan kluster elemen. Perhitungan metode elemen diskrit Perancangan perhitungan metode elemen diskrit adalah perancangan siklus perhitungan metode elemen diskrit seperti ditunjukkan pada gambar berikut. Impact Boundary forces

2. METODE Secara garis besar, penelitian ini dilakukan dengan tahapan sebagai berikut : 1. Penentuan geometri partikel Pada bagian ini ditentukan geometri dari partikel yang meliputi bentuk dan ukuran partikel. Penentuan geometri sangat penting karena berhubungan dengan jumlah elemen yang digunakan untuk diskritisasi partikel.

Forces Boundaries

Contact Law

Law of Motion

Displacements

Integration of Accelerations

Gambar 4. Siklus metode elemen Diskrit 5.

6. Gambar 2. Diskritisasi partikel

Penentuan jenis material Jenis material akan mempengaruhi nilai konstanta pegas baik untuk arah normal maupun arah tangensial. Jenis material yang berbeda akan memberikan hasil nilai konstantan pegas yang berbeda.

Perancangan metode Oleh karena partikel impact berhubungan dengan kontak antara 2 bodi, maka perlu dirancang metode kontak antara 2 bodi tersebut. Dalam hal ini deteksi kontak (contact detection) dan penentuan kontak (contact judgement) perlu disertakan didalam prosedur perhitungan elemen diskrit. Pemutusan hubungan antar elemen Hubungan antar elemen diskrit akan diputus apabila nilai maksimum principal stressnya melebihi nilai kritis dari material. Untuk

SNTTM X | 1064

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

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

menentukan pasangan elemen yang akan diputus hubungan pegasnya, digunakan sudut dari maksimum principal stress sebagai referensinya. Hubungan pegas antar elemen akan diputus pada elemen yang terletak paling dekat terhadap sudut maksimum principal stress. Y

Y

1 2

Gambar 6. Model elemen diskrit

Springs are broken

❷

❸

❷

❸ p

❹

❶

0

❺

❻

X

❹

❶

0

❺

Dalam simulasi impact ini, model yang ditampilkan pada Gambar 6 disimulasikan secara numerik dengan menggunakan time stepping 0.1 detik. Tegangan direkord pada elemen di area kontak pada partikel dalam arah kecepatan impact. Untuk memverifikasi akurasi, tegangan hasil simulasi dengan metode elemen diskrit dibandingkan dengan tegangan hasil dari LS-DYNA. Dalam hal ini, LS-DYNA mengevaluasi kasus impact yang sama dengan metode elemen hingga.

X

❻

Gambar 5. Pemutusan hubungan pegas antar elemen

8.

9.

Time stepping Time step dalam metode elemen diskrit mempunyai andil yang sangat besar dalam menjaga kestabilan perhitungan. Penentuan time step yang tidak tepat menyebabkan proses perhitungan menjadi tidak stabil atau menghasilkan error yang cukup besar, bahkan memungkinkan untuk mendapatkan hasil yang tidak rasional. Implementasi metode elemen diskrit pada kasus partikel impact Metode elemen diskrit diaplikasikan pada kasus partikel impact dengan mempertimbangkan semua parameter yang ada antara lain: properti material, kecepatan impact, kondisi awal dan kondisi batas. Evaluasi Pada bagian ini dilakukan evaluasi terhadap hasil dari metode elemen diskrit. Sejauh mana metode elemen diskrit dapat digunakan untuk menganalisis kasus partikel impact khususnya tentang keretakan dan fragmentasi didalam partikel.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Model Model yang dianalisis pada penelitian ini adalah impact dari partikel Nylon6 dengan diameter 4 mm pada rigid wall. Sifat-sifat mekanik dari Nylon6 antara lain: modulus elastisitas E 1.62 GPa, Poisson’s ratio  0.35, density  1.09E-06 kg/mm3, dan tebal t 1 mm. Partikel tersebut didiskritisasi dengan elemen diskrit disk dengan jumlah elemen terdiri dari 745 elemen disk dengan radius 0.07 mm. Partikel impact dengan rigid wall pada berbagai kecepatan. Model untuk diskrit elemen ditunjukkan pada Gambar. 6. Untuk mengevaluasi akurasi metode elemen diskrit, analisis dua dimensi dilakukan pada kasus elastic impact problem.

3.2 Impact pada rigid wall Untuk memverifikasi keakuratan metode elemen diskrit, dilakukan simulasi impact pada rigid wall. Partikel impact pada arah tegak lurus pada rigid wall dengan kecepatan impact 30 m/detik. Hasil metode elemen diskrit, LS-DYNA dan teori kontak Hertz dibandingkan dan ditampilkan pada Gambar 7 dan Gambar 8. Gambar tersebut menunjukkan tegangan dalam arah normal dan displacement yang terjadi pada elemen di area kontak pada pada partikel. Tegangan dalam arah normal yang terjadi pada partikel ditampilkan pada grafik di gambar 7. Tegangan kompresi terjadi pada saat partikel dan rigid wall berada dalam kondisi kontak. Setelah beberapa saat, partikel memantul dan pada akhirnya terpisah dari rigid wall. Hal ini menyebabkan tidak lagi terjadi tegangan pada partikel. 0

Normal stresses, GPa

7.

-0.06

-0.12 Analytical DEM LS-DYNA -0.18 0

0.005

0.01

0.015

Time, msec SNTTM X | 1065

0.02

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

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

Displacement yang terjadi di area kontak pada partikel ditampilkan dalam gambar 8. Dari grafik displacement tersebut dapat diestimasi waktu kontak yang terjadi antara partikel dan rigid wall.

Displacement, mm

0.25

Analytical DEM LS-DYNA

menunjukkan hasil yang konsisten dengan tren yang sama

Maximum normal stresses, GPa

Gambar 7. Tegangan normal di area kontak pada partikel Seperti terlihat pada gambar diatas, tegangan kontak yang terjadi pada partikel hasil metode elemen diskrit, analitis dan LS-DYNA menunjukkan hasil yang konsisten dengan tren yang sama.

0.4 Analytical DEM LS-DYNA

0.2

0 0

10

30

40

50

60

70

Velocities, m/sec

0.15

Gambar 9. Tegangan normal maksimum di area kontak pada partikel pada beberapa kecepatan impact

0.05

-0.05 0

20

0.005

0.01

0.015

Perbandingan terhadap durasi kontak pada beberapa kecepatan impact yang berbeda diplotkan pada gambar dibawah ini.

0.02

Time, msec

Tabel 1. Durasi kontak dan tegangan maksimum Durasi Tegangan kontak maksimum (mdetik) (GPa) Analytical DEM LS-DYNA

0.0112 0.0111 0.0110

0.167 0.157 0.165

Tabel 1 menunjukkan bahwa terdapat kesesuaian hasil antara LS-DYNA dan analitis dengan metode elemen diskrit.

3.3 Impact pada beberapi kecepatan Pada penelitian ini, simulasi impact dilakukan dengan beberapa kecepatan yang berbeda, mulai dari kecepatan impact 1.0 m/detik sampai dengan 70.0 m/detik. Tegangan normal maksimum yang didapatkan dari hasil simulasi metode elemen diskrit diplot pada gambar 9 dan dibandingkan dengan tegangan normal maksimum hasil dari LS-DYNA dan perhitungan analitis. Dari gambar 9 dapat dilihat bahwa tegangan normal maksimum yang terjadi pada partikel hasil metode elemen diskrit, analitis dan LS-DYNA juga

0.024

Contact duration, msec

Gambar 8. Displacement di area kontak pada partikel Durasi kontak dan tegangan maksimum dari kasus partikel impact pada rigid wall ditabelkan pada tabel 1 berikut.

Analytical DEM LS-DYNA

0.02

0.016

0.012

0.008 0

10

20

30

40

50

60

70

Velocities, m/sec Gambar 10. Durasi kontak antara partikel dan rigid wall pada beberapa kecepatan

3.4 Inisiasi keretakan Untuk mengetahui inisiasi keretakan pada simulasi metode elemen diskrit ini, diperlukan variabel kekuatan material. Dalam hal ini kekuatan Nylon6 yang digunakan untuk inisiasi keretakan dalam partikel adalah 0.06 GPa. Model partikel hasil simulasi pada kecepatan yang berbeda beserta keretakan yang terjadi pada partikel ditampilkan dalam gambar berikut. Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa partikel hancur total pada kecepatan impact 70.0 m/detik.

SNTTM X | 1066

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

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

(a). Kecepatan impact = 3.0 m/detik

(f). Kecepatan impact = 15.0 m/detik

(b). Kecepatan impact = 4.0 m/detik

(h). Kecepatan impact = 25.0 m/detik

(c). Kecepatan impact = 5.0 m/detik

(j). Kecepatan impact = 40.0 m/detik

(d). Kecepatan impact = 8.0 m/detik

(k). Kecepatan impact = 50.0 m/detik

SNTTM X | 1067

Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB

(l). Kecepatan impact = 60.0 m/detik

(m). Kecepatan impact = 63.0 m/detik

(n). Kecepatan impact = 65.0 m/detik

(p). Kecepatan impact = 70.0 m/detik Gambar 11. Inisiasi dan propagasi keretakan didalam partikel Dengan memberikan tambahan prosedur noncontinuum maka keretakan tersebut dapat dikembangkan lagi menjadi fragmentasi.

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

4. KESIMPULAN Metode elemen diskrit dapat digunakan untuk simulasi keretakan pada partikel pada kasus impact. Keretakan diinisiasi pada partikel Nylon6 pada kecepatan impact kritis 4.0 m/detik dan berkembang kedalam partikel secara proporsional sesuai dengan besarnya kecepatan impact. Hasil perbandingan dengan dua metode lainnya yaitu perhitungan analitis dan LS-DYNA, metode elemen diskrit menunjukkan hasil yang baik khususnya untuk pemodelan non-continuum. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] Adler, William F., Particulate impact damage predictions, Wear, Elsevier, Vol. 186, 1995, pp. 35-44. [2] M. F. Knight Jr. N. Jaunky, R. E. Lavson and D.R. Ambur, Penetration simulation for uncontained engine debris impact on fuselage-like panels using LS-DYNA, Finite Element in Analysis and Design, Vol. 36, No. 2, (2000) pp.99-133. [3] Lee, B. E., Fletcher, C. A. J. and Behnia, M., Computational prediction of tube erosion in coal fired power utility boilers, ASME, October 1999, Vol. 121, pp. 746-749. [4] J. Y. Tu, C. A. J. Fletcher, and M. Behnia, Numerical modeling of three-dimensional flyash flow in power utility boilers, Int. Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol. 24, 1997, pp. 787–807. [5] Choi, Sung R., Foreign object damage behavior in a silicon nitride ceramic by spherical projectiles of steels and brass, Material Science and Engineering, Elsevier, vol. 497, 2008, pp. 160-167. [6] Silveira, E., Atxaga, G. and Irisarri, A.M., Failure analysis of two sets of aircraft blades, Journal of engineering failure analysis, Elsevier, 2008. [7] Fields, J. E., Sun, Q. and Townsend, D., Ballistic impact of ceramics, Institute of Physic Conf., Series 102, pp. 387-393, 1989. [8] Frank, F. C., and Lawn, B. R., On the theory of Hertzian fracture, Proceeding of R society, A299, 291, 1967. [9] Knight C. G. K., Swain, M. V., and Chaudhri, M. M., Impact of small sphere on glass surface, Journal of Mat. Science 12, pp. 15731586, 1977. [10] Kim, M. S., Shin, H. S., and Lee, H. C., The effect of back plate materials on cone crack formation of glass plate by impact with small spheres, Proceeding of the 4th International. Symposium on impact engineering, vol. II, pp. 725-730, 2001.

SNTTM X | 1068