Studi Simulasi Penibebanan Impak Pada Helmet Sepeda Dari Baiian Pol}.Uieric Foam Yang Diperkuat Serbuk Tkks Dengan Menggunakan Sottware Ansys 14.5
--l
STUI}I SIMULASI PEMBBBANA]\ TMPAK PADA HBLMET SBPBDA
DARI BAHAN POLYMERIC FOAM YAI{G DIPBRI(UAT SERBUK
TKKS I}ENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.5
SKRIPSI
Skripsi Yang Diujukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelsr Surjann Teknik
AFRINEDI
NrM.100401005
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
F'AKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
-l
ABSTRAK
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dipakai pengendara sepeda
untuk melindungi kepala ketika tedatuh dan meminimalkan cedera karena
benturan. Dewasa ini material untuk pembuatan helrnet sepeda relatif rnahal ini
menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga jual oleh sebab itu
dilakukan Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) Bahan baku yang melimpah dikarenakan kerap menjadi limbah
diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang
ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasi pembebanan
impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic foam yaugdiperkuat serbuk TKKS
dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian ini spesirnen yang akan
diuji dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk
mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan
solidworks 2A10 dan disimulasi menggunakan Software ansys 14.5 untuk
dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang
diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil
simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425
mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum 2,23Nffa dan2,27 MPa,
pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38
MPa dan pada sisi belakang model I dan 2 diperoleh tegangan maksimum 1,99
MPa dan 1,64 MPa sehingga dipilih helmet dengan model 1. Dengan
membandingkan tegangan model 1 dengan eksperimental uji impak jatuh bebas
sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa
atau 7 ,39 o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa
atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72 Nffa dengan eksperimental selisih 0,051
MPa atau 6,73 Yo.
Kata kunci : Helmet sepeda, Sofiware ANSYS 14.5, Impak jatuh bebas.
ABSTRACT
Bicycle helmet is a form of body protection that was used qtclists to protect the
head when/blling and minimizing injury caused by impact. Nowadays the material
.for bike helmet mandacturingrelatively expensive this makes production costs and
selling price higher, therefore new research conducted on natural powder from oil
palm empty fruit bunches (EFB). Raw abundant often become waste, it was
estimated to be quite economical and can be developed into alternative materials
that are environmentally friendly. The purpose of this study was to simulating
impact load on bicycle helmet from polymeric materials reinforced EFB powder
using Ansys 14.5 safruara In this study the specimens will be tested in two dffirent
types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the
stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using SolidWorla 2012
and simulated using INSFS 14.5 software to compare the stress distributian
betweenthe two type,s and then comparisingthe datawith the helmetwhich is tested
experimentally. In this study, it is found thot the results of the impact simulation on
the topface of the helmet at the height o/'1.5 m and velocity af 5425 mm/s, an type
I and 2 obtained the maximum stress 2.23 MPa cnd 2.27 MPc, on the sideface of
the type I and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and 2.i8 Mpa, and on the
rear face of the type I qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64 MPa, so
we found that type I helmet is better on recieving irnpact stress. Comparing tlte
stress that occurs on top face in the simulation results is 1.01 and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.08 MPa ar 7.39ok, the
stress that occurs on side .face in the simulation results is L I I and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.13 MPa or 12.99%,
and the stress that occurs on rear face in the sirnulation results is 0.72 and
experiruental results offree fall impact test on top face obtained by the dffirence
of 0.051 MPa or 6.73%.
Keyword: Bicycle helmet,l,^'/,SyS 14.5 Software, Free-Fall Impact.
KATA PENGANTAR
P{i
dan syukur penulis panjatkan kepada Ailah S.W.T yang memberikan
limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas
akhir ini dengan sebaik mungkin.
Skripsi ini be{udul "STUDI SIMULASI PENIBEBANAN IMPAK PADA
HELMET SEPEDA DARI BAIIAN POL}.UIERIC FOAM YANG
DIPERKUAT SERBUK TKKS DENGAN MENGGUNAKAN SOTTWARE
ANSYS 14.5". Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelasaikan pendidikan
Strata-l (S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang penulis lakukan
dapatterlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada
kesempatan
ini penulis ingin menyampaikan
rasa terima kasih yang mendalam dan
setulusnya kepada:
L Kedua orang tua penulis yang telah memberikan
rasa cinta dan kasih sayang
serta doanyayang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi
dapat berjalan dengan baik.
2.
Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selaku dosen pembimbing
penulis yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan
bimbingan ilmu kepada penulis.
J
Bapak Dr -Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
Bapak Ir. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
5.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang
telah membirnbing, membantu, dan mengajari penulis selama kuliah di
Departemen Teknik Mesin.
6.
Kawan-kawan stambuk 2009 dan 2010 terutama Suhandika Putra, Feby
Danimasthari, Ahmad Riyaldi, Muhammad llham, Fakhrur Rozy,
Muhammad ZaW, Siddiqi, Brema Tarigan, Amma dan teman-teman
ill
mahasiswa Mesin USU, kemudian juga abangda Ade Irwan dan abangda
Faclviza yang telah banyak memberikan support dan sharing dalam
penyelesaian skripsi ini.
7
.
Seluruh pihak yatgbanyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi penulis dan
bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan
saran yang mambangun dari pembaca.
Medan, 8 Juli
2015
AFRINEDI
i0040100s
tv
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK
KATA PENGANTAR.........
................i
......iii
DAFTAR rsr...................
BAB
I PENDAIIULUAN
1.1. LatarBelakang
1.2. Rumusan Masalah....
1.3 Tujuan Penelitian
TujuanUmum......
Khusus.
1.4. Batasan Masalah....
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Sistematika Penulisan..
1.3.1.
1.3.2. Tujuan
PUSTAKA
2.1. Sejarah Helmet sepeda
2.2. Desain Helmet sepeda
2.2.1. Standarisasi Helmet Sepeda......
2.3. Bahan komposit...
BAB 2 TINJAUAN
,.............1
.......1
................2
.....................3
.........3
.............3
..................3
....."............4
............4
...................5
............5
,............6
.....10
....................10
2.3.1. Polyesterresintakjenuh@QTN157-EX) ......11
..........""......12
2.3.2. Blowing Agent ..............
...........14
2.3.3. Katalis MEKPO
2.3.4. Serbuk tandan kosong kelapa sawit (TKKS) .............. .......14
2.4. Komposit Material yang digunakan.......... ..................16
............18
2.5. Uji Impak Jatuh Bebas
........19
2.5.1. Gerak Jatuh Bebas
..................20
2.5.2. Gerak Lurus
...................22
2.5.3. Momentum dan Impuls
...................23
2.5.4. Gaya Impak
......................23
2.5.5. Tegangan
2.6.
2.7
Mekanisme Retak Tegang
Simulasi
Numerik...
Komposit.
PENELrrrAN..........
3.1. Tempat dan Waktu
BAB 3 METODOLOGT
.......24
.................25
............27
............-.....27
Tempat.....
3.L2. Waktu.......
Peralatan dan Bahan
Desain Helmet Sepeda......
3.1.1.
3.2.
J.J-
3.4.
3.5.
....................27
....................27
................27
.......28
3.3.1. Model Helmet Sepeda dangan Tulang Lurus kedepan .......28
3.3.2. Model Helmet Sepeda dengan Tulang Lurus kesamping...29
Metode Penelitian..
..................30
3.4.1. Simulasi Impak Jatuh Bebas MenggunakanAnsys 14.5,..-.30
3.4.2. EngineeringData
..........32
3.4.3- Geometry
......................33
3.4.4. Model I Ansys Mechanical ................
...............34
Diagram Aliran Penelitian..
.....39
BAB 4IIASIL DAN PEMBAEASAN
..................... 40
4.1. Pendahuluan.............
................40
4.2. Hasil Pembuatan Helmet Sepeda
...............40
4.3. Metode Pengujian Penelitian..
....................41
4.4. Simulasi Impak Menggunak an An,tys I 4. 5 Workb ench ................. 41
4.5. Simulasi Pembebanan Pada Sisi Atas Helmer Sepeda.. .................42
4.5.1. Hasil Simulasi Helmer Model 1................
4.5.2. Hasil Simulasi Helmer Model 2................
4.6.
.......43
Simulasi Pembebanan Pada Sisi Samping Helmet Sepeda............45
4.6.1. Hasil Simulasi Helmer Model
.......46
1................
4.6.2. Hasil Simul*si Helmer Model 2...............
4.7.
.......42
........47
Simulasi Pembebanan Pada Sisi Belakang Helmet Sepeda ...........49
4.7.1. HasilSimulasiHelmerModel1................ .......50
4.7.2. HasilSimulasiHelmerModel2............... ........51
4.8. Kumpulan dan Perbandingan Data Hasil Simulasi Pengujian. ......53
4.9. Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Eksperimental........53
4.9.1. Pengujian Pada Sisi Atas Helmer Sepeda..
.....53
4.9.2. Pengujian Pada Sisi Samping Helmet Sepeda .................. 54
4.9.3. Pengujian Pada Sisi Belakang H elmet Sepeda ................. 55
4. 1 0. PerBandingan
Hasil Simulasi Dengan Uj i Eksperimental ............. 55
4. I 0. 1. Perbandingan Penguj ian Atas H elmet Sepeda................... 55
4.1A.2. Perbandingan Pengujian Samping He lmet Sepeda...... ...... 57
4. 1 0. 3. Perbandingan Penguj ian Belakang H elmet Sepeda...... ...,. 59
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
6t
5.1. Kesimpulan
61
5.2. Saran
61
DAF'TAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
Halaman
.....,.............."...5
Gambar2.1
..........8
Gambar 2.2 Bentuk dan struktur helmet sepeda di
........................8
Gambar 2.3 Komponen helmet
Gambar 2.4 Gabungan makroskopis thsa-fasa pembentuk komposit..............11
Gambar 2.5 Resin unsaturated polyester BQTN-157 EX...............................11
......12
Gambar 2.6 Blowing
..................14
Gambar2.1
..................15
Gambar 2.8 Serbuk
............17
Gambar 2.9 Perbandingan
..........17
Perbandingan modulus
Gambar 2.
..............17
Gambar 2.11 Perbandingan kekuatan tarik per
Gambar 2.12 Perbandingan kekuatan tekan per komposisi............................... I8
Gambar2.l3 Perbandingankekuatanlenturperkomposisi..............................18
..... 19
Gambar 2.14 Alrt uji impakiatuh
....................20
Garnbar 2.15 Grafrk hubungan
................21
Gambar 2.16 Diagram kecepatan .............22
Garnbar 2.17 Grafrkgayavs
Gambar 3.1 Pandangn helmet sepedatulang lurus kedepan......................."....28
Gambar 3.2 Pandangan helmet sepeda tulang lurus kesamping...... ... ............29
...................31
Gambar 3.3 Explicit
..................31
Gambar 3.4 Project
.............32
Gambar 3.5 Data material
.............32
Gambar 3.6
Helmetsepeda
sepeda
pasaran.
agent
Katalis
TKKS.......
densitas
t0
elastisitas
komposisi
bebas
v-t.............
waktu......
waktu
dynamics
schematic
baru.....
Datadensity...............
Gambar 3.7 Data isotropic elasticity
Gambar 3.8 Import geometry..
Gambar 3.9 Details of anvile
Garnbar 31A Deuils of he\met................
Gambar 3.1t Connectiong......
Gambar 3.12 Mesh
Gambar 3.13 Details ofve|ocity...............
Gambar 3.1.4 Analysis settings..
Gambar 3.15 Fixed support
Gambar 3.16 5o1ution............
Gambar 3.17 Diagtam alir penelitian..
Gambar 4.1 Model helmet sepeda.......
Gambar 4 .2 Posisi jatuh helmet sepeda bagian atas.
.. ..
..,....".33
^..................33
.....................34
......................35
......................35
.....................36
......................36
...................37
.......37
... .. ...............38
.........39
.......40
..
..
..
............42
4.3 Hasil distribusi tegangan mksimum sisi atas helmet...................42
Gambar 4.4 Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas.........43
Gambar
vlt
Gambar 4.5
Gambar 4"6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas.....43
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas ...43
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi atas helmet model 2....44
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas.........44
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas.....44
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas....44
Grafik perbanding tegangan hasil simulasi sisi atas
..................45
helmet
...............45
Posisi jatuhhelmel sepeda bagian
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi samping helmet ..........46
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.46
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............46
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi impak sisi
............47
Hasil distribusi tegangan sisi samping helmet model 2...............47
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.43
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............48
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi
................48
perbandingan
tegangan hasil simulasi sisi samping
Grafik
.. ......,.........49
jatuh
..............49
helmet sepeda bagian
Posisi
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakan g he|met.......... 50
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 50
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi
............50
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakang helmet
....................51
rnodel
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 51
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............52
Grafik perbandingn tegangan hasil simulasi sisi belakang
............52
Titik pembebanan impak sisi atas helmet sepeda......,.................. 56
Pola kerusakan spesimen uji impak area atas he|met...................56
Area pembebanan impak sisi samping helmet sepeda....... ...........57
Pola kerusakan spesimen uji impak area samping he|met............58
Area pembebanan impak sisi belakan g helmet sepeda................. 59
Pola kerusakan spesimen uji impak area belakang he|met...........60
sepeda.......
Gambar 4.T2
Gambar 4,13
Garnbar 4.14
Gambar 4.15
samping
samping....
Gambar 4.16
samping....
Gambar 4.17
Gambar 4.18
Gambar 4.19
samping....
Gambar 4.24
samping
Gambar 4.21
helmet
Gambar 4.22
Gambar 4.23
Gambar 4.24
Gambar 4.25
belakang
belakang...
Gambar 4.26
2..............,
Gawrbar 4.27
Gambar 4.28
belakang...
Gambar 4.29
helmet.......
Gambar 4.30
Gambar 4.31
Gambar 4.32
Gambar 4.33
Gambar 4.34
Gambar 4.35
vlil
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel
2.1.
TabelZ.Z.
Tabel2.3.
Tabel}.A.
Tabel3.1.
Tabel3.Z.
Tabel
4.1.
Tabel4.2.
Tabel4.3.
4.4.
4.5.
Tabel 4.6.
Tabel
Tabel
Tabel4.7.
Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh............ .....".".......-.12
..................15
Parameter tipikal TKKS per
.................16
Komposisi
..............20
Waktu dan kecepatan benda
...................27
Kegiatan
........28
Alat dan
jatuh
...............53
Hasil simulasi impak
......54
Hasil pengujian sisi atas ketinggian
Hasil pengujian sisi samping ketinggian 1.5 ..................................54
Hasil pengujian sisi belakang ketinggian 1.5..................................55
...............56
Perbandingan penguji atas
...............58
Perbandingan penguji
...............59
Perbandingan penguji
spesimen
penelitian
bahan
kg
jatuh
bebas.
1.5
...........
samping....
belakang...
lx
DAFTAR NOTASI
Satuan
Ao
Keterangan
Tegangan
Luas penampang
F
Gaya
Newton
h
Ketinggian
Densitas
g/.*'
Panjang
Mm
Kecepatan
mm/s
Waktu
Jarak
Gaya Gravitasi
Massa Benda
s
Simbol
(,
p
L
v
t
S
s
m
MPa
mm2
M
m
mls2
Kg
-l
ABSTRAK
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dipakai pengendara sepeda
untuk melindungi kepala ketika tedatuh dan meminimalkan cedera karena
benturan. Dewasa ini material untuk pembuatan helrnet sepeda relatif rnahal ini
menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga jual oleh sebab itu
dilakukan Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) Bahan baku yang melimpah dikarenakan kerap menjadi limbah
diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang
ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasi pembebanan
impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic foam yaugdiperkuat serbuk TKKS
dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian ini spesirnen yang akan
diuji dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk
mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan
solidworks 2A10 dan disimulasi menggunakan Software ansys 14.5 untuk
dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang
diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil
simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425
mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum 2,23Nffa dan2,27 MPa,
pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38
MPa dan pada sisi belakang model I dan 2 diperoleh tegangan maksimum 1,99
MPa dan 1,64 MPa sehingga dipilih helmet dengan model 1. Dengan
membandingkan tegangan model 1 dengan eksperimental uji impak jatuh bebas
sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa
atau 7 ,39 o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa
atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72 Nffa dengan eksperimental selisih 0,051
MPa atau 6,73 Yo.
Kata kunci : Helmet sepeda, Sofiware ANSYS 14.5, Impak jatuh bebas.
ABSTRACT
Bicycle helmet is a form of body protection that was used qtclists to protect the
head when/blling and minimizing injury caused by impact. Nowadays the material
.for bike helmet mandacturingrelatively expensive this makes production costs and
selling price higher, therefore new research conducted on natural powder from oil
palm empty fruit bunches (EFB). Raw abundant often become waste, it was
estimated to be quite economical and can be developed into alternative materials
that are environmentally friendly. The purpose of this study was to simulating
impact load on bicycle helmet from polymeric materials reinforced EFB powder
using Ansys 14.5 safruara In this study the specimens will be tested in two dffirent
types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the
stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using SolidWorla 2012
and simulated using INSFS 14.5 software to compare the stress distributian
betweenthe two type,s and then comparisingthe datawith the helmetwhich is tested
experimentally. In this study, it is found thot the results of the impact simulation on
the topface of the helmet at the height o/'1.5 m and velocity af 5425 mm/s, an type
I and 2 obtained the maximum stress 2.23 MPa cnd 2.27 MPc, on the sideface of
the type I and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and 2.i8 Mpa, and on the
rear face of the type I qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64 MPa, so
we found that type I helmet is better on recieving irnpact stress. Comparing tlte
stress that occurs on top face in the simulation results is 1.01 and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.08 MPa ar 7.39ok, the
stress that occurs on side .face in the simulation results is L I I and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.13 MPa or 12.99%,
and the stress that occurs on rear face in the sirnulation results is 0.72 and
experiruental results offree fall impact test on top face obtained by the dffirence
of 0.051 MPa or 6.73%.
Keyword: Bicycle helmet,l,^'/,SyS 14.5 Software, Free-Fall Impact.
BAB
I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dikenakan di kepala
yang dipakai pengendara sepeda untuk melindungi kepala ketika terjatuh dan
meminimalkan cedera seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan [1].
Biasanya di pasaran dibuat dari metal atau bahan keras lainya seperti kevlar, serat
resin, atau pelastik [2].
Dewasa
ini
material yang digunakan untuk pembuatan helmet sepeda
amatlah beragam salah satunya penggunaan material komposit busa polimer sangat
luas pengaplikasiannya, diantaranya yaitu pada material insulasi panas, lightweight
construction, peradam getaran dan suara, serta peredam impak.
Keunggulan komposit busa polimer untuk mengurangi berat menjadi nilai
tambah. Serat penguat polimer yang umum digunakan ialah serat karbon, kevlar
dan serat kaca. Namun harga jenis-jenis serat tersebut masih relatifmahal. Sehingga
berimbas kepada tinggrnya hargajual. Salah satu solusi yang sudah lama coba
dikembangkan oleh banyak ahli material ialah penggunaan serat alam karena
melimpahnya ketersediaan serat alam itu sendiri. Diantara serat alam tersebut ialah
serat dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
t3l
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu limbah terbesar
yang dihasilkan dari pengolahan kelapa sawit. TKKS dapat mencapai 230 kg dari
I
ton pengolahan tandan buah segar [4]. Jumlah ini sangat besar dan
menggunung di pabrik-pabrik kelapa sawit. Data ini menunjukkan bahwa begitu
setiap
banyaknya limbah tandan kosong kelapa sawit ini setiap harinya. Limbah ini dapat
kita manfaatkan sehingga dapat mengurangi jumlah limbah yangada, dengan cara
menggunakan tandan kosong kelapa sawit menjadi salah satu bahan tambahan
dalam suatu komposisi pembuatan suatu produk [5]. TKKS ini yang telah diteliti di
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sejak tahun 2009. Jadi kemudian
dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan sebuk TKKS, Serbuk TKKS
merupakan serbuk alam yang diolah dari tandan kosong kelapa sawit sisa dari
proses produksi crude palm oil.
Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material
altematif yang hemat energy dan ramah lingkungan. Pemanfaatan limbah TKKS ini
menjadi produk yang berdaya guna sudah dilakukan dewasa ini, diantaranya marka
kerucut lalu lintas, bumper parking, bola
Pengembangan material
ini sebagai material
golf,
pipa dan papan partikel.
penguat komposit dengan matriks
berasal dari material-material polimer baru masih jarang ditemukan [3].
Helmet sepeda sudah pernah dikembangkan sebelumnya dengan komposit
busa polimer, blowing agent yang digunakan yaitu poliuretan dengan matriks
penguat serat TKKS. Penulis akan Melakukan penelitian lebih lanjut
mensimulasikan dua model helmet sepeda dengan menggunakan software ansys
14.5 dengan menggantikan serat TKKS dengan serbuk TKKS, material yang
digunakan untuk membuat helmet sepeda
ini sangat baru yang diteliti, sehingga
harus ditemukan dulu proses dan cara pembuatannya serta mengetahui komposisi
yang tepat. Disisi lain apabila berhasil, helmet sepeda
ini
akan memiliki nilai
ekonomis yang tinggi.
1.2.
Rumusan Masalah
Polyurethane disingkat PU dikenal polimer yang terdiri dari sebuah rantai
unit organik yang memiliki kekuatan, kekerasan, kepadatan, dan yang beragam,
busa polimer polyurethane flekslbel berdensitas rendah sangat cocok digunakan
sebagai baglan komposisi pembuatan helmet sepeda karena beratnya yang ringan
dan membantu meredam benturan yang terjadi pada kepala dapat menimbulkan
cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur dikepala dan otak. Beberapa
standard dan aturan hukum telah mewajibkan semua pengendara kendaraan
menggunakan helmer sebagai alat pelindung diri (APD).
Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada
sisi atas, samping dan belakang. Untuk mengetahui besarnya tegangan tersebut
perlu dilakukan pengujian impak jatuh bebas dengan simulasi dan verifikasi
simulasi pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan eksperimentai uji impak
jatuh bebas.
Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan
simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan. Dalam
penelitian
ini
bertujuan membandingkan dua model Helmet sepeda dengan
digunakan Software SOLIDWORK 2012 dan,4,VSyS Workbench 14.5. Urta:k
membuat modelnya digunakan softv,are SOLIDWORK 2012 denganmembuat dua
pemodelan, lalu dilakukan simulasi pada dua model helmet dengan menggunakan
Software l,\I,SfS Workbench /4.5 untuk menganalisa tegangan dari struktur dan
komponen mekanik mana yang lebih baik pada dua model helmet.
1.3.
Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini untuk dapatmenganaiisa struktur
lt
elmet sepeda
bahan p o lym er i c fo am c omp o s i t e diperkuat Serbuk TKKS.
1.3.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus pada penelitian ini yaitu
1.
:
Mendapatkan distribusi tegangan dari dua model helmet sepeda dengan
simulasi ANSYS 14.5.
2.
Membandingkan distribusi tegangan kedua model helmet sepeda komposit
busa polimer diperkuat serbuk TKKS dengan simulasi ANSYS 11.5.
3. Membandingkan hasil tegangan yang diperoleh dari
menggunakan
lilSIS
simulasi
14.5 dengan hasil yang diperoleh pada uji
eksperimental jatuh bebas.
1.4. Batasan Masalah
Diperlukan batasan masalah yang meliputi antara lain
1.
:
Simulasi numerik menggunakan software ansys 14.5 untuk rnengetahui
membandingkan mana yang lebih baik 2 model distribusi tegangan pada
helmet sepeda.
2.
Helmet sepeda yang disimulasikan hanya
I jenis material
kornposit busa
polimer.
3.
Helmet sepeda disimulasikanjatuh dari ketinggian 1.5 meter.
4. Titik pembebanan impak yang disimulasikan
belakang.
pada sisi atas, samping dan
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah
:
a. Bagi peneliti dapat menambah pengetahuan,
wawasan dan pengalaman
tentang material komposit.
b.
Bagi akademik, penelitian ini daprt digunakan sebagai referensi tambahan
untuk penelitian tentang komposit serbuk TKKS.
1.6.
SistematikaPenulisan
Pada penelitian
BAB
1.
ini akan berisikan:
PENDAHULUAN
Bab ini membahas latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian,
batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas literatur dan referensi yang diperlukan berkenaan dengan
masalah yang
kekerasan,
dikaji dalam penelitian mengenai uji komposisi, uji
uji metalografi, uji tarik, dan software Ansys.
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi urutan dan cara yang dilakukan. Dimulai dari alat, bahan, dan
proses yang dilaksanakan.
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menampilkan data yang diperoleh dari penelitian dan hasil
pengujian berupa tabel maupun hasil pengamatan mikro dan makro.
BAB 5. KESIMPT'LAN DAN SARAN
Bab ini yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari semua hasil
analisa pengamatan serta perhitungan.
6. DAT'TAR PUSTAKA
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan dalam penelitian dan
penyusunan laporan ini.
7, LAMPIRAN
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Sejarah Helma Sepeda
Helmet sepeda pada umumnya ringan, bentuk dominan dari helm sampai
dengan tahnn 197A adalah model
kulit hairnet. Hal ini menawarkan perlindungan
diterima dari goresan dan luka, tetapi perlindungan dampak hanya minimal, dan
terutama digunakan oleh pengendara sepeda balap [6].
2.1. Gambar Helmet Sepeda [7]
Penggunaan yang lebih luas helmet mulai di Amerika Serikat
padal97}-an.
Setelah beberapa dekade ketika sepeda dianggap hanya sebagai mainan anak-anak
akhirnya orang dewasa Amerika banyak melakukan aktivitas bersepeda dan
kemudian booming sepeda pada tahun 1970-an [6].
Dua dari helmet sepeda modem
per&ama
dibuat oleh MSR, produsen
peralatan mountaineering dan Bell Olalvaga, produsen helmet untuk balap mobil
dan sepeda motor. Hal ini bisa dibilang sebagai tonggak Sejarah Desain helmet
Sepeda Modern. helmet
ini
adalah spin-aff'dari pengembangan liners busa
polystyrene diperluas untuk helm sepeda motor dan motorsport, dan merniliki
cangkang yang keras dari plastik polikarbonat. Secara komersial pertama yang
sukses merancang helmet sepeda untuk tujuan komersial adalah Biker Bell, shell
plastik berlapis keras dirilis pada tahun 1975
161.
Sekitar tahun 1990 sebuah teknik konstruksi baru ditemukan dicetakan
microshelL sebuah shell sangat tipis didirikan selama proses pencetakan. Hal ini
dengan cepat menjadi teknologi dominan, memungkinkan untuk ventilasi yang
lebih besar dan bentuk kompleks lebih dari cangkang keras. Penggunaan hard shells
menurun dengan cepat
di
arfiara populasi sepeda umum selama tahun 1990-an,
hampir menghilang pada akhir dekade ini, namun tetap populer dengan pengendara
BMX
serta
inline skater dan pemain skateboard. Akhir 1990-an dan awal 2000-an
melihat kemajuan dalam retensi dan sistem pas, menggantikan sistem lama dari
berbagai ketebalan bantalan dengan menyesuaikan dengan anatomi kepala
pengendara. Hal ini juga mengakibatkan bagian belakang kepala menjadi kurang
ditutupi oleh helmel, dengan dasar pertimbangan bahwa dampak ke daerah ini
sangat jarang
2.2.
ditemui [6].
Desain llelmet Sepeda
Helmet sepeda dirancang untuk melindungi dan mengurangi dampak pada
tulang kepala (tengkorak) seorang pengendara sepeda ketika jatuh
dan
meminimalkan efek samping seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan
tersebut, helmet yang digunakan oleh pengguna sepeda, didesain berbeda dari helm
sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam.
Walaupun
di Indonesia belum diwajibkan untuk menggunakan helmet
sepeda tetapi sudah banyak digunakan oleh masyarakat dalam kegiatan bersepeda
santai di hari libur, tetapi pada olah raga balapan sepeda atau kejuaraan sepeda
gunuog helmet sudah diwajibkan.
Desain adalah proses perubahan informasi terhadap syarat-syarat kebutuhan
sebuah produk menjadi pengetahuan produk dan proses. Kegiatan ini bertujuan
untuk menciptakan dan mengevaluasi produk sesuai dengan tujuan yang ingin
dicapai.
Desain teknik dapat didefinisikan sebagai proses menerapkan berbagai
teknik dan prinsip-prinsip ilmiah untuk tujuan mendefinisikan proses tersebut
dengan cukup terperinci untuk kemungkinan proses realisasi lebih
lanjut.
Suatu
desain produk yang baik dapat menghasilkan pengembangan produk yang baik
pula. Desain didasarkan pada kelebihan produk, praklis dalam pembuatan, ongkos
fabrikasi yang relatif murah, pemasaran dan faktor kombinasi yaitu apakah desain
produk tersebut memenuhi persyaratan yang dibutuhkan pelanggan.
Prinsip dasar proses desain adalah untuk memperkecil pernakaian bahan,
untuk mendaur ulang, karena ketidaksesuaian dengan kebutuhan, untuk
menghindari kerja ulang (rework) terhadap produksi, efisiensi dan kesesuaian
terhadap standar.
Langkah- langkah proses desain sebagai berikut [1]:
1.
Identifikasi kebutuhan ialah sebagai gambaran dan pernyataan
masalahyang samar-samar yang dikembangkan dan sebuah informasi.
2.
Sepenuhnya mendefinisikan dan memahami masalah, setelah itu adalah
mungkin untuk memulai tujuan.
3.
Defenisikan kebutuhan yang lebih masuk akal dan realistis dari pada
pemyataan masalah asli.
4.
Ciptakan sebuah spesifikasi tugas yang terinci dan membuat batasan
masalah.
5.
Buat sebanyak mungkin alternatif pendekatan desain, biasanya pada
tahap ini menentukan nilai atau kualitas. Pada langkah ini merupakan
penemuan ide terbesar.
6.
Penyelesaian langkah sebelumnya, yakni menganalisa
dengan
menentukan diterima, ditolak atau dimodifikasi produk desain. Solusi
yang paling menjanjikan dipilih.
7. Penentuan desain yang dapat diterima dan dipilih.
8. Ini merupakan langkah yang detail dimana dilakukan pembuatan
gambar teknik lengkap, identifikasi pemasok (vendor), serta membuat
spesifikasi manufaktur dan lainJain.
9.
Merealisasikan desain dengan membuat pratotype.
10. Dan akhimya menentukan kuantitas produksi.
Daiam mendesain helmet sepeda juga deperlukan mempertimbangkan
menentukan konstruksi material yang digunakan sehingga helmet yang di desain
tidak berat.
Aktifitas bersepeda adalah aktivitas olahraga yang secara signifikan
meningkatkan suhu tubuh dan kepala. Oleh sebab itulah helmet sepeda haruslah
mempunyai 2 sifat,
yaitu ringan dan mempunyai ventilasi. Selain itu pengguna
helrnet sepeda memilih helmet yang nyaman dan trend. Bentuk dan struklur lrclmet
sepeda
di pasaran, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2.
(d)
(c)
Ganrbar 2.2. Bentuk dan struktur hehnet sepeda di pasaran
(a) jenis
lull face (b), (c)
dan (d) jenis ha$'JitcelT)
Perbedaaan antaru kedua jenis full face dan half/hce ini diperlihatkan
pada Tabel 2. l.
Tabel2.l . Perbedaan antara helmet full .face dengan hal./'face
Aspek
Fullface
Halffuce
Keamanan
Lebih aman
Aman
Ventilasi
Sedikit
Banyak
Visibilitas
Memandang satu arah
L87.
Pertimbanean
ke
dapat melihat bagian
depan
samplng
Massa
Ringan
Lebih ringan
Kenyamanan
Nyaman
Lebih nyaman
Adapun konstruksi helmet secara garis besar terdiri atas[3]
1.
:
Lapisan luar yang keras (hard outer shelfi
Didesain untuk dapat pecah jika mengalami benturan untuk mengurangi
dampak tekanan sebelum sampai ke kepala. Lapisan ini biasanya terbuat
dari bahan plastic, fiberglass, polycarbonate dan lain-lain.
2. Lapisan dalam yang tebal {inside
Di
sltell or ltner)
sebelah dalam dari lapisan luar adalah lapisan yang sama pentingnya
untuk dampak pelapis penyangga. Biasanya dibuat dari
bahan
polystyrene (styrofoarl). Lapisan tebal ini memberikan bantalan yang
berfungsi menahan goncangan sewaktu helmet terbentur benda keras
sementara kepala masih bergerak.
a
1
Lapisan dalam yang lunak (comfort padding)
Merupakan bagian dalam yang terdiri dari bahan lunak dan kain untuk
menempatkan kepala secara pas dan tepatpada rongga helmet.
Tali Pengikat
Bagian penting lainnya dalam hehn ada tali pengikat helmet. Helmet
tidak akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi atau tidak
mengikatkan tali pengikatnya. Komponen Helmet Sepeda dapat dilihat
pada Gambar2.3.
outer shell
lnside shell
Gambar 2.3. Komponen Helmer Sepeda[7]
2.2.1
Standarisasi Helmet Sepeda
Helmet yang digunakan oleh masyarakat di negara maju pada umumnya
sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh
pemerintahnya. Diantara standar-standar helmel sepeda yang dikenal luas dan
banyak menjadi referensi antara lain Australia Standard (EN 397. AS/I{ZS
1801.SS98), European&N helmet standard (EN 1078.1990) dan lain-lain.
Untuk masing-masing standar memiiiki klasifikasi yang berbeda
berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. ANSI mengelompokkan
dalam dua tipe:
l. Helmet yang digunakan
untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebas dari ketinggian tertentu umumnya digunakan oleh pekeqa
konstruksi, sedangkan.
2. Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebasjuga dari benda yang datangdari arah lateral baik dari arah depan,
samping dan belakang umumnya digunakan oleh petugas pemadam
kebakaran.
2,3.
Bahan Komposit
Bahan komposit adalah material rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih
material menjadi suatu jenis material baru yang sifat dan karakteristiknya masih
didominasi oleh sifat bahan pembentukya dimana material yang digabung memiliki
sifat masing-masing yang berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun
sifat fisikanya. Bahan komposit terdiri dari dua bagian utama di antaranya: matrik
dan penguat (reinforcement). Fasa matrik adalah bahan fasa kontiniu yang selalu
kaku, dan rapuh, sedangkan fasa penguat tidak kaku dan kuat, akan tetapi fasa
penguat
ini lemah. Penggabungan kedua fasa tersebut menghasilkan bahan yang
dapat mendistribusikan beban yang diterima
di sepanjang penguat, sehingga bahan
menjadi lebih tahan terhadap pengamh beban tersebut. Penguat umumnya
berbentuk serat, rajutan, serpihan, dan partikel, yang dibenamkan kedalam fasa
matrik, penguat merupakan fasa diskontinu yang selalu lebih kuat dan tidak kaku
dari pada matrik dan merupakan kemampuan utama bahan komposit dalam
menahan beban [9].
1_0
Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranyaberat yang lebih
ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, tahan korosi dan ketahanan aus.
Gambar 2.4. Gabunsan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit
Keunggulan komposit dapat dilihat
dari sifat-sifat
bahan
pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
a. Bahan ringan, kuatdankaku.
b. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
c. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang tinggi,
keras, ringan serta tahan terhadap irnpak.
Bahan komposit polymeric foam terdin dari polyester resin tak jenuh dan
hlowing agent. Blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah; polyol
dan isocyanate. Sementara untuk msmpercepat proses polimerisasi digunakan
katalis jenis Merhyl Ethil Keton Perokside (MEKPO).
2.3.1. Polyester resin tak jenuh (BQTN 157-EX)
Polyester resin BQTN 157-EX merupakan polimer kondensat yang
terbentuk berdasarkan reaksi artara polyol yang merupakan organik gabungan
dengan alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic, yang
mengandung ikatan ganda. Tipikal jents polyol yang digunakan adalah glycol,
seperti ethylene glycol. Sementara asarn polycarboxylic yang digunakan adalah
asamphthalic danasammaleic.Adapun jenis polyester resin yang digunakan dalam
penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.5
Gambar 2.5. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157 EX
1,1
Polyester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermosef yang memiliki
struktur rantai karbon yang panjang. Matrik yang berjenis ini memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan
ketika proses pembentukan [10].
Polyester tergolong jenis polimer thermoset ,vang memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan
ketika proses pembentukannya [10]. Struktur bahan yang dihasilkan berbentuk
crosslink dengan keunggulan daya tahan yang lebih baik terhadap jenis
pembebanan statik dan impak. Hal tersebut disebabkan oleh molekul yang
dimiliki
bahan dalam bentuk rantai molekul raksasa, atom-atom karbon yang saling
mengikat satu dengan lainnya mengakibatkan struktur molekulnya menghasilkan
efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan data karakteristik
mekanik bahan polye,ster resin tak jenuh seperti terlihat sebagai berikut [10].
Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh [10].
Sifat Mekanik
.-1
kg.m -
Berat Jenis (p)
I;
sld 1,5
Modulus Young { E}
GPa
2 #d 4,5
Kekuatan Tarik (o1)
(MPa)
40 sde0
Sumber : Georgios Koronis, etal.,2012
2.3.2. Blowing
agent
Blowing agent adalah bahan yang digunakan untuk menghasilkan struktur
berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan dalam
penelitian
ini
adalah palyurethane. Bentuk
polyol dan isocyanate yang
dipergunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Blowing agent
12
Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan
urethane yaitu -NH-CO-O-. Polyurethane dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat
yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hydrogen al
STUI}I SIMULASI PEMBBBANA]\ TMPAK PADA HBLMET SBPBDA
DARI BAHAN POLYMERIC FOAM YAI{G DIPBRI(UAT SERBUK
TKKS I}ENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.5
SKRIPSI
Skripsi Yang Diujukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelsr Surjann Teknik
AFRINEDI
NrM.100401005
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
F'AKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
-l
ABSTRAK
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dipakai pengendara sepeda
untuk melindungi kepala ketika tedatuh dan meminimalkan cedera karena
benturan. Dewasa ini material untuk pembuatan helrnet sepeda relatif rnahal ini
menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga jual oleh sebab itu
dilakukan Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) Bahan baku yang melimpah dikarenakan kerap menjadi limbah
diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang
ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasi pembebanan
impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic foam yaugdiperkuat serbuk TKKS
dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian ini spesirnen yang akan
diuji dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk
mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan
solidworks 2A10 dan disimulasi menggunakan Software ansys 14.5 untuk
dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang
diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil
simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425
mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum 2,23Nffa dan2,27 MPa,
pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38
MPa dan pada sisi belakang model I dan 2 diperoleh tegangan maksimum 1,99
MPa dan 1,64 MPa sehingga dipilih helmet dengan model 1. Dengan
membandingkan tegangan model 1 dengan eksperimental uji impak jatuh bebas
sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa
atau 7 ,39 o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa
atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72 Nffa dengan eksperimental selisih 0,051
MPa atau 6,73 Yo.
Kata kunci : Helmet sepeda, Sofiware ANSYS 14.5, Impak jatuh bebas.
ABSTRACT
Bicycle helmet is a form of body protection that was used qtclists to protect the
head when/blling and minimizing injury caused by impact. Nowadays the material
.for bike helmet mandacturingrelatively expensive this makes production costs and
selling price higher, therefore new research conducted on natural powder from oil
palm empty fruit bunches (EFB). Raw abundant often become waste, it was
estimated to be quite economical and can be developed into alternative materials
that are environmentally friendly. The purpose of this study was to simulating
impact load on bicycle helmet from polymeric materials reinforced EFB powder
using Ansys 14.5 safruara In this study the specimens will be tested in two dffirent
types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the
stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using SolidWorla 2012
and simulated using INSFS 14.5 software to compare the stress distributian
betweenthe two type,s and then comparisingthe datawith the helmetwhich is tested
experimentally. In this study, it is found thot the results of the impact simulation on
the topface of the helmet at the height o/'1.5 m and velocity af 5425 mm/s, an type
I and 2 obtained the maximum stress 2.23 MPa cnd 2.27 MPc, on the sideface of
the type I and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and 2.i8 Mpa, and on the
rear face of the type I qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64 MPa, so
we found that type I helmet is better on recieving irnpact stress. Comparing tlte
stress that occurs on top face in the simulation results is 1.01 and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.08 MPa ar 7.39ok, the
stress that occurs on side .face in the simulation results is L I I and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.13 MPa or 12.99%,
and the stress that occurs on rear face in the sirnulation results is 0.72 and
experiruental results offree fall impact test on top face obtained by the dffirence
of 0.051 MPa or 6.73%.
Keyword: Bicycle helmet,l,^'/,SyS 14.5 Software, Free-Fall Impact.
KATA PENGANTAR
P{i
dan syukur penulis panjatkan kepada Ailah S.W.T yang memberikan
limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas
akhir ini dengan sebaik mungkin.
Skripsi ini be{udul "STUDI SIMULASI PENIBEBANAN IMPAK PADA
HELMET SEPEDA DARI BAIIAN POL}.UIERIC FOAM YANG
DIPERKUAT SERBUK TKKS DENGAN MENGGUNAKAN SOTTWARE
ANSYS 14.5". Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelasaikan pendidikan
Strata-l (S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang penulis lakukan
dapatterlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada
kesempatan
ini penulis ingin menyampaikan
rasa terima kasih yang mendalam dan
setulusnya kepada:
L Kedua orang tua penulis yang telah memberikan
rasa cinta dan kasih sayang
serta doanyayang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi
dapat berjalan dengan baik.
2.
Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME. selaku dosen pembimbing
penulis yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan
bimbingan ilmu kepada penulis.
J
Bapak Dr -Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
Bapak Ir. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
5.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang
telah membirnbing, membantu, dan mengajari penulis selama kuliah di
Departemen Teknik Mesin.
6.
Kawan-kawan stambuk 2009 dan 2010 terutama Suhandika Putra, Feby
Danimasthari, Ahmad Riyaldi, Muhammad llham, Fakhrur Rozy,
Muhammad ZaW, Siddiqi, Brema Tarigan, Amma dan teman-teman
ill
mahasiswa Mesin USU, kemudian juga abangda Ade Irwan dan abangda
Faclviza yang telah banyak memberikan support dan sharing dalam
penyelesaian skripsi ini.
7
.
Seluruh pihak yatgbanyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi penulis dan
bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan
saran yang mambangun dari pembaca.
Medan, 8 Juli
2015
AFRINEDI
i0040100s
tv
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK
KATA PENGANTAR.........
................i
......iii
DAFTAR rsr...................
BAB
I PENDAIIULUAN
1.1. LatarBelakang
1.2. Rumusan Masalah....
1.3 Tujuan Penelitian
TujuanUmum......
Khusus.
1.4. Batasan Masalah....
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Sistematika Penulisan..
1.3.1.
1.3.2. Tujuan
PUSTAKA
2.1. Sejarah Helmet sepeda
2.2. Desain Helmet sepeda
2.2.1. Standarisasi Helmet Sepeda......
2.3. Bahan komposit...
BAB 2 TINJAUAN
,.............1
.......1
................2
.....................3
.........3
.............3
..................3
....."............4
............4
...................5
............5
,............6
.....10
....................10
2.3.1. Polyesterresintakjenuh@QTN157-EX) ......11
..........""......12
2.3.2. Blowing Agent ..............
...........14
2.3.3. Katalis MEKPO
2.3.4. Serbuk tandan kosong kelapa sawit (TKKS) .............. .......14
2.4. Komposit Material yang digunakan.......... ..................16
............18
2.5. Uji Impak Jatuh Bebas
........19
2.5.1. Gerak Jatuh Bebas
..................20
2.5.2. Gerak Lurus
...................22
2.5.3. Momentum dan Impuls
...................23
2.5.4. Gaya Impak
......................23
2.5.5. Tegangan
2.6.
2.7
Mekanisme Retak Tegang
Simulasi
Numerik...
Komposit.
PENELrrrAN..........
3.1. Tempat dan Waktu
BAB 3 METODOLOGT
.......24
.................25
............27
............-.....27
Tempat.....
3.L2. Waktu.......
Peralatan dan Bahan
Desain Helmet Sepeda......
3.1.1.
3.2.
J.J-
3.4.
3.5.
....................27
....................27
................27
.......28
3.3.1. Model Helmet Sepeda dangan Tulang Lurus kedepan .......28
3.3.2. Model Helmet Sepeda dengan Tulang Lurus kesamping...29
Metode Penelitian..
..................30
3.4.1. Simulasi Impak Jatuh Bebas MenggunakanAnsys 14.5,..-.30
3.4.2. EngineeringData
..........32
3.4.3- Geometry
......................33
3.4.4. Model I Ansys Mechanical ................
...............34
Diagram Aliran Penelitian..
.....39
BAB 4IIASIL DAN PEMBAEASAN
..................... 40
4.1. Pendahuluan.............
................40
4.2. Hasil Pembuatan Helmet Sepeda
...............40
4.3. Metode Pengujian Penelitian..
....................41
4.4. Simulasi Impak Menggunak an An,tys I 4. 5 Workb ench ................. 41
4.5. Simulasi Pembebanan Pada Sisi Atas Helmer Sepeda.. .................42
4.5.1. Hasil Simulasi Helmer Model 1................
4.5.2. Hasil Simulasi Helmer Model 2................
4.6.
.......43
Simulasi Pembebanan Pada Sisi Samping Helmet Sepeda............45
4.6.1. Hasil Simulasi Helmer Model
.......46
1................
4.6.2. Hasil Simul*si Helmer Model 2...............
4.7.
.......42
........47
Simulasi Pembebanan Pada Sisi Belakang Helmet Sepeda ...........49
4.7.1. HasilSimulasiHelmerModel1................ .......50
4.7.2. HasilSimulasiHelmerModel2............... ........51
4.8. Kumpulan dan Perbandingan Data Hasil Simulasi Pengujian. ......53
4.9. Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Eksperimental........53
4.9.1. Pengujian Pada Sisi Atas Helmer Sepeda..
.....53
4.9.2. Pengujian Pada Sisi Samping Helmet Sepeda .................. 54
4.9.3. Pengujian Pada Sisi Belakang H elmet Sepeda ................. 55
4. 1 0. PerBandingan
Hasil Simulasi Dengan Uj i Eksperimental ............. 55
4. I 0. 1. Perbandingan Penguj ian Atas H elmet Sepeda................... 55
4.1A.2. Perbandingan Pengujian Samping He lmet Sepeda...... ...... 57
4. 1 0. 3. Perbandingan Penguj ian Belakang H elmet Sepeda...... ...,. 59
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
6t
5.1. Kesimpulan
61
5.2. Saran
61
DAF'TAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
Halaman
.....,.............."...5
Gambar2.1
..........8
Gambar 2.2 Bentuk dan struktur helmet sepeda di
........................8
Gambar 2.3 Komponen helmet
Gambar 2.4 Gabungan makroskopis thsa-fasa pembentuk komposit..............11
Gambar 2.5 Resin unsaturated polyester BQTN-157 EX...............................11
......12
Gambar 2.6 Blowing
..................14
Gambar2.1
..................15
Gambar 2.8 Serbuk
............17
Gambar 2.9 Perbandingan
..........17
Perbandingan modulus
Gambar 2.
..............17
Gambar 2.11 Perbandingan kekuatan tarik per
Gambar 2.12 Perbandingan kekuatan tekan per komposisi............................... I8
Gambar2.l3 Perbandingankekuatanlenturperkomposisi..............................18
..... 19
Gambar 2.14 Alrt uji impakiatuh
....................20
Garnbar 2.15 Grafrk hubungan
................21
Gambar 2.16 Diagram kecepatan .............22
Garnbar 2.17 Grafrkgayavs
Gambar 3.1 Pandangn helmet sepedatulang lurus kedepan......................."....28
Gambar 3.2 Pandangan helmet sepeda tulang lurus kesamping...... ... ............29
...................31
Gambar 3.3 Explicit
..................31
Gambar 3.4 Project
.............32
Gambar 3.5 Data material
.............32
Gambar 3.6
Helmetsepeda
sepeda
pasaran.
agent
Katalis
TKKS.......
densitas
t0
elastisitas
komposisi
bebas
v-t.............
waktu......
waktu
dynamics
schematic
baru.....
Datadensity...............
Gambar 3.7 Data isotropic elasticity
Gambar 3.8 Import geometry..
Gambar 3.9 Details of anvile
Garnbar 31A Deuils of he\met................
Gambar 3.1t Connectiong......
Gambar 3.12 Mesh
Gambar 3.13 Details ofve|ocity...............
Gambar 3.1.4 Analysis settings..
Gambar 3.15 Fixed support
Gambar 3.16 5o1ution............
Gambar 3.17 Diagtam alir penelitian..
Gambar 4.1 Model helmet sepeda.......
Gambar 4 .2 Posisi jatuh helmet sepeda bagian atas.
.. ..
..,....".33
^..................33
.....................34
......................35
......................35
.....................36
......................36
...................37
.......37
... .. ...............38
.........39
.......40
..
..
..
............42
4.3 Hasil distribusi tegangan mksimum sisi atas helmet...................42
Gambar 4.4 Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas.........43
Gambar
vlt
Gambar 4.5
Gambar 4"6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas.....43
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas ...43
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi atas helmet model 2....44
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi atas.........44
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi atas.....44
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi atas....44
Grafik perbanding tegangan hasil simulasi sisi atas
..................45
helmet
...............45
Posisi jatuhhelmel sepeda bagian
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi samping helmet ..........46
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.46
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............46
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi impak sisi
............47
Hasil distribusi tegangan sisi samping helmet model 2...............47
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi samping.43
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............48
Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi sisi
................48
perbandingan
tegangan hasil simulasi sisi samping
Grafik
.. ......,.........49
jatuh
..............49
helmet sepeda bagian
Posisi
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakan g he|met.......... 50
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 50
Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi sisi
............50
Hasil distribusi tegangan maksimum sisi belakang helmet
....................51
rnodel
Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi sisi belakang 51
Distribusi tegangan pada sisi samping kiri hasil simulasi sisi
............52
Grafik perbandingn tegangan hasil simulasi sisi belakang
............52
Titik pembebanan impak sisi atas helmet sepeda......,.................. 56
Pola kerusakan spesimen uji impak area atas he|met...................56
Area pembebanan impak sisi samping helmet sepeda....... ...........57
Pola kerusakan spesimen uji impak area samping he|met............58
Area pembebanan impak sisi belakan g helmet sepeda................. 59
Pola kerusakan spesimen uji impak area belakang he|met...........60
sepeda.......
Gambar 4.T2
Gambar 4,13
Garnbar 4.14
Gambar 4.15
samping
samping....
Gambar 4.16
samping....
Gambar 4.17
Gambar 4.18
Gambar 4.19
samping....
Gambar 4.24
samping
Gambar 4.21
helmet
Gambar 4.22
Gambar 4.23
Gambar 4.24
Gambar 4.25
belakang
belakang...
Gambar 4.26
2..............,
Gawrbar 4.27
Gambar 4.28
belakang...
Gambar 4.29
helmet.......
Gambar 4.30
Gambar 4.31
Gambar 4.32
Gambar 4.33
Gambar 4.34
Gambar 4.35
vlil
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel
2.1.
TabelZ.Z.
Tabel2.3.
Tabel}.A.
Tabel3.1.
Tabel3.Z.
Tabel
4.1.
Tabel4.2.
Tabel4.3.
4.4.
4.5.
Tabel 4.6.
Tabel
Tabel
Tabel4.7.
Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh............ .....".".......-.12
..................15
Parameter tipikal TKKS per
.................16
Komposisi
..............20
Waktu dan kecepatan benda
...................27
Kegiatan
........28
Alat dan
jatuh
...............53
Hasil simulasi impak
......54
Hasil pengujian sisi atas ketinggian
Hasil pengujian sisi samping ketinggian 1.5 ..................................54
Hasil pengujian sisi belakang ketinggian 1.5..................................55
...............56
Perbandingan penguji atas
...............58
Perbandingan penguji
...............59
Perbandingan penguji
spesimen
penelitian
bahan
kg
jatuh
bebas.
1.5
...........
samping....
belakang...
lx
DAFTAR NOTASI
Satuan
Ao
Keterangan
Tegangan
Luas penampang
F
Gaya
Newton
h
Ketinggian
Densitas
g/.*'
Panjang
Mm
Kecepatan
mm/s
Waktu
Jarak
Gaya Gravitasi
Massa Benda
s
Simbol
(,
p
L
v
t
S
s
m
MPa
mm2
M
m
mls2
Kg
-l
ABSTRAK
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dipakai pengendara sepeda
untuk melindungi kepala ketika tedatuh dan meminimalkan cedera karena
benturan. Dewasa ini material untuk pembuatan helrnet sepeda relatif rnahal ini
menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga jual oleh sebab itu
dilakukan Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) Bahan baku yang melimpah dikarenakan kerap menjadi limbah
diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material altematif yang
ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasi pembebanan
impak pada helmel sepeda dari bahan polymer ic foam yaugdiperkuat serbuk TKKS
dengan menggunakan software Ansys 14.5. pada penelitian ini spesirnen yang akan
diuji dua model dan disimulasi irnpak pada sisi atas, samping dan belakang untuk
mengetahui distribusi tegangan pada helm. Helmet dimodel dengan rnenggunakan
solidworks 2A10 dan disimulasi menggunakan Software ansys 14.5 untuk
dibandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helmet yang
diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil
simulasi impak pada sisi atas helmet pada ketinggian 1,5 m dengan kecepatan 5425
mm./s, pada model 1 dan 2 diperoleh tegangan maksimum 2,23Nffa dan2,27 MPa,
pada sisi sarnping model 1 danT diperoleh tegangan maksimum 8,26 MPa dan2,38
MPa dan pada sisi belakang model I dan 2 diperoleh tegangan maksimum 1,99
MPa dan 1,64 MPa sehingga dipilih helmet dengan model 1. Dengan
membandingkan tegangan model 1 dengan eksperimental uji impak jatuh bebas
sisi atas tegangan pada simulasi 1,04 MPa dengan eksperimental selisih 0,08 MPa
atau 7 ,39 o/o, pada sisi samping 1,1 1 MPa dengan eksperirnental selisih 0,1 3 MPa
atau 12,99 o/o dan pada sisi belakang 0,72 Nffa dengan eksperimental selisih 0,051
MPa atau 6,73 Yo.
Kata kunci : Helmet sepeda, Sofiware ANSYS 14.5, Impak jatuh bebas.
ABSTRACT
Bicycle helmet is a form of body protection that was used qtclists to protect the
head when/blling and minimizing injury caused by impact. Nowadays the material
.for bike helmet mandacturingrelatively expensive this makes production costs and
selling price higher, therefore new research conducted on natural powder from oil
palm empty fruit bunches (EFB). Raw abundant often become waste, it was
estimated to be quite economical and can be developed into alternative materials
that are environmentally friendly. The purpose of this study was to simulating
impact load on bicycle helmet from polymeric materials reinforced EFB powder
using Ansys 14.5 safruara In this study the specimens will be tested in two dffirent
types and simulated by giving the impact load on the top, side, and rear to know the
stress di,stribution on the helmet. Helmet was modeled by using SolidWorla 2012
and simulated using INSFS 14.5 software to compare the stress distributian
betweenthe two type,s and then comparisingthe datawith the helmetwhich is tested
experimentally. In this study, it is found thot the results of the impact simulation on
the topface of the helmet at the height o/'1.5 m and velocity af 5425 mm/s, an type
I and 2 obtained the maximum stress 2.23 MPa cnd 2.27 MPc, on the sideface of
the type I and 2 obtained the maximumSrre^ss 8.26 MPa and 2.i8 Mpa, and on the
rear face of the type I qnd 2 obtained maximum stress 1.99 MPa and 1.64 MPa, so
we found that type I helmet is better on recieving irnpact stress. Comparing tlte
stress that occurs on top face in the simulation results is 1.01 and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.08 MPa ar 7.39ok, the
stress that occurs on side .face in the simulation results is L I I and experimental
results offreefall impact test obtained by the dffirence of 0.13 MPa or 12.99%,
and the stress that occurs on rear face in the sirnulation results is 0.72 and
experiruental results offree fall impact test on top face obtained by the dffirence
of 0.051 MPa or 6.73%.
Keyword: Bicycle helmet,l,^'/,SyS 14.5 Software, Free-Fall Impact.
BAB
I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Helmet sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dikenakan di kepala
yang dipakai pengendara sepeda untuk melindungi kepala ketika terjatuh dan
meminimalkan cedera seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan [1].
Biasanya di pasaran dibuat dari metal atau bahan keras lainya seperti kevlar, serat
resin, atau pelastik [2].
Dewasa
ini
material yang digunakan untuk pembuatan helmet sepeda
amatlah beragam salah satunya penggunaan material komposit busa polimer sangat
luas pengaplikasiannya, diantaranya yaitu pada material insulasi panas, lightweight
construction, peradam getaran dan suara, serta peredam impak.
Keunggulan komposit busa polimer untuk mengurangi berat menjadi nilai
tambah. Serat penguat polimer yang umum digunakan ialah serat karbon, kevlar
dan serat kaca. Namun harga jenis-jenis serat tersebut masih relatifmahal. Sehingga
berimbas kepada tinggrnya hargajual. Salah satu solusi yang sudah lama coba
dikembangkan oleh banyak ahli material ialah penggunaan serat alam karena
melimpahnya ketersediaan serat alam itu sendiri. Diantara serat alam tersebut ialah
serat dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS)
t3l
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan salah satu limbah terbesar
yang dihasilkan dari pengolahan kelapa sawit. TKKS dapat mencapai 230 kg dari
I
ton pengolahan tandan buah segar [4]. Jumlah ini sangat besar dan
menggunung di pabrik-pabrik kelapa sawit. Data ini menunjukkan bahwa begitu
setiap
banyaknya limbah tandan kosong kelapa sawit ini setiap harinya. Limbah ini dapat
kita manfaatkan sehingga dapat mengurangi jumlah limbah yangada, dengan cara
menggunakan tandan kosong kelapa sawit menjadi salah satu bahan tambahan
dalam suatu komposisi pembuatan suatu produk [5]. TKKS ini yang telah diteliti di
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sejak tahun 2009. Jadi kemudian
dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan sebuk TKKS, Serbuk TKKS
merupakan serbuk alam yang diolah dari tandan kosong kelapa sawit sisa dari
proses produksi crude palm oil.
Penelitian baru tentang serbuk alam dari tandan kosong kelapa sawit
(TKKS) diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material
altematif yang hemat energy dan ramah lingkungan. Pemanfaatan limbah TKKS ini
menjadi produk yang berdaya guna sudah dilakukan dewasa ini, diantaranya marka
kerucut lalu lintas, bumper parking, bola
Pengembangan material
ini sebagai material
golf,
pipa dan papan partikel.
penguat komposit dengan matriks
berasal dari material-material polimer baru masih jarang ditemukan [3].
Helmet sepeda sudah pernah dikembangkan sebelumnya dengan komposit
busa polimer, blowing agent yang digunakan yaitu poliuretan dengan matriks
penguat serat TKKS. Penulis akan Melakukan penelitian lebih lanjut
mensimulasikan dua model helmet sepeda dengan menggunakan software ansys
14.5 dengan menggantikan serat TKKS dengan serbuk TKKS, material yang
digunakan untuk membuat helmet sepeda
ini sangat baru yang diteliti, sehingga
harus ditemukan dulu proses dan cara pembuatannya serta mengetahui komposisi
yang tepat. Disisi lain apabila berhasil, helmet sepeda
ini
akan memiliki nilai
ekonomis yang tinggi.
1.2.
Rumusan Masalah
Polyurethane disingkat PU dikenal polimer yang terdiri dari sebuah rantai
unit organik yang memiliki kekuatan, kekerasan, kepadatan, dan yang beragam,
busa polimer polyurethane flekslbel berdensitas rendah sangat cocok digunakan
sebagai baglan komposisi pembuatan helmet sepeda karena beratnya yang ringan
dan membantu meredam benturan yang terjadi pada kepala dapat menimbulkan
cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur dikepala dan otak. Beberapa
standard dan aturan hukum telah mewajibkan semua pengendara kendaraan
menggunakan helmer sebagai alat pelindung diri (APD).
Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada
sisi atas, samping dan belakang. Untuk mengetahui besarnya tegangan tersebut
perlu dilakukan pengujian impak jatuh bebas dengan simulasi dan verifikasi
simulasi pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan eksperimentai uji impak
jatuh bebas.
Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan
simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan. Dalam
penelitian
ini
bertujuan membandingkan dua model Helmet sepeda dengan
digunakan Software SOLIDWORK 2012 dan,4,VSyS Workbench 14.5. Urta:k
membuat modelnya digunakan softv,are SOLIDWORK 2012 denganmembuat dua
pemodelan, lalu dilakukan simulasi pada dua model helmet dengan menggunakan
Software l,\I,SfS Workbench /4.5 untuk menganalisa tegangan dari struktur dan
komponen mekanik mana yang lebih baik pada dua model helmet.
1.3.
Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini untuk dapatmenganaiisa struktur
lt
elmet sepeda
bahan p o lym er i c fo am c omp o s i t e diperkuat Serbuk TKKS.
1.3.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus pada penelitian ini yaitu
1.
:
Mendapatkan distribusi tegangan dari dua model helmet sepeda dengan
simulasi ANSYS 14.5.
2.
Membandingkan distribusi tegangan kedua model helmet sepeda komposit
busa polimer diperkuat serbuk TKKS dengan simulasi ANSYS 11.5.
3. Membandingkan hasil tegangan yang diperoleh dari
menggunakan
lilSIS
simulasi
14.5 dengan hasil yang diperoleh pada uji
eksperimental jatuh bebas.
1.4. Batasan Masalah
Diperlukan batasan masalah yang meliputi antara lain
1.
:
Simulasi numerik menggunakan software ansys 14.5 untuk rnengetahui
membandingkan mana yang lebih baik 2 model distribusi tegangan pada
helmet sepeda.
2.
Helmet sepeda yang disimulasikan hanya
I jenis material
kornposit busa
polimer.
3.
Helmet sepeda disimulasikanjatuh dari ketinggian 1.5 meter.
4. Titik pembebanan impak yang disimulasikan
belakang.
pada sisi atas, samping dan
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah
:
a. Bagi peneliti dapat menambah pengetahuan,
wawasan dan pengalaman
tentang material komposit.
b.
Bagi akademik, penelitian ini daprt digunakan sebagai referensi tambahan
untuk penelitian tentang komposit serbuk TKKS.
1.6.
SistematikaPenulisan
Pada penelitian
BAB
1.
ini akan berisikan:
PENDAHULUAN
Bab ini membahas latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian,
batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas literatur dan referensi yang diperlukan berkenaan dengan
masalah yang
kekerasan,
dikaji dalam penelitian mengenai uji komposisi, uji
uji metalografi, uji tarik, dan software Ansys.
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi urutan dan cara yang dilakukan. Dimulai dari alat, bahan, dan
proses yang dilaksanakan.
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menampilkan data yang diperoleh dari penelitian dan hasil
pengujian berupa tabel maupun hasil pengamatan mikro dan makro.
BAB 5. KESIMPT'LAN DAN SARAN
Bab ini yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari semua hasil
analisa pengamatan serta perhitungan.
6. DAT'TAR PUSTAKA
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan dalam penelitian dan
penyusunan laporan ini.
7, LAMPIRAN
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Sejarah Helma Sepeda
Helmet sepeda pada umumnya ringan, bentuk dominan dari helm sampai
dengan tahnn 197A adalah model
kulit hairnet. Hal ini menawarkan perlindungan
diterima dari goresan dan luka, tetapi perlindungan dampak hanya minimal, dan
terutama digunakan oleh pengendara sepeda balap [6].
2.1. Gambar Helmet Sepeda [7]
Penggunaan yang lebih luas helmet mulai di Amerika Serikat
padal97}-an.
Setelah beberapa dekade ketika sepeda dianggap hanya sebagai mainan anak-anak
akhirnya orang dewasa Amerika banyak melakukan aktivitas bersepeda dan
kemudian booming sepeda pada tahun 1970-an [6].
Dua dari helmet sepeda modem
per&ama
dibuat oleh MSR, produsen
peralatan mountaineering dan Bell Olalvaga, produsen helmet untuk balap mobil
dan sepeda motor. Hal ini bisa dibilang sebagai tonggak Sejarah Desain helmet
Sepeda Modern. helmet
ini
adalah spin-aff'dari pengembangan liners busa
polystyrene diperluas untuk helm sepeda motor dan motorsport, dan merniliki
cangkang yang keras dari plastik polikarbonat. Secara komersial pertama yang
sukses merancang helmet sepeda untuk tujuan komersial adalah Biker Bell, shell
plastik berlapis keras dirilis pada tahun 1975
161.
Sekitar tahun 1990 sebuah teknik konstruksi baru ditemukan dicetakan
microshelL sebuah shell sangat tipis didirikan selama proses pencetakan. Hal ini
dengan cepat menjadi teknologi dominan, memungkinkan untuk ventilasi yang
lebih besar dan bentuk kompleks lebih dari cangkang keras. Penggunaan hard shells
menurun dengan cepat
di
arfiara populasi sepeda umum selama tahun 1990-an,
hampir menghilang pada akhir dekade ini, namun tetap populer dengan pengendara
BMX
serta
inline skater dan pemain skateboard. Akhir 1990-an dan awal 2000-an
melihat kemajuan dalam retensi dan sistem pas, menggantikan sistem lama dari
berbagai ketebalan bantalan dengan menyesuaikan dengan anatomi kepala
pengendara. Hal ini juga mengakibatkan bagian belakang kepala menjadi kurang
ditutupi oleh helmel, dengan dasar pertimbangan bahwa dampak ke daerah ini
sangat jarang
2.2.
ditemui [6].
Desain llelmet Sepeda
Helmet sepeda dirancang untuk melindungi dan mengurangi dampak pada
tulang kepala (tengkorak) seorang pengendara sepeda ketika jatuh
dan
meminimalkan efek samping seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan
tersebut, helmet yang digunakan oleh pengguna sepeda, didesain berbeda dari helm
sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam.
Walaupun
di Indonesia belum diwajibkan untuk menggunakan helmet
sepeda tetapi sudah banyak digunakan oleh masyarakat dalam kegiatan bersepeda
santai di hari libur, tetapi pada olah raga balapan sepeda atau kejuaraan sepeda
gunuog helmet sudah diwajibkan.
Desain adalah proses perubahan informasi terhadap syarat-syarat kebutuhan
sebuah produk menjadi pengetahuan produk dan proses. Kegiatan ini bertujuan
untuk menciptakan dan mengevaluasi produk sesuai dengan tujuan yang ingin
dicapai.
Desain teknik dapat didefinisikan sebagai proses menerapkan berbagai
teknik dan prinsip-prinsip ilmiah untuk tujuan mendefinisikan proses tersebut
dengan cukup terperinci untuk kemungkinan proses realisasi lebih
lanjut.
Suatu
desain produk yang baik dapat menghasilkan pengembangan produk yang baik
pula. Desain didasarkan pada kelebihan produk, praklis dalam pembuatan, ongkos
fabrikasi yang relatif murah, pemasaran dan faktor kombinasi yaitu apakah desain
produk tersebut memenuhi persyaratan yang dibutuhkan pelanggan.
Prinsip dasar proses desain adalah untuk memperkecil pernakaian bahan,
untuk mendaur ulang, karena ketidaksesuaian dengan kebutuhan, untuk
menghindari kerja ulang (rework) terhadap produksi, efisiensi dan kesesuaian
terhadap standar.
Langkah- langkah proses desain sebagai berikut [1]:
1.
Identifikasi kebutuhan ialah sebagai gambaran dan pernyataan
masalahyang samar-samar yang dikembangkan dan sebuah informasi.
2.
Sepenuhnya mendefinisikan dan memahami masalah, setelah itu adalah
mungkin untuk memulai tujuan.
3.
Defenisikan kebutuhan yang lebih masuk akal dan realistis dari pada
pemyataan masalah asli.
4.
Ciptakan sebuah spesifikasi tugas yang terinci dan membuat batasan
masalah.
5.
Buat sebanyak mungkin alternatif pendekatan desain, biasanya pada
tahap ini menentukan nilai atau kualitas. Pada langkah ini merupakan
penemuan ide terbesar.
6.
Penyelesaian langkah sebelumnya, yakni menganalisa
dengan
menentukan diterima, ditolak atau dimodifikasi produk desain. Solusi
yang paling menjanjikan dipilih.
7. Penentuan desain yang dapat diterima dan dipilih.
8. Ini merupakan langkah yang detail dimana dilakukan pembuatan
gambar teknik lengkap, identifikasi pemasok (vendor), serta membuat
spesifikasi manufaktur dan lainJain.
9.
Merealisasikan desain dengan membuat pratotype.
10. Dan akhimya menentukan kuantitas produksi.
Daiam mendesain helmet sepeda juga deperlukan mempertimbangkan
menentukan konstruksi material yang digunakan sehingga helmet yang di desain
tidak berat.
Aktifitas bersepeda adalah aktivitas olahraga yang secara signifikan
meningkatkan suhu tubuh dan kepala. Oleh sebab itulah helmet sepeda haruslah
mempunyai 2 sifat,
yaitu ringan dan mempunyai ventilasi. Selain itu pengguna
helrnet sepeda memilih helmet yang nyaman dan trend. Bentuk dan struklur lrclmet
sepeda
di pasaran, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2.
(d)
(c)
Ganrbar 2.2. Bentuk dan struktur hehnet sepeda di pasaran
(a) jenis
lull face (b), (c)
dan (d) jenis ha$'JitcelT)
Perbedaaan antaru kedua jenis full face dan half/hce ini diperlihatkan
pada Tabel 2. l.
Tabel2.l . Perbedaan antara helmet full .face dengan hal./'face
Aspek
Fullface
Halffuce
Keamanan
Lebih aman
Aman
Ventilasi
Sedikit
Banyak
Visibilitas
Memandang satu arah
L87.
Pertimbanean
ke
dapat melihat bagian
depan
samplng
Massa
Ringan
Lebih ringan
Kenyamanan
Nyaman
Lebih nyaman
Adapun konstruksi helmet secara garis besar terdiri atas[3]
1.
:
Lapisan luar yang keras (hard outer shelfi
Didesain untuk dapat pecah jika mengalami benturan untuk mengurangi
dampak tekanan sebelum sampai ke kepala. Lapisan ini biasanya terbuat
dari bahan plastic, fiberglass, polycarbonate dan lain-lain.
2. Lapisan dalam yang tebal {inside
Di
sltell or ltner)
sebelah dalam dari lapisan luar adalah lapisan yang sama pentingnya
untuk dampak pelapis penyangga. Biasanya dibuat dari
bahan
polystyrene (styrofoarl). Lapisan tebal ini memberikan bantalan yang
berfungsi menahan goncangan sewaktu helmet terbentur benda keras
sementara kepala masih bergerak.
a
1
Lapisan dalam yang lunak (comfort padding)
Merupakan bagian dalam yang terdiri dari bahan lunak dan kain untuk
menempatkan kepala secara pas dan tepatpada rongga helmet.
Tali Pengikat
Bagian penting lainnya dalam hehn ada tali pengikat helmet. Helmet
tidak akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi atau tidak
mengikatkan tali pengikatnya. Komponen Helmet Sepeda dapat dilihat
pada Gambar2.3.
outer shell
lnside shell
Gambar 2.3. Komponen Helmer Sepeda[7]
2.2.1
Standarisasi Helmet Sepeda
Helmet yang digunakan oleh masyarakat di negara maju pada umumnya
sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh
pemerintahnya. Diantara standar-standar helmel sepeda yang dikenal luas dan
banyak menjadi referensi antara lain Australia Standard (EN 397. AS/I{ZS
1801.SS98), European&N helmet standard (EN 1078.1990) dan lain-lain.
Untuk masing-masing standar memiiiki klasifikasi yang berbeda
berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. ANSI mengelompokkan
dalam dua tipe:
l. Helmet yang digunakan
untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebas dari ketinggian tertentu umumnya digunakan oleh pekeqa
konstruksi, sedangkan.
2. Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebasjuga dari benda yang datangdari arah lateral baik dari arah depan,
samping dan belakang umumnya digunakan oleh petugas pemadam
kebakaran.
2,3.
Bahan Komposit
Bahan komposit adalah material rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih
material menjadi suatu jenis material baru yang sifat dan karakteristiknya masih
didominasi oleh sifat bahan pembentukya dimana material yang digabung memiliki
sifat masing-masing yang berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun
sifat fisikanya. Bahan komposit terdiri dari dua bagian utama di antaranya: matrik
dan penguat (reinforcement). Fasa matrik adalah bahan fasa kontiniu yang selalu
kaku, dan rapuh, sedangkan fasa penguat tidak kaku dan kuat, akan tetapi fasa
penguat
ini lemah. Penggabungan kedua fasa tersebut menghasilkan bahan yang
dapat mendistribusikan beban yang diterima
di sepanjang penguat, sehingga bahan
menjadi lebih tahan terhadap pengamh beban tersebut. Penguat umumnya
berbentuk serat, rajutan, serpihan, dan partikel, yang dibenamkan kedalam fasa
matrik, penguat merupakan fasa diskontinu yang selalu lebih kuat dan tidak kaku
dari pada matrik dan merupakan kemampuan utama bahan komposit dalam
menahan beban [9].
1_0
Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranyaberat yang lebih
ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, tahan korosi dan ketahanan aus.
Gambar 2.4. Gabunsan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit
Keunggulan komposit dapat dilihat
dari sifat-sifat
bahan
pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
a. Bahan ringan, kuatdankaku.
b. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
c. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang tinggi,
keras, ringan serta tahan terhadap irnpak.
Bahan komposit polymeric foam terdin dari polyester resin tak jenuh dan
hlowing agent. Blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah; polyol
dan isocyanate. Sementara untuk msmpercepat proses polimerisasi digunakan
katalis jenis Merhyl Ethil Keton Perokside (MEKPO).
2.3.1. Polyester resin tak jenuh (BQTN 157-EX)
Polyester resin BQTN 157-EX merupakan polimer kondensat yang
terbentuk berdasarkan reaksi artara polyol yang merupakan organik gabungan
dengan alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic, yang
mengandung ikatan ganda. Tipikal jents polyol yang digunakan adalah glycol,
seperti ethylene glycol. Sementara asarn polycarboxylic yang digunakan adalah
asamphthalic danasammaleic.Adapun jenis polyester resin yang digunakan dalam
penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.5
Gambar 2.5. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157 EX
1,1
Polyester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermosef yang memiliki
struktur rantai karbon yang panjang. Matrik yang berjenis ini memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan
ketika proses pembentukan [10].
Polyester tergolong jenis polimer thermoset ,vang memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan
ketika proses pembentukannya [10]. Struktur bahan yang dihasilkan berbentuk
crosslink dengan keunggulan daya tahan yang lebih baik terhadap jenis
pembebanan statik dan impak. Hal tersebut disebabkan oleh molekul yang
dimiliki
bahan dalam bentuk rantai molekul raksasa, atom-atom karbon yang saling
mengikat satu dengan lainnya mengakibatkan struktur molekulnya menghasilkan
efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan data karakteristik
mekanik bahan polye,ster resin tak jenuh seperti terlihat sebagai berikut [10].
Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh [10].
Sifat Mekanik
.-1
kg.m -
Berat Jenis (p)
I;
sld 1,5
Modulus Young { E}
GPa
2 #d 4,5
Kekuatan Tarik (o1)
(MPa)
40 sde0
Sumber : Georgios Koronis, etal.,2012
2.3.2. Blowing
agent
Blowing agent adalah bahan yang digunakan untuk menghasilkan struktur
berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan dalam
penelitian
ini
adalah palyurethane. Bentuk
polyol dan isocyanate yang
dipergunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Blowing agent
12
Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan
urethane yaitu -NH-CO-O-. Polyurethane dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat
yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hydrogen al