BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Simulasi Helm Dan Perbandingannya Dengan Hasil Eksperimen
Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software autocad. Helm digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm yang sebenarnya Gambar 4.1.
230
b. Tampak Samping 2
235 300
147 152
190 19
226 9
a. Tampak Depan
Gambar 4.1 Dimensi helm Setelah itu helm dipindahkan ke software MSCNastran 4.5 dengan mengimport dari model
autocad. Dalam MSCNastran 4.5 analisa bisa dilakukan dengan mengambil setengah dari model helm
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
yang sebenarnya dengan syarat bentuk geometri helm harus simetris terhadap salah satu sumbunya Gambar 4.2.
X Y
Z V1
Gambar 4.2 Model helm setelah dibagi dua
Di dalam software MSCNastran 4.5 telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekaniknya Gambar 4.3, bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog
untuk material otomatis akan terisi Gambar 4.4.
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Gambar 4.3 Kotak dialog jenis material
Gambar 4.4 Kotak dialog sifat mekanik material Namun karena material helm dalam penelitian ini tidak terdapat dalam daftar yang disediakan
oleh MSCNastran 4.5 maka sifat-sifat mekanik yang telah diperoleh melalui uji tarik seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog Gambar 4.5
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Ketika helm dimodelkan dengan software autocad, ukuran helm dibuat dalam satuan milimeter, sehingga modulus elastisitas dan massa jenis dari hasil uji tarik yang masih memakai satuan
meter harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam satuan milimeter sebelum dimasukkan ke dalam kotak dialog.
E = 6,689 GPa = 6,689.10
9 2
m N
= 6689
2
mm N
= 6689 MPa
3 6
3
10 .
555 ,
1 1555
mm kg
m kg
−
= =
ρ
Gambar 4.5 Kotak dialog material helm komposit Bentuk elemen yang digunakan dalam simulasi adalah elemen solid tetrahedral empat node.
Jumlah elemen yang akan terbentuk pada model helm tergantung pada ukuran elemen element size yang terdapat dalam kotak dialog Gambar 4.6 . Ukuran elemen sebesar delapan dipilih berdasarkan
luas permukaan input bar yang membentur helm sewaktu melaksanakan eksperimen di laboratorium. Helm setelah selesai di mesh dapat dilihat pada gambar 4.7 dengan jumlah elemen sebanyak 6292
dan node 12872.
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Gambar 4.6 Kotak dialog mesh
X Y
Z V1
Gambar 4.7 Helm setelah di mesh Kondisi yang terjadi sewaktu melakukan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa
setelah helm menerima beban impak maka helm yang terletak di atas tes rig akan bertranslasi searah dengan arah beban impaknya, sedangkan untuk gerakan rotasi tidak terjadi pada helm Gambar 3.7.
Kondisi di atas harus diadopsi ke dalam simulasi agar hasil simulasi yang diperoleh dapat mendekati hasil dari eksperimen.
Karena dalam penelitian ini beban yang disimulasikan adalah beban impak dari sebelah atas helm atau dalam MSCNastran artinya beban impak tersebut diberikan dalam arah sumbu Y Gambar
4.8, maka untuk gerakan translasi helm harus diconstraint dalam arah sumbu X dan Z saja. Sedangkan
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
untuk arah Y tidak diconstraint karena pada arah sumbu ini helm akan bertranslasi setelah kena beban impak Gambar 4.9. Helm setelah selesai diconstraint dapat dilihat pada gambar 4.10.
X Y
Z 24.5
24.5 V1
L1
Gambar 4.8 Beban impak dalam arah sumbu Y
Gambar 4.9 Kotak dialog constraint
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
X Y
Z 13
13 13 13
13 13
1313 13
13 13 13
13 13 13
13 13
13 13 13
13 13 13
13 13
13 13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
1313 13
13 13
13 1313
13 13 13
1313 13
13 13
13 13
13 13
13 1313
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
1313 13
13 13
1313 13
13 13
1313 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 1313
13 13
13 13
13 13
13 13
1313 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
13 13
1313 13
13 13
13 13
13 13
13 13
1313 13
13 13
13 13
13 13
13 1313
13 13
13 13
13 13
13 1313
13 13 1313
13 13
1313 13 13
1313 13
13 13 13
13 13 1313
13 13 13
13 13 13
1313 13
13 1313
13 13 1313
13 13 13
13 13
131313 13
13 13 13
13 131313
13 13
1313 13 13
1313 13
13 13 13
13 13
1313 13
13 1313
V1 C1
Gambar 4.10 Helm setelah diconstraint Dari diagram Lagrange diperoleh informasi bahwa bila ada perbedaan sifat mekanik dan
dimensi antara input bar dengan spesimen helm, maka tegangan yang menjalar di input bar
σ
sebagian akan ditransmisikan ke dalam helm
ασ
, sedangkan sisanya akan direfleksikan kembali ke dalam input bar
βσ
Gambar 2.8. Tegangan yang ditransmisikan ke dalam helm disebut juga dengan tegangan insiden inilah yang sebenarnya menjadi beban impak, dan beban impak ini akan
mengakibatkan terjadinya tegangan pada permukaan helm. Beban impak dan selang waktu yang telah tercatat dari eksperimen akan dimasukkan ke dalam simulasi, yaitu sebesar 24,5 MPa dengan waktu
impak 300
μ
s untuk ID 40 mm dan 33,56 MPa dengan waktu impak 300
μ
s untuk ID 120 mm Gambar 4.11.
a b
64.43
-100 -50
50 100
200 400
600 800
1000 1200
1400 1600
Waktu μs
T e
gan gan
M P
a
24.50
-60 -40
-20 20
40 60
100 200
300
400
Time
μ
s Stress MPa
Input Bar Striker
1500 mm 500 mm
t
i
P = 0,4 Mpa 200
200
Gambar 4.11 Tegangan insiden dan waktu impak hasil eksperimen Untuk memperoleh titik impak yang sesuai dengan eksperimen dapat dilakukan dengan
memilih elemen yang telah terbentuk pada helm seperti yang ditampilkan pada gambar 4.7, elemen yang dipilih adalah yang sesuai dengan lokasi titik pengimpakan gambar 4.12.
Gambar 4.12 Kotak dialog pemilihan elemen Di dalam software MSCNastran tersedia beberapa jenis bentuk pembebanan, diantaranya
adalah dalam bentuk gaya force dan dalam bentuk tekanan atau tegangan pressure. Karena beban
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
impak yang diperoleh dari eksperimen di laboratorium dalam bentuk tegangan, maka dipilih pembebanan dalam bentuk pressure Gambar 4.13
Gambar 4.13 Kotak dialog beban impak dalam bentuk pressure Sedangkan untuk pembebanan tersedia empat arah yaitu dari sebelah atas, bawah, kiri, dan
kanan. Dalam hal ini dipilih face 4 yang memberikan arah impak dari sebelah atas helm Gambar 4.14.
Gambar 4.14 Kotak dialog arah pembebanan
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Beban yang diberikan pada simulasi berdasarkan intensitas tegangan insiden dalam fungsi waktu Ft pada ID 60 yaitu sebesar 24,5 MPa dengan selang waktu 300
μs Gambar 4.15. Dan untuk mendapatkan hasil yang maksimal, kurva tegangan insiden hasil eksperimen dimodifikasi menjadi
setengah sinus dengan tidak merubah besar beban. Selanjutnya data-data tersebut dimasukkan ke dalam kotak dialog model fungsi Gambar 4.16 dan bentuk kurva tegangan insiden yang telah
dimodifikasi menjadi setengah sinus dapat dilihat pada Gambar 4.17
60 40
24,5
20
100 200 300
- 20 - 40
t
i
= 300
μ
s
-
60
Gambar 4.15 Tegangan insiden vs waktu impak hasil eksperimen
Gambar 4.16 Kotak dialog model fungsi
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
0. 0.0624
0.125 0.187
0.25 0.312
0.374 0.437
0.499 0.561
0.624 0.686
0.749 0.811
0.873 0.936
0.998
0. 0.0000187 0.0000375 0.0000562 0.000075 0.0000937 0.000113
0.000131 0.00015
0.000169 0.000187
0.000206 0.000225
0.000244 0.000262
0.000281 0.0003
DYNA
Gambar 4.17 Kurva modifikasi tegangan insiden untuk simulasi Karena beban yang diberikan pada helm adalah beban impak atau beban dinamis maka dalam
simulasi juga diperlukan pembebanan dalam bentuk dinamis Gambar 4.18.
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Gambar 4.18 Kotak dialog beban dinamis
Langkah terakhir adalah proses analisa dengan memilih analysis type dalam bentuk transient dynamic dan output types dalam bentuk displacement and stress Gambar 4.19.
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Gambar 4.19 Kotak dialog analisa Hasil yang diperoleh dari simulasi dapat ditampilkan dalam bentuk tegangan pada permukaan
helm, seperti terlihat pada gambar 4.20.
X Y
Z V1
L1 C1
24.22 19.98
15.73 11.48
7.238 2.992
-1.254 -5.5
-9.745 -13.99
-18.24 -22.48
-26.73 -30.97
-35.22 -39.47
-43.71 put Set: Case 30 Time 0.0087
tour: Solid Z Normal Stress Out
Con
Gambar 4.20 Distribusi tegangan pada helm
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Atau dapat juga ditampilkan dalam bentuk grafik Gambar 4.21, 4.22, 4.24, dan 4.25, grafik tegangan yang terjadi pada helm inilah yang akan dibandingkan dengan grafik yang diperoleh dari
eksperimen Gambar 4.23 dan 4.26.
1: Solid Z Normal Stress, Element 5576 -7.861
-7.336 -6.812
-6.288 -5.764
-5.24 -4.716
-4.192 -3.668
-3.144 -2.62
-2.096 -1.572
-1.048 -0.524
0.
1 3
5 7
9 11
13 15
17 19
21 23
25 27
29 Output Set
Tegangan MPa
Waktu us
Gambar 4.21 Grafik tegangan ID 40 mm Beban impak 24,5 MPa - St gage 15 mm
1: Solid Z Normal Stress, Element 5576 -10.77
-10.05 -9.332
-8.614 -7.896
-7.179 -6.461
-5.743 -5.025
-4.307 -3.589
-2.871 -2.154
-1.436 -0.718
0.
1 3
5 7
9 11
13 15
17 19
21 23
25 27
29 Output Set
Tegangan MPa
Waktu us
Gambar. 4.22 Grafik tegangan ID 120 mm Beban impak 33,56 MPa – St gage 15 mm
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
-10.96
-18 -12
-6 6
12 18
1000 2000
3000 4000
Waktu us St
re s
s M
Pa ID 40
ID 120
-7,42
Gambar 4.23 Grafik tegangan hasil eksperimen - St. Gage 15 mm
Dari hasil eksperimen dengan strain gage terpasang 15 mm dari titik impak diperoleh tegangan sebesar 7,42 MPa untuk beban 24,5 Mpa ID 40 mm dan 10,96 MPa untuk beban 33,56 MPa
ID 120 mm. Sedangkan hasil simulasi pada jarak pengamatan yang sama diperoleh tegangan sebesar 7,861 MPa untuk beban 24,5 MPa dan 10,77 MPa untuk beban 33,56 MPa. Jika dibandingkan pada
lokasi ini terjadi selisih tegangan sekitar 3,815 .
1.332 1.727
2.121 2.516
2.911 3.306
3.701 4.096
4.491 4.886
5.28
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
Tegangan MPa
Waktu us
Gambar 4.24 Grafik tegangan ID 40 mm Beban impak 24,5 MPa – St. Gage 30 mm
2: Solid Z Normal Stress, Element 5491 -0.894
-0.352 0.189
0.731 1.273
1.815 2.357
2.899 3.44
3.982 4.524
5.066 5.608
6.15 6.691
7.233
1 3
5 7
9 11
13 15
17 19
21 23
25 27
29 Output Set
Tegangan MPa
Waktu us
Gambar 4.25 Grafik tegangan ID 120 mmBeban impak 33,56 MPa – St. Gage 30 mm
M. Rafiq Yanhar : Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit Gfrp Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2008
USU Repository © 2008
5.89
-18 -12
-6 6
12 18
1000 2000
3000 4000
Waktu us St
re s
s M
Pa
ID 40 ID 120
5.12
Gambar 4.26 Grafik tegangan hasil eksperimen - St.Gage 30 mm Gambar 4.26 Grafik tegangan hasil eksperimen - St.Gage 30 mm
Pada strain gage terpasang 30 mm dari titik impak untuk beban 24,5 MPa diperoleh tegangan sebesar 5,12 MPa dan 5,89 MPa untuk beban 33,56 MPa. Sedangkan hasil simulasi pada jarak
pengamatan yang sama diperoleh tegangan sebesar 5,26 MPa untuk beban 24,5 MPa dan 7,233 MPa untuk beban 33,56 MPa. Selisih tegangan yang terjadi pada lokasi ini adalah 10,55 . Selisih yang
relatif besar ini kemungkinan disebabkan oleh adanya perbedaan dimensi antara helm eksperimen dan simulasi ketika helm dimodelkan dengan autocad.
Pada strain gage terpasang 30 mm dari titik impak untuk beban 24,5 MPa diperoleh tegangan sebesar 5,12 MPa dan 5,89 MPa untuk beban 33,56 MPa. Sedangkan hasil simulasi pada jarak
pengamatan yang sama diperoleh tegangan sebesar 5,26 MPa untuk beban 24,5 MPa dan 7,233 MPa untuk beban 33,56 MPa. Selisih tegangan yang terjadi pada lokasi ini adalah 10,55 . Selisih yang
relatif besar ini kemungkinan disebabkan oleh adanya perbedaan dimensi antara helm eksperimen dan simulasi ketika helm dimodelkan dengan autocad.
Klarifikasi simulasi komputer terhadap pengujian eksperimen menghasilkan perbedaan hasil yang relatif kecil, selain itu konfigurasi kurva tegangan yang berpropagasi pada helm yang dihasilkan
secara simulasi mempunyai kesamaan dengan hasil eksperimen. Dari kesamaan yang disebutkan di atas menunjukkan bahwa simulasi secara tidak langsung dapat menjadi suatu pembanding dari hasil
eksperimen. Klarifikasi simulasi komputer terhadap pengujian eksperimen menghasilkan perbedaan hasil
yang relatif kecil, selain itu konfigurasi kurva tegangan yang berpropagasi pada helm yang dihasilkan secara simulasi mempunyai kesamaan dengan hasil eksperimen. Dari kesamaan yang disebutkan di
atas menunjukkan bahwa simulasi secara tidak langsung dapat menjadi suatu pembanding dari hasil eksperimen.
4.2 Tegangan pada titik-titik yang tidak dipasang strain gage
Kategori