Analisis Stuktur produk pengarah jalan bentuk silinder menggunakan MSC-Nastran

ANALISIS STRUKTUR PRODUK PENGARAH JALAN

BENTUK SILINDER MENGGUNAKAN MSC.NASTRAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AHMAD DAHRUL NASUTION

NIM. 030401052

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2009

ANALISIS STRUKTUR PRODUK PENGARAH JALAN

BENTUK SILINDER MENGGUNAKAN MSC.NASTRAN

AHMAD DAHRUL NASUTION NIM. 030401052

Diketahui / Disyahkan : Disetujui oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU

Ketua,

Dr-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri

ANALISIS STRUKTUR PRODUK PENGARAH JALAN

Prof.Dr.Ir.Bustami Syam MSME NIP. 132 018 668 NIP. 131 459 551

BENTUK SILINDER MENGGUNAKAN MSC.NASTRAN

Oleh:

AHMAD DAHRUL NASUTION 0 3 0 4 0 1 0 5 2

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar tugas skripsi Periode ke-543 tanggal 11 juli 2009

Disetujui oleh:

Dosen pembanding I Dosen Pembanding II

DR.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tugiman, MT

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis struktur silinder jalan yang dikenai beban impak dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu: Survei ukuran dari kerucut komersial, melakukan permodelan dengan software AutoCad 2000 dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software Msc. Nastran 4.5. Setelah melakukan pengamatan di beberapa lokasi pada pengimpakan atas tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 69,7 MPa tepatnya dititik 4, pada pengimpakan tiga perempat ketinggian silinder tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 34,37 MPa tepatnya dititik 4, dan pada pengimpakan setengah ketinggian kerucut tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 45,05 MPa, sehingga disimpulkan bahwa titik 4 yaitu berada di kaki silinder (100 m dari base silinder) berpotensial mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada beberapa lokasi. Dari hasil simulasi juga menunjukkan bahwa untuk ketiga tipe pengimpakan (impak atas, impak tiga perempat, impak setengah), konsentrasi tegangan lebih besar terjadi pada pengimpakan atas yang diasumsikan akibat tertabrak mobil dibandingkan pengimpakan akibat tertabrak motor dan uji bandul. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengimpakan akibat tabrakan mobil dapat lebih merusak struktur silinder jalan.

KATA PENGANTAR

Puji syukur hanya bagi Allah, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan kekuatan selain dari-Nya. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan orang-orang yang mengikutinya hingga akhir zaman. Alhamdulillah, atas izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah “ Analisis Stuktur produk pengarah jalan bentuk silinder menggunakan MSC-Nastran”.

Penyelesaian skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan serta ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Ayahanda dan Ibunda tercinta terima kasih ananda haturkan atas segala cinta dan kasih mereka yang telah memberikan dukungan moril dan materil serta do’anya demi kesuksesan ananda, juga ucapan terima kasih kepada seluruh keluarga penulis; Lokot Maratua, Rusdah Noer, Solahuddin dan Suhailah Noer yang menjadi warna dan dapat menghibur bagi penulis.

2. Bapak Prof. Dr. Bustami Syam selaku Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, dan pelajaran berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.

selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin

4. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.

5. Seluruh Asisten Laboratorium pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya rekan-rekan seperjuangan di Laboratorium Menggambar Teknik

6. Teman-teman mahasiswa Mesin USU khususnya untuk stambuk 2003, 2004.

Akhir kata semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.

Medan, Juni 2009

Ahmad Dahrul Nasution NIM.03 0401 052

DAFTAR ISI

Hal

KATA PENGANTAR i

DAFTAR ISI iii

DAFTAR GAMBAR v

DAFTAR TABEL vii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1Latar Belakang 1

1.2Perumusan Masalah 3

1.3Tujuan Penelitian 4

1.4Metodologi 4

1.5Batasan Masalah 5

1.6Sistematika Penulisan 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA` 7

2.1Pendahuluan 7

2.2Tentang Polimer 8

2.3Metode Elemen Hingga 9

2.3.1Langkah-Langkah Metode Elemen Hingga 10 2.3.2Kelebihan dan Kekurangan Metode Elemen Hingga 18

2.4 MSC/NASTRAN 4.5 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 21

3.1Pendahuluan 21

3.2Tempat dan Waktu 21

3.2.1Tempat 21

3.2.2Waktu 21

3.3 Stick cone Komersial 22

3.5Penentuan Sifat Fisik Dan Mekanik Dari Material 27

3.6Prosedur Simulasi 27

3.6.1Permodelan Silinder jalan 27

3.6.2Proses import ke Msc Nastran 28

3.6.3Mendefenisikan Material Properties 29 3.6.4Mendefinisikan Element/Property type 30

3.6.5 Proses Meshing 30

3.6.6Penerapan constraint 32

3.6.7Penerapan Load 33

3.6.8Proses Analyzing 34

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 35

4.1Pendahuluan 35

4.2Simulasi Silinder jalan komersial 35

4.2.1Impak Atas 39

4.2.2Impak pada tigaperempat ketinggian 52 4.2.3Impak pada ketinggian setengah 59

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 66

5.1 Kesimpulan 66

5.2 Saran 67

DAFTAR PUSTAKA 68

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 2.1 Bentuk-bentuk elemen dasar 11

Gambar 2.2 Elemen Tetrahedral 12

Gambar 3.1. Marka silinder Komersial 22

Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Autocad 2002 24 Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 5.4 for Windows

Gambar 4.11 Kotak Dialog Beban Dinamis 44

25 Gambar 3.4 Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 5.4 for Windows (Lanjutan) 26

Gambar 3.5 Tampilan Pembuka Msc. Nastran 4.5 28

Gambar 3.6. Tampilan proses import 29

Gambar 3.7. Tampilan material properties 29

Gambar 3.8. Tampilan element type 30

Gambar 3.9. Tampilan penerapan meshing 31

Gambar 3.10. Tampilan hasil meshing 31

Gambar 3.11. Tampilan constraint 32

Gambar 3.12. Tampilan penerapan load 33

Gambar 3.13. Tampilan Analyze 34

Gambar 4.1 Ukuran silinder jalan komersial . 36

Gambar 4.2 silinder jalan komersial 36

Gambar 4.3 Lokasi Impak pada silinder jalan 37

Gambar 4.4 Lokasi Impak pada silinder jalan (lanjutan) 38 Gambar 4.5 Model silinder jalan di Nastran Setelah di Import dari AutoCAD 39

Gambar 4.6 Kotak Dialog Mesh 40

Gambar 4.7 Silinder jalan yang Sudah di Mesh 40

Gambar 4.8 Kotak Dialog Jenis Material . 41

Gambar 4.9 Kotak Dialog Material dan Sifat Mekaniknya 42 Gambar 4.10 Silinder jalan yang diberikan Beban 43

Gambar 4.12 Nastran Analysis Control 45 Gambar 4.13 Distribusi Tegangan VonMises Impak Atas 46 Gambar 4.14 Distribusi Tegangan Normal sumbu-X Impak Atas 47 Gambar 4.15 Distribusi Tegangan Normal sumbu-Y Impak Atas 48 Gambar 4.16 Distribusi Tegangan Normal sumbu-Z Impak Atas 49 Gambar 4.17 Grafik Solid Von Mises pada elemen 9642, 11942, 13112 50 Gambar 4.18 Grafik Solid X Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 51 Gambar 4.19 Grafik Solid Y Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 51 Gambar 4.20 Grafik Solid Z Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 52 Gambar 4.21 Distribusi Tegangan VonMises pada tiga perempat ketinggian 53 Gambar 4.22 Distribusi Tegangan Normal sumbu-X pada tiga perempat

ketinggian. 54

Gambar 4.23 Distribusi Tegangan Normal sumbu-Y pada tiga perempat

ketinggian. 55

Gambar 4.24 Distribusi Tegangan Normal sumbu-Z pada tiga perempat

ketinggian. 56

Gambar 4.25 Grafik Solid Von Mises pada elemen 9642, 11942, 13112 58 Gambar 4.26 Grafik Solid X Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 58 Gambar 4.27 Grafik Solid Y Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 59 Gambar 4.28 Grafik Solid Z Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 59 Gambar 4.29 Distribusi Tegangan Solid Von Mises stress. 61

Gambar 4.30 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X 61

Gambar 4.31 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y 62

Gambar 4.32 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z 63

Gambar 4.33 Grafik Solid Von Mises pada elemen 9642, 11942, 13112 64 Gambar 4.34 Grafik Solid X Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 65 Gambar 4.35 Grafik Solid Y Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 65 Gambar 4.36 Grafik Solid Z Normal Stress pada elemen 9642, 11942, 13112 66

DAFTAR TABEL

HAL Tabel 3.1 Sifat Fisis dan Mekanis material polypropylene 11 Tabel 4.1 Tegangan setiap elemen pada pengimpakan atas dengan pariasi jarak 57 Tabel 4.2 Tegangan setiap elemen pada pengimpakan tigaperempat ketinggian

dengan variasi jarak 60

Tabel 4.3 Tegangan setiap elemen pada pengimpakan setengah ketinggian dengan

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

A = Luas permukaan bandul m2

D = Diameter impak m

E = Nilai Elastisitas bahan Pa

F = Gaya sentuh N

FEA = Finite Element Analisys

(Analisa Elemen Hingga/Tegangan) Pa

L = Tinggi kerucut m

M = Massa kg

Sut = Ultimate strenght Pa

Sy = Yield strenght Pa

υ = Poison ratio -

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1. Analisa Menggunakan MSC/NASTRAN 4.5 68 2. Permodelan menggunakan software AutoCAD 69

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis struktur silinder jalan yang dikenai beban impak dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap kegiatan atau pengerjaan yaitu: Survei ukuran dari kerucut komersial, melakukan permodelan dengan software AutoCad 2000 dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software Msc. Nastran 4.5. Setelah melakukan pengamatan di beberapa lokasi pada pengimpakan atas tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 69,7 MPa tepatnya dititik 4, pada pengimpakan tiga perempat ketinggian silinder tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 34,37 MPa tepatnya dititik 4, dan pada pengimpakan setengah ketinggian kerucut tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 45,05 MPa, sehingga disimpulkan bahwa titik 4 yaitu berada di kaki silinder (100 m dari base silinder) berpotensial mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada beberapa lokasi. Dari hasil simulasi juga menunjukkan bahwa untuk ketiga tipe pengimpakan (impak atas, impak tiga perempat, impak setengah), konsentrasi tegangan lebih besar terjadi pada pengimpakan atas yang diasumsikan akibat tertabrak mobil dibandingkan pengimpakan akibat tertabrak motor dan uji bandul. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengimpakan akibat tabrakan mobil dapat lebih merusak struktur silinder jalan.

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Untuk mempertimbangkan keselamatan, keamanan, ketertiban dan kelancaran serta kemudahan bagi pemakai jalan dalam berlalu lintas, maka diperlukan perlengkapan jalan yang memadai dan memenuhi persyaratan dalam penyelenggaraan serta untuk mencapai hasil guna dan daya guna dalam pemanfaatan untuk lalu lintas menjadi alasan menarik bagi penulis dalam melakukan re-desain suatu silinder (stick

cone) yang banyak kita temui di jalan raya. Namun kebanyakan masyarakat kurang

menyadari pentingnya keberadaan silinder, bahkan sering kita temui silinder tersebut jatuh atau tumbang bahkan pecah akibat tersenggol atau tertabrak oleh kenderaan bermotor yang melintas dijalanan tersebut.

Fungsi dari silinder itu sendiri adalah sebagai silinder jalan yang dirancang sebagai usaha penertiban lalu lintas. Silinder dirancang sedemikian rupa dan harus dapat memantulkan cahaya pada malam hari dengan menggunakan butiran kristal kaca, [SK Dirjen Perhubungan No. 116 Tahun 1997]. Sebagai silinder jalan yang tidak permanen, silinder harus bisa dipindah-pindahkan dengan mudah dengan tetap mempertimbangkan berat total dari suatu silinder silinder.

Silinder yang biasa digunakan dijalan raya menggunakan material polimer polietilen, akan tetapi pada penelitian ini terdapat perbedaan dalam desain penampilan.

Dengan bantuan komputer, metode elemen hingga mampu menyelesaikan persoalan-persoalan menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks yang umumnya sulit dipecahkan melalui analisis matematis. Hal ini disebabkan karena analisis matematis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Metode elemen hingga menggunakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik diskrit. Dimulai dengan permodelan suatu objek, kemudian membaginya dalam bagian yang kecil. Namun secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum pembagian.

1.1 Tujuan Penelitian:

Penelitian ini mencakup dua tujuan yaitu tujuan umum dan tujuan khusus. 1.2.1. Tujuan Umum

Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk menganalisa struktur silinder jalan yang dikenai beban impak.

1.2.2. Tujuan Khusus

a. Mengevaluasi respon silinder jalan yang dikenai beban impak yang bervariasi.

b. Menganalisa distribusi tegangan yang terjadi pada silinder jalan dengan menggunakan software Msc Nastran 4,5.

Adapun perumusan masalah disusun dalam bentuk flowchart kerangka konsep seperti gambar 1.2.

Kerangka Konsep

Gambar 1.2 Kerangka Konsep

Dampak :

- silinder jalan mudah rusak - Biaya menjadi mahal akibat kegagalan produk

Hasil Skripsi::

•Gaya dinamis

•Bentuk silinder jalan yang dapat menahan beban statis dan dinamis.

Permasalahan :

•Beban impak pada silinder jalan

•Variasi bentuk silinder jalan.

Menyebabkan:

Retak pada silinder jalan

Simulasi Komputer:

• Membuat permodelan silinder

jalan dengan Material polymer

• Melakukan simulasi silinder jalan dengan variasi bentuk dan dimensi dengan massa konstan.

Solusi:

Melakukan simulasi komputer yang mampu menganalisa kekuatan material

1.3 Metodologi

Dalam skripsi ini dilakukan simulasi dengan bantuan komputer untuk menganalisa distribusi tegangan pada silinder jalan akibat pembebanan statis dan dinamis. Simulasi komputer menggunakan software Msc. Nastran 4.5 buatan dari Msc Software. Software ini mampu melakukan analisa statis, serta mampu menganalisa tegangan yang terjadi pada silinder jalan. Simulasi dengan software Msc.Nastran 4.5 memberikan hasil berupa gaya statis yang terkonsentrasi pada setiap komponen-komponen kritis silinder dan juga diperoleh distribusi tegangan yang terjadi disepanjang silinder akibat beban tersebut. Mengingat keterbatasan software dalam hal permodelan, maka dalam skripsi ini juga menggunakan software Autocad 2000 untuk melakukan permodelan.

Semua data mengenai marka jalan, diperoleh berdasarkan hasil survei literatur dan lapangan. Hasil simulasi software Msc. Nastran 4.5 dijabarkan dalam bentuk tabel, grafik, dan kontur distribusi tegangan (FEA) yang yang dapat dianalisa dengan mudah, sehingga didapat gambaran mengenai kondisi yang terjadi pada sebuah silinder jalan akibat pembebanan.

1.4 Batasan masalah

Stabilitas dan fleksibilitas yang masih rendah dari suatu silinder jalan menjadi alasan menarik, penting dan perlu diteliti oleh peneliti. Permasalahan yang ingin diteliti adalah sejauh mana kekuatan dan ketahanan dari silinder jalan yang dikenai beban impak. Dengan dilandasi pada latar belakang diatas peneliti memandang perlu dilakukan suatu penelitian untuk mengetahui respon pada silinder jalan terhadap

beban impak. Analisa numerik dilakukan dengan menggunakan software berbasis elemen hingga (Msc. Nastran 4.5) untuk melihat respon yang diterima silinder jalan. Dalam skripsi ini juga dilakukan simulasi silinder jalan dengan variasi bentuk dan dimensi. Hal ini bertujuan untuk memperoleh bentuk yang paling baik dalam menahan beban-beban yang terjadi pada silinder jalan.

1.5 Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini terbagi kedalam tiga bagian yaitu membuat gambar permodelan dengan Software SolidWorks 2007 kemudian disimulasikan dengan Msc. Nastran 4.5 dan yang terakhir menganalisa hasil simulasi.

Kemudian hasil akan disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab. BAB 1 : PENDAHULUAN

Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas Akhir yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan.

Berisikan spesifikasi marka jalan yang dijadikan studi kasus dan juga mengenai langkah permodelan dari silinder jalan dengan menggunakan software autocad 2000 serta pembuatan simulasi dengan menggunakan MscNastran 4.5 for windows.

BAB 4 : HASIL SIMULASI DAN DISKUSI

Berisikan hasil simulasi dan juga hasil diskusi.

BAB 5 : KESIMPULAN DAN SARAN

Berisikan mengenai kesimpulan akhir yang didapat dari Skripsi ini.

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan

Disain produk merupakan proses pengembangan konsep awal untuk mencapai permintaan dan kebutuhan dari konsumen. Suatu desain produk yang baik dapat mendorong pengembangan yang sukses, dan suatu desain didasarkan kepada kelebihan produk, kepraktisan dari perakitan, ongkos pabrikasi, pemasaran dan faktor kombinasi apakah desain produk tersebut memenuhi persyaratan yang dibutuhkan pelanggan.

Ada beberapa pendekatan dasar dari proses disain: untuk memperkecil pemakaian material; untuk mendaur ulang; karena tidak sesuai; karena

re-manufacturing; alasan memperkecil bahan dengan resiko tinggi; efisiensi yang tinggi;

dan untuk mencapai regulasi standart.

Suatu disain yang efektif terdiri dari tiga unsur-unsur [4], yaitu:

1. Masukan dokumen untuk disain yang akhir terdiri dari dokumen seperti spesifikasi produk yang akan didesain (Product Design Spesification / PDS) , mutu atau Quality Function Deployment (QFD) dan analisa teknik seperti lisis teknis seperti Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid

Dynamics (CFD), Failure Models dan Effect Analysis (FMEA), mutu

perencanaan, analisa ketahanan termasuk, hasil dari kecakapan menguji, pekerjaan menggambar perakitan dan detil, dan spesifikasi produk, dan berharga proyeksi. Dokumentasi ini dapat sangat besar dan bukanlah semua

tercakup di disain yang akhir. Unsur-Unsur yang penting telah ditinjau sebelumnya dan mereka akan bersertifikat di disain yang akhir.

Masukan yang penting yang lain bagi pertemuan adalah pemilihan dari orang-orang siapa yang akan tinjauan ulang. Mereka harus diberi hak untuk membuat keputusan tentang disain dan mempunyai tanggung jawab dan kemampuan untuk mengambil tindakan korektif.

2. Suatu pertemuan yang efektif memproses pertemuan disain secara formal tersusun dengan agenda. Disain yang akhir lebih dari suatu audit berlawanan dengan tinjauan ulang yang lebih awal, yang lebih multifungsional memecahkan masalah sesi.

3. Suatu keputusan yang sesuai dari disain yang akhir adalah suatu keputusan seperti pada produk adalah siap untuk dilepaskan keproduksi departemen. Kadang-kadang keputusan untuk berproses adalah bersifat sementara, dengan beberapa isu yang terbuka yang perlu untuk dipecahkan, penilaian perubahan dapat dibuat sebelum peluncuran produk.

Proses generasi konsep dimulai dengan spesifikasi target dan kebutuhan pelanggan sehingga konsep produk tersebut menghasilkan suatu pemilihan akhir yang baik.

2.2 Tentang Polimer

Polimer tersusun atas perulangan monomer menggunakan ikatan kimia tertentu. Ukuran polimer, dinyatakan dalam massa (massa rata-rata ukuran molekul dan jumlah rata-rata ukuran molekul) dan tingkat polimerisasi, sangat mempengaruhi

sifatnya, seperti suhu cair dan viskositasnya terhadap ukuran molekul (misal seri hidrokarbon).

Untuk aplikasi yang lebih luas, polimer dapat dibedakan antara polimer termoplastik, polimer termoset dan polimer elastomer. Beberapa contoh polimer termoplastik antara lain adalah PTFE (teflon), Polyethylene Terephthalate (soda bottles), High-Density Polyethylene (Dish Soap Bottles, Milk Jugs), Polyvinyl Chloride (Plumbing, Shampoo Bottles), Low-Density Polyethylene (Film, Stretch Wrap), Polypropylene (Pediatric Containers), Polystyrenes (Plastic Plates, Styrofoam) dan Composite (Milk Cartons). Sementara itu, beberapa polimer termoset antara lain adalah Phenolic (Cookware, Knobs, dan Handles), Urea-Formaldehyde (Bottle Caps, Electrical Fittings), Epoxies (Surface Coatings, Composites) dan SBR Rubbers (ban). Sedangkan polimer elastomer dapat berupa termoset (membutuhkan vulkanisasi) maupun berupa termoplastik. Beberapa contoh polimer elastomer antara lain adalah karet tak saturasi (unsaturated) seperti karet alam, polyisoprene, polybutadine, maupun karet chloroprene.

2.3 Metode Elemen Hingga

Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis dari suatu gejala fisik. Tipe masalah teknis dan matematis phisis yang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu kelompok analisa struktur dan kelompok masalah-masalah non struktur.

1. Analisa tegangan/Stress, meliputi analisa Truss dan Frame serta masalah-masalah yang berhubungan dengan tegangan-tegangan yang terkonsentrasi.

2. Buckling

3. Analisa getaran

Masalah non struktur yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode ini meliputi:

1. Perpindahan panas dan massa

2. Mekanika fluida, termasuk aliran fluida lewat media porus 3. Distribusi dari potensial listrik dan potensial magnet

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada umumnya sulit dipecahkan melalui matematis analisis. Hal ini disebabkan karena matematis analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji.

Penyelesaian analisis dari suatu persamaan diferensial suatu geometri yang kompleks, pembebanan yang rumit, tidak mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.

Metode ini akan menggunakan pendekatan terhadap-harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan permodelan dari suatu benda dengan membagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum pembagian.

Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam menggunakan Metode Elemen Hingga dirumuskan sebagai berikut:

1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi.

Amatilah benda atau struktur yang akan dianalisa, apakah satu dimensi (contoh batang panjang), dua dimensi (plate datar) atau tiga dimensi (seperti balok). Macam dan tipe elemen dasar yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Bentuk-bentuk elemen dasar. [7] (a) : elemen garis (1 dimensi)

(b) : Elemen segitiga dan segiempat (2 dimensi) (c) : Elemen tetrahedra dan balok (3 dimensi) (d) : Elemen segitiga axismetri

yang akan dianalisa, sedangkan bentuk elemen yang diambil bergantung pada dimensinya. Connecting rod merupakan bagunan solid tiga dimensi, maka kita dapat meninjau tiap elemennya. Seperti yang terlihat pada gambar 2.2, dapat dimisalkan bentuk tiap elemenya berbentuk tetrahedra.

Gambar 2.2 Elemen Tetrahedral.[7]

Gambar 2.2, merupakan elemen tetrahedral dengan 3 dimensi, yang memiliki 4 node untuk 1 elemen.

2. Pemilihan Fungsi Displacement

Dengan memperhatikan urutan penomoran, dimana nomor yang terakhir (= 4) ditentukan lebih dahulu. Nomor-nomor lainnya ditentukan searah dengan kebalikan jarum jam.

{q} =                           4 4 4 1 w v u . . 1 1 w v u (2.1)

Fungsi displacement {q} u, v, w harus merupakan fungsi linier karena hanya ada dua node yang membatasi sebuah rusuk elemen. Masing-masing fungsi displacement tersebut adalah

u(x,y,z) = a1 + a2x + a3y + a4z

v(x,y,z) = a5 + a6x + a7y + a8z

w(x,y,z) = a9 + a10x + a11y + a12z (2.2)

dengan syarat batas : pada (x,y,z), u = u1 pada (x,y,z), u = u2

}] ) ( ) ( ) ( ) [{( 6 1 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 u z y x u z y x u z y x u z y x v u δ γ β α δ γ β α δ γ β α δ γ β α + + + + + + + + + + + + + + + = dan seterusnya dihasilkan: }] ) ( ) ( ) ( ) [{( 6 1 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 v z y x v z y x v z y x v z y x v v δ γ β α δ γ β α δ γ β α δ γ β α + + + + + + + + + + + + + + + = (2.3)

}] ) ( ) ( ) ( ) [{( 6 1 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 w z y x w z y x w z y x w z y x v w δ γ β α δ γ β α δ γ β α δ γ β α + + + + + + + + + + + + + + + =

Dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut ini.

            = 4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 z y x 1 z y x 1 z y x 1 z y x 1 6v (2.4)

V menyatakan volume dari elemen tetrahedra. Koefisien αi , βi , γi , δi

          = 4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 z y x z y x z y x α

, ( i = 1,2,3,4) dalam persamaan 2.4, diberikan sebagai berikut:

          − = 4 4 3 3 2 2 1 z y 1 z y 1 z y 1 β           = 4 4 3 3 2 2 1 z x 1 z x 1 z x 1 γ           − = 4 4 3 3 2 2 1 y x 1 y x 1 y x 1 δ           − = 4 4 4 3 3 3 1 1 1 2 z y x z y x z y x α           − = 4 4 3 3 1 1 2 z y 1 z y 1 z y 1 β           − = 4 4 3 3 1 1 2 z x 1 z x 1 z x 1 γ           = 4 4 3 3 1 1 2 y x 1 y x 1 y x 1 δ

          = 4 4 4 2 2 2 1 1 1 3 z y x z y x z y x α           − = 4 4 2 2 1 1 3 z y 1 z y 1 z y 1 β           = 4 4 2 2 1 1 3 z x 1 z x 1 z x 1 γ           − = 4 4 2 2 1 1 2 y x 1 y x 1 y x 1 δ           − = 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 z y x z y x z y x α           − = 3 3 2 2 1 1 4 z y 1 z y 1 z y 1 β           − = 3 3 2 2 1 1 4 z x 1 z x 1 z x 1 γ           = 3 3 2 2 1 1 2 y x 1 y x 1 y x 1 δ (2.5)

Fungsi displacement dalam kaitannya dengan fungsi bentuk N ditulis sehingga persamaan 2.5, dapat disederhanakan menjadi:

                                                =         4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 N 0 0 N 0 0 N 0 0 0 0 0 N 0 0 N 0 0 N 0 0 0 0 0 N 0 0 N 0 0 N 0 0 w v u w v u w v u w v u N N N w v u (2.6) Dimana, v z y x N 6 )

( _{1 1 1 1}

1

δ γ β

α + + +

= v z y x N 6 )

( 2 2 2 2

2

δ γ β

α + + +

= v z y x N 6 )

( _{3 3 3 3}

3

δ γ β

α + + +

= v z y x N 6 )

( 4 4 4 4

4

δ γ β

α + + +

=

(2.7)

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

{ }

                                    ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ =                     = z u x w y w z v x v y u z w y v x u zx yz xy z y x γ γ γ ε ε ε ε (2.8)

Dikalikan dengan matriks [B], strain dinyatakan sebagai:

{ }

ε =

[ ]

B

{ }

q

(2.9)

Dimana

[ ]

  



= B−1 B−2 B−3 B−4

B (2.10) Sub matriks     − 1

                    =     − x z y z y z y x N N N N N N N N B , 1 , 1 , 1 , 1 x 1, , 1 , 1 , 1 , 1 1 0 0 0 N 0 0 0 0 0 0 (2.11) Catatan:

1. Indeks huruf dibelakang koma menyatakan differensial dari N1

2. Untuk sub matrik lain

terhadap x. − − − 4 3 2,B ,B

B tinggal mengganti indeks 1 pada persamaan (2.10) berturut-turut dengan 2,3 dan 4.

Dengan memasukkan harga Ni

                    =     − 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 β

δ δ γ

β γ δ γ β v B

dari persamaan (2.10) (i = 1,2,3,4) ke persamaan (2.11) diperoleh sub matrik :

(2.12)

Demikian pula untuk sub matriks

    − 2 B ,     − 3 B ,     − 4 B

Maka hubungan stress-strain diberikan melaui persamaan {σ} = [c] {ε}

Beberapa kelebihan dalam penggunaan metode ini adalah :

1. Benda dengan bentuk yang tidak teratur dapat dengan mudah dianalisa 2. Tidak terdapat kesulitan dalam menganalisa beban pada suatu struktur

3. Permodelan dari suatu benda dengan komposisi materi yang berlainan dapat dilakukan karena tinjauan yang dilakukan secara individu untuk setiap elemen.

4. Dapat menangani berbagai macam syarat batas dalam jumlah yang tak terbatas

5. Variasi dalam ukuran elemen memungkinkan untuk memperoleh detail analisa yang diinginkan.

6. Dapat memecahkan masalah-masalah dinamik (time dependent)

Kekurangan yang terdapat dalam penggunaan metode ini adalah diperlukannya komputer sebagai alat hitung yang lebih cepat dan akurat.

2.4. MSC/NASTRAN 4.5

Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan dengan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation. Perengkat lunak ini adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan MSC/NASTRAN, kita dapat mengimpor geometri CAD (Computer Aided Design) ataupun dengan membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN.

Tidak ada masalah dimana kita membuat geometry, kita dapat memakai untuk membuat model elemen hingga yang lengkap. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode : secara manual sampai automatik. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN’s libraries. Demikian juga banyak type kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan kerancangan.

Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi. digunakan karena praktis, lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen hingga mendekati masalah yang sebenarnya.

Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Dan kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya.

Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between, Generate Region, On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan sifat material

dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN libraries. MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap langkah proses modelling dan masih banyak lagi keunggulan dan kemudahan yang disediakannya.

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Pendahuluan

Bab ini berisikan metodologi yang digunakan untuk menyalesaikan permasalahan pada skripsi ini. Secara umum metodologi yang digunakan dalam skripsi ini dibagi kedalam beberapa 3 tahapan yaitu: (1) Survei data berupa spesifikasi data Silinder jalan yang dijadikan studi kasus (2) Permodelan mekanisme dengan software Autocad 2000 ; (3) Analisa statis, dan analisa FEA menggunakan Msc.Nastran 4.5. Hasil dari analisa komputer akan ditampilkan pada bab IV.

Dalam skripsi ini dilakukan studi kasus terhadap pembebanan silinder jalan komersial. Survei dilakukan langsung terhadap silinder jalan komersial yang tersedia di Lab Impak S2, dimana data yang diperoleh dapat dilihat pada gambar 3.1. Kemudian dilakukan Penyelidikan secara simulasi dilaksanakan si IC-STAR USU. Permodelan dengan menggunakan bantuan software Autocad 2000 untuk memperoleh assembly dari Silinder jalan. Hasil permodelan dikirim ke software Msc.Nastran for Windows.

3.2. Tempat dan Waktu 3.2.1. Tempat

Penelitian dengan simulasi komputer dilaksanakan di IC-Star USU dengan menggunakan software Msc. Nastran

3.1.2. Waktu

3.3. Stick cone Komersial

Stick cone komersial dengan bahan polimer Polypropylene, benar-benar

disain yang sederhana, dengan pondasi yang luas. Stick cone komersial yang banyak dikomsumsi oleh masyarakat telah memenuhi standart uji sesuai dengan Dirjen Perhubungan No. 116 Tahun 1997, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1 dibawah ini.

Badan silinder terbuat dari bahan Polypropylene dengan bentuk yang simetris. Ketebalan dari silinder kulit adalah sekitar 2,53mm s.d 4,15mm. Tingginya silinder 1000 mm dan beratnya adalah 1,865kg. Diameter sebelah dalam dari alas silinder adalah 220 mm, dan diameter dari puncak dari silinder adalah 140 mm, seperti ditunjukkan pada gambar 3.1, silinder polimer komersial.

Gambar. 3.1. Marka silinder Komersial 140

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa stick cone dirancang sedemikian rupa dan harus dapat memantulkan cahaya pada malam hari dengan menggunakan butiran kristal kaca. [SK Dirjen Perhubungan No. 116 Tahun 1997]. Sebagai marka jalan yang tidak permanen, stick cone harus bisa dipindah-pindahkan dengan mudah dengan tetap mempertimbangkan berat total dari suatu stick cone. Seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk pengembangan diskusi dan aplikasi lebih lanjut dengan menggunakan suatu pengetahuan dari dinamika dan mekanika dari bahan-bahan untuk perancangan suatu silinder lalu lintas.

3.4 Diagram Alir Simulasi

Dalam skripsi ini, aliran proses simulasi menggunakan bantuan komputer meliputi, yaitu (1) Proses pemodelan untuk membuat silinder jalan dengan bantuan software auocad 2000 dan (2) Simulasi permodelan dengan menggunakan software Msc. Nastran 5.4 for Windows (gambar 3.2). Dengan menggunakan flow chart akan memudahkan dalam menganalisa tahapan-tahapan dalam proses simulasi tersebut. Pada gambar 3.3 berikut ini disajikan diagram flow chart yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Autocad 2002 Berhasil ?

Ya

Tidak

Membuat produk jadi satu bagian solid

Membuat Geometry dari silinder jalan.

MULAI

Di eksport dalam format *.sat

Periksa kesolidan produk dan pastikan

menggunakan

autocad 2002 kebawah

Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4.5 for Windows B

A Berhasil ?

Ya

Tidak Proses

MESHING Menetapkan UKURAN MESH

Mendefenisikan MATERIAL (Polypropylene solid)

Mengimport GEOMETRY

ASSEMBLY

Mendefenisikan PROPERTIES (Modulus, poison rasio)

Gambar 3.4 Diagram Alir Simulasi Dengan Nastran 4..5 for Windows (Lanjutan)

Tidak

Ya

B A

Proses ANALYZING

Berhasil ? Menetapkan

BEBAN (LOAD = 85 N)

Menetapkan CONSTRAINT

(pinned)

Proses Penampilan Hasil

• Gaya-gaya Dinamis

• Distribusi Tegangan (FEA) • Titik konsentrasi tegangan

3.5 Penentuan Sifat Fisik Dan Mekanik dari Material 1. Polypropylene

Polypropylene adalah salah satu bahan yang biasa digunakan untuk pembuatan silinder

jalan. Adapun sifat fisis dan mekanis dari bahan Polypropylene adalah sebagai berikut : Tabel 3.1 Sifat Fisis dan Mekanis Material Polypropylene

No. Sifat Fisis Nilai

1 Density 890 kg/m3

2 Modulus of Elasticity 0,9 Gpa

3 poisson's ratio 0.42

4 yield stress 35 Mpa

5 ultimate stress 45 Mpa

Sumber

3.6 Prosedur Simulasi

3.6.1 Permodelan Silinder jalan

Karena keterbatasan software Msc. Nastran 4.5 dalam hal permodelan, maka proses permodelan akan menggunakan bantuan software Autocad 2000. dengan menggunakan autocad 2000 pemodelan dibuat 3 dimensi dalam bentuk solid sehingga dapat diekspor dalam format *.sat. dengan format tersebut mampu dibaca secara baik oleh Msc. Nastran 4.5 baik dimensi maupun geometri objeknya.

3.6.2 Proses import ke Msc Nastran

Hasil asembling pada gambar 3.5, kemudian di export ke Software simulasi. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software komputer Msc.VisualNastran Dekstop 2004, dimana software program ini mampu melakukan analisis pembebanan statis dan dinamis, analisa temperatur temperatur, deformasi, defleksi, tegangan pada truss, dan sebagainya. Pada gambar 3.5 merupakan tampilan awal Msc.Nastran 4.5.

Gambar 3.5 Tampilan Pembuka Msc. Nastran 4.5

Adapun proses import ke dari autocad dilakukan langsung dari program Msc. Nastran yaitu dari menu file pilih import geometri. Maka akan tampak tampilan seperti Gambar 3.6, lalu klik OK.

Gambar 3.6. Tampilan proses import 3.6.3. Mendefenisikan Material Properties

Langkah selanjutnya adalah menentukan sifat material silinder jalan. Jenis material adalah polimer termoplatik yaitu jenis Polypropylene dengan nilai material properties seperti tabel 3.1 Langkah mendefenisikan material properties adalah: Pilih model > Material. Lalu masukan nilai material properties sesuai dengan tabel 3.1. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat seperti terlihat pada Gambar 3.7.

3.6.4. Mendefinisikan Element/Property type

Untuk mendefinisikan karakteristik geometri, maka langkah prosesnya adalah dari menu Model >Property. Lalu pilih jenis material yang diinginkan dan jenis element yang akan dianalisa, disini kita pilih elemen solid seperti Gambar 3.8.

Gambar 3.8. Tampilan element type

3.6.5. Proses Meshing

Ukuran mesh sangat mempengaruhi hasil dalam analisa ini. Namun dalam skripsi ini tidak dibahas lebih lanjut mengenai pengaruh ukuran tersebut Mengingat keterbatasan sistem komputer yang digunakan, disini Proses menerapkan ukuran mesh ini dilakukan secara otomatis. Yaitu dengan langkah sebagai berikut : pilih menu mesh > geometry >

solid. Tampilan penerapan mesh tampak pada gambar 3.9 dan hasilnya seperti pada

Gambar 3.10.

Gambar 3.9. Tampilan penerapan meshing

3.6.6. Penerapan Constraint

Pada penerapan constraints langkah perintahnya adalah pilih menu model >

constraint > set. Masukan nama pada constraint lalu klik OK. Kemudian pilih menu model > constraint > on surface, lalu pilih bagian bawah silinder sebagai constraint

dan pilih jenis constraint pinned. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat seperti terlihat pada Gambar 3.11.

3.6.7. Penerapan Load

Dalam software nastran tersedia berbagi bentuk pembebanan, diantaraya adalah dalam bentuk gaya (focse) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). Beban yang dimasukkan kesimulasi adalah dalam bentuk tegangan mak dipilih pembebanan dalam bentuk tegangan = 17 Mpa arah face.

Besar nilai pembebanan diasumsikan sebagai gaya sentuh yaitu sebesar 85 N. Sehingga pembebanan dalam bentuk tegangan sebesar 17 Mpa, Untuk memasukkan nilai pembebanan dilakukan dengan cara: pilih menu model> load >set > on element

> Dapat dilihaat seperti Gambar 3.12.

3.6.8. Proses Analyzing

Untuk menganalisa dilakukan dengan cara: pilih menu file > Analyze > OK. Lihat

Gamabar 3.13.

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pendahuluan

Silinder jalan yang digunakan sebagai spesimen pada penelitian ini adalah silinder komersial yang banyak dijual dipasaran dan digunakan sebagai pengarah jalan. Bentuk silinder jalan yang akan disimulasikan pada penelitian ini adalah silinder dengan material Polypropilene.

Respon yang terjadi pada lokasi impak tidak dapat dilakukan secara langsung, sehingga untuk mengamati respon ini dilakukan simulasi komputer. Dengan simulasi tersebut dapat diamati distribusi tegangan pada seluruh permukaan silinder jalan dengan menggunakan software AutoCAD dan MSC/NASTRAN 4.5, untuk menggambar silinder jalan menggunakan AutoCAD dengan pemodelan yang mendekati bentuk silinder jalan sebenarnya dan Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan dengan bantuan MSC/NASTRAN 4.5.

4.2. Simulasi Silinder jalan komersial

Simulasi komputer berbasis metoda elemen hingga modelnya dipersiapkan dalam dua tahap, yaitu model solid dan model elemen hingga. Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, silinder jalan dimodelkan dengan bantuan software AutoCAD, silinder jalan di gambar sesuai dengan dimensi dan geometri silinder jalan yang sebenarnya (Gambar 4.1).

X Y Z

X 3794.667

6294.667 8794.667

11294.67 13794.67

Y 0.

2500.5000. 7500.10000.

12500. V1

Gambar 4.1. Ukuran silinder jalan komersial

Pemodelan dengan elemen hingga dikerjakan menggunakan software MSC/NASTRAN 4.5 dengan meng-import dari model AutoCAD (Gambar 4.2).

Gambar 4.2. silinder jalan komersial

Model elemen hingga dan arah impak pada silinder jalan ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4, masing-masing silinder jalan, untuk melihat

distribusi tegangan pada permukaan silinder, arah pengimpakan dilakukan pada arah impak atas yang diasumsikan akibat tabrakan mobil, impak tiga perempat ketinggian akibat tabrakan motor, impak setengah ketinggian akibat pengujian bandul[1]. Bentuk elemen yang digunakan adalah elemen solid tetrahedral 4 node. Penyelesaian metoda elemen hingga diupayakan semaksimal mungkin untuk menyederhanakan kondisi sebenarnya. Penelitian ini hanya simulasi maka meterial propertis dipilih

Polypropilene.

Gambar 4.3 Lokasi Impak pada silinder

(b) Impak pada tiga perempat ketinggian

Gambar 4.4. Lokasi impak pada silinder jalan (lanjutan) 4.2.1. Impak Atas

Silinder jalan yang sudah dimodel dipindahkan ke MSC/NASTRAN 4.5 dengan meng-import gambar dari AutoCAD, dalam MSC/Nastran 4.5 analisa bisa dilakukan dengan mengambil sepenuhnya model yang sebenarnya. Agar silinder jalan sesuai dengan bentuk sebenarnya maka perbandingan skala silinder jalan harus disesuaikan dengan perbandingan 1:1, hasil dapat dilihat pada Gambar 4.5. Dalam simulasi bentuk elemen yang digunakan adalah elemen solid tetrahedral empat node. Jumlah elemen yang akan terbentuk pada model silinder jalan tergantung pada ukuran silinder jalan (elemen size) yang terdapat pada kotak dialog (Gambar 4.6).

X Y Z

X 3794.667Y 6294.6678794.66711294.6713794.6716294.67 0.

2500. 5000. 7500. 10000. 12500. V1

Gambar 4.5. Model silinder jalan di Nastran Setelah di import dari AutoCAD

.

Elemen size dipilih otomatis, dari hasil mesh diketahui jumlah elemen silinder jalan

adalah 10276 dan jumlah node 3257 (Gambar 4.7).

Gambar 4.7. Silinder jalan yang sudah di mesh

Setelah itu pemilihan material silinder jalan yang disimulasikan adalah Polypropilene. Di dalam kotak dialog (Gambar 4.8) telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekaniknya.

Gambar 4.8. Kotak dialog jenis material

Bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog untuk material otomatis akan terisi. Karena material silinder jalan yang diinginkan tidak terdapat pada daftar maka sifat-sifat mekanik material Polypropilene dapat kita tulis dikotak dialog secara manual, data yang dibutuhkan untuk simulasi seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog pada Gambar 4.9. Ukuran silinder jalan ketika dimodelkan dengan software AutoCAD dibuat dalam satuan milimeter, sehingga data yang dimasukkan dalam satuan milimeter:

• Youngs Modulus, E = 0,9 GPa

• Poisson’s Ratio = 0,42

Gambar 4.9. Kotak dialog material dan sifat mekaniknya

Karena beban impak diberikan dari sebelah atas silinder jalan maka pada MSC/Nastran artinya beban impak diberikan dalam arah sumbu y, maka untuk gerakan translasi silinder jalan harus di constraint permukaan bawahnya dalam bentuk pinned karena pada arah sumbu ini silinder jalan akan bertranslasi setelah kena beban impak[1].

Di dalam software Nastran tersedia berbagai bentuk pembeban, diantaranya adalah dalam bentuk gaya (Force) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). Pemberian beban diasumsikan akibat gaya sentuh sebuah bola uji bandul dengan massa 8,5 Kg.

A = Luas daerah pembebanan, = 2

4d

dimana d = diameter permukaan silinder yang menyentuh bola (1,6 mm) A = 2

4d

π

= (1,6)2 4

14 , 3

= 5 mm

A F

=

σ

2

Maka tegangan adalah:

= 5 85

≈17 Mpa

Beban yang dimasukkan ke simulasi adalah dalam bentuk tegangan maka dipilih pembebanan dalam bentuk tegangan = 17 MPa arah face = 1 di elemen 13013 untuk impak atas. Hasil tampilan silinder jalan yang diberikan beban seperti gambar 4.9. Beban yang diberikan adalah beban impak atau beban dinamis maka dalam simualsi ini diperlukan pembebanan dalam bentuk dinamis dan pembagian waktu pembebanan untuk time perstep seperti gambar 4.10.

Gambar 4.10. Silinder jalan yang diberikan beban

Beban yang diberikan adalah beban impak atau beban dinamis maka dalam simualsi ini diperlukan pembebanan dalam bentuk dinamis dan pembagian waktu pembebanan untuk time perstep seperti gambar 4.11. Nilai masukan untuk jumlah langkah dan waktu per langkah disamakan dari penilitian sebelumnya yaitu:

•Masukkan Number of Steps = 30

Gambar 4.11. Kotak dialog beban dinamis

Tegangan fungsi waktu diamati pada lokasi permukaan helm, yaitu: pada lokasi diberinya beban impak, untuk melihat tegangan fungsi waktu pada lokasi beban impak untuk kedua bentuk helm pada Gambar 4.14. Respon tegangan yang terjadi pada lokasi ini terlihat adanya perbedaan baik besarnya respon maupun bentuk gelombang penjalarannya. Maka untuk waktu impak tegangan insiden adalah (Gambar 4.12), dan kurva tegangan Insiden vs waktu impak(Gambar 4.13).

Gambar 4.12 Kotak Dialog Model Fungsi

0. .0587 0.117 0.176 0.235 0.294 0.352 0.411 0.47 0.528 0.587 0.646 0.704 0.763 0.822 0.881 0.939 0.998

0. 0.00462 0.00925 0.0139 0.0185 0.0231 0.0277 0.0324 0.037 0.0416 0.0462 0.0509 0.0555 0.0601 0.0648 0.0694 0.074 74E-3/25

Gambar 4.13 Kurva Tegangan Insiden vs Waktu Impak

Tegangan fungsi waktu diamati pada lokasi permukaan silinder, yaitu: pada lokasi diberinya beban impak, untuk melihat tegangan fungsi waktu pada lokasi beban impak untuk bentuk silinder jalan. Respon tegangan yang terjadi pada lokasi ini

terlihat adanya perbedaan baik besarnya respon maupun bentuk gelombang penjalarannya.

Langkah terakhir untuk menganalisa silinder jalan maka pada kotak dialog Nastran pada gambar 4.14. analysis control pilih:

Analysis Type = 3..Transient Dynamic/Time Output Type = 2..Displacements and stress

Gambar 4.14. Nastran analysis control

Sebagaimana diketahui bahwa efek pembebanan secara impak pada suatu struktur berbeda dengan beban statik, dengan beban impak berlaku fenomena penjalaran tegangan; gelombang tegangan dapat berpropagasi dan terefleksi pada batas bebas menuju lokasi impak. Gelombang dapat bertubrukan sesamanya dan membentuk daerah pemusatan tegangan yang mampu merusak struktur. Perlu dicatat bahwa pada kasus ini tegangan yang dilihat dari hasil pengimpakan adalah tegangan pada arah depan dari silinder jalan (Frontal).

Pengimpakan arah atas silinder jalan dengan beban yang dimasukkan pada Load – Elemental – Pressure = 17 MPa maka distribusi tegangan VonMises marka silinder 3D dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 .

Gambar 4.15. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

Gambar 4.15. Distribusi tegangan solid VonMises stress serta tegangan impak sebesar 17 MPa

pada elemen 11792 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan Von

X Y Z

X 3794.667Y6294.6678794.66711294.6713794.6716294.67 0.

2500. 5000. 7500. 10000. 12500.

T T

T T

T T

17.

T T T

89.85 84.23 78.62 73. 67.39 61.77

56.16

50.54 44.93 39.31 33.7

28.08

22.47 16.85

11.23

5.619 0.00413 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Von Mises Stress

Mises maksimum pada 84,85 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka

silinder mengalami perubahan letak.

Gambar 4.16. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

X Y Z

X 3794.667Y6294.6678794.66711294.6713794.6716294.67 0.

2500. 5000. 7500. 10000. 12500.

T T

T T

T T

17.

T T T

12.1 10.27 8.438 6.606 4.773 2.941

1.109

-0.724 -2.556 -4.388 -6.221

-8.053

-9.886 -11.72

-13.55

-15.38 -17.22 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid X Normal Stress

serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 11792 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per

step 0,0088.

Gambar 4.16. Distribusi tegangan normal sumbu-x impak atas

Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-X maksimum pada 12,1 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

Gambar 4.17. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

X Y Z

X 3794.667Y6294.6678794.66711294.6713794.6716294.67 0.

2500. 5000. 7500. 10000. 12500.

T T

T T

T T

17.

T T T

13.01 11.34 9.67 7.998 6.326 4.654 2.981 1.309 -0.363 -2.035 -3.708

-5.38

-7.052 -8.725

-10.4 -12.07 -13.74

V1 L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Y Normal Stress

serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 11792 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per

step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi

tegangan searah sumbu-Y maksimum pada 13,01 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

X Y Z

X 3794.667Y6294.6678794.66711294.6713794.6716294.67 0.

2500. 5000. 7500. 10000. 12500.

T T

T T

T T

17.

T T T

94.71 82.89 71.06 59.24 47.41 35.59

23.76

11.94 0.11 -11.72 -23.54

-35.37

-47.19 -59.02

-70.84

-82.67 -94.49 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Z Normal Stress

Gambar 4.18. Distribusi tegangan normal sumbu-z impak atas

Gambar 4.18. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

Setelah melakukan analisa distribusi tegangan yang terjadi pada marka silinder, maka selanjutnya akan diperoleh grafik penjalaran distribusi tegangan yang terjadi pada elemen tersebut. Pada simulasi ini dilakukan pada beberapa titik yaitu titik 1

serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 11792 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-Z maksimum pada 94,71 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020. waktu penjalaran 0,880 detik dengan time per step 0,0088 detik, dan constraint pinned dilakukan pada dasar marka silinder.

Gambar 4.19, 4.20, 4.21 memperlihatkan grafik solid von misses, normal x, dan normal y pada titik 1 elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020, titik 4 elemen 9067.

1: Solid Von Mises Stress, Element 13013

2: Solid Von Mises Stress, Element 9385

3: Solid Von Mises Stress, Element 10020 4: Solid Von Mises Stress, Element 9067 35.78

26.81 17.84 8.864 0.107 9.079 18.05 27.02 35.99 44.97 53.94 62.91 71.88

-6.773E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264

Set Value 0.

3.355

0.

22.07

0.

44.97

0.

71.88

1: Solid X Normal Stress, Element 13013

2: Solid X Normal Stress, Element 9385 3: Solid X Normal Stress, Element 10020 4: Solid X Normal Stress, Element 9067 35.78 26.81 17.84 8.864 0.107 9.079 18.05 27.02 35.99 44.97 53.94 62.91 71.88

-6.773E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value 0. 0.0199 -0.0303 0. -0.00275 0.0352 0. 2.719

Gambar 4.20. Grafik solid x normal stress pada elemen 13013,9385,10020,9067.

1: Solid Y Normal Stress, Element 13013

2: Solid Y Normal Stress, Element 9385 3: Solid Y Normal Stress, Element 10020 4: Solid Y Normal Stress, Element 9067 35.78 26.81 17.84 8.864 0.107 9.079 18.05 27.02 35.99 44.97 53.94 62.91 71.88

-6.773E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value -0.0153 0.25 -0.104 0.075 -0.0506 0.0618 0. 3.833

Gambar 4.22. adalah grafik solid normal stress yang terjadi pada ketiga titik masing-masing 13013,9385,10020,9067 yang dianalisa pada sumbu Z. Dari hasil analisa dapat diketahui bahwa tegangan maksimum terjadi pada titik

2mencapai 21,55 MPa dengan waktu 0.20 detik.

1: Solid Z Normal Stress, Element 13013

2: Solid Z Normal Stress, Element 9385 3: Solid Z Normal Stress, Element 10020 4: Solid Z Normal Stress, Element 9067 35.78

26.81 17.84 8.864 0.107 9.079 18.05 27.02 35.99 44.97 53.94 62.91 71.88

-6.773E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value

0.

2.316

0.

21.55

-44.75 0.

0.

70.37

Gambar 4.22. Grafik solid z normal stress pada elemen 13013,9385,10020,9067.

Dengan demikian dapat diambil kesimpulan pada tabel 4.1. dimana tegangan yang terjadi akibat tegangan impak yang menjalar dari atas marka silinder menjalar ke bawah mendekati base dari marka silinder dengan jarak bervariasi untuk setiap elemennya sehingga diperoleh nilai tegangan maksimum untuk tegangan VonMises, Normal sumbu-X, Normal sumbu-Y, normal sumbu-Z

Elemen Tegangan Maksimum (MPa)

VonMises Sumbu-X Sumbu-Y Sumbu-Z

13013

(titik 1) 3,355 0,0199 0,25 2,316

9385

(titik 2) 22,67 -0,030 0,075 21,55

10020

(tittik 3) 44,97 0,035 0,0618 -44,75

9067

(titik 4) 71,88 2,179 3,833 70,37

4.2.2. Impak pada tiga perempat ketinggian

Pengimpakan dilakukan pada ketinggian tiga perempat silinder jalan dengan beban yang masukkan pada Load – Elemental – Pressure = 17 MPa maka distribusi tegangan VonMises marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

X Y

Z

X 3794.667 6294.667 8794.66711294.67 13794.67

16294.67 0. 2500.5000.7500.10000.12500.Y T

T T T

T T

17.

T

T T

48.88 45.82 42.77 39.71 36.66 33.6

30.55

27.5 24.44 21.39 18.33

15.28

12.22 9.169

6.114

3.06 0.00543 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Von Mises Stress

pada elemen 14660 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088 diperlihatkan pada gambar 4.23. dibawah ini.

Gambar 4.24. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

X Y

Z

X 3794.667 6294.667 8794.66711294.67 13794.67

16294.67 0. 2500.5000.7500.10000.12500.Y T

T T T

T T

17.

T

T T

6.596 5.7 4.805 3.91 3.014 2.119

1.224

0.328 -0.567 -1.463 -2.358

-3.253

-4.149 -5.044

-5.939

-6.835 -7.73 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid X Normal Stress

serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 14660 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time

per step 0,0088.

Gambar 4.24. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X.

Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-X maksimum pada 6,59 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

X Y Z

X 3794.667 6294.667 8794.66711294.67 13794.67

16294.67 0. 2500.5000.7500.10000.12500.Y T

T T T

T T

17.

T

T T

16.84 13.97 11.11 8.238 5.37 2.502

-0.366

-3.235 -6.103 -8.971 -11.84

-14.71

-17.58 -20.44

-23.31

-26.18 -29.05 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Y Normal Stress

Gambar 4.25. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y.

Gambar 4.25. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 14660 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan distribusi tegangan searah sumbu-Y maksimum pada 16,84 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

X Y Z

X 3794.667 6294.667 8794.66711294.67 13794.67

16294.67 0. 2500.5000.7500.10000.12500.Y T

TT T TT

17.

T

T T

51.5 45.06 38.63 32.19 25.76 19.32

12.89

6.451 0.0158 -6.419 -12.85

-19.29

-25.72 -32.16

-38.6

-45.03 -51.47 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Z Normal Stress

Gambar 4.26 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z.

Gambar 4.26. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2

Setelah melakukan analisa distribusi tegangan yang terjadi pada marka silinder, maka selanjutnya akan diperoleh grafik penjalaran distribusi tegangan yang terjadi pada elemen tersebut. Pada simulasi ini dilakukan pada beberapa titik yaitu titik 1 elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020, titik 4 elemen 9067. waktu serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 14660 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-Z maksimum pada 61,5 MPa pada waktu 0,264.

penjalaran 0,880 detik dengan time per step 0,0088 detik, dan constraint pinned dilakukan pada dasar marka silinder.

Gambar 4.27. 4.28, 4.29 memperlihatkan Grafik Solid VonMisses, normal x, dan normal y pada titik 1 elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020, titik 4 elemen 9067.

1: Solid Von Mises Stress, Element 11792

2: Solid Von Mises Stress, Element 14660 3: Solid Von Mises Stress, Element 11408 4: Solid Von Mises Stress, Element 9067 7.977

-5.15 2.322 0.506 3.333 6.161 8.989 11.82 14.64 17.47 20.3 23.13 25.95

-2.117E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value

0.

0.105

0.

7.389

0.

24.9

0.

27.79

1: Solid X Normal Stress, Element 11792

2: Solid X Normal Stress, Element 14660 3: Solid X Normal Stress, Element 11408 4: Solid X Normal Stress, Element 9067 7.977 -5.15 2.322 0.506 3.333 6.161 8.989 11.82 14.64 17.47 20.3 23.13 25.95

-2.117E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value -0.0162 0.0183 -0.948 0. -0.00467 0. 0. 1.087

Gambar 4.28 Grafik Solid X Normal Stress pada elemen 13013,9385,10020,9067

1: Solid Y Normal Stress, Element 11792

2: Solid Y Normal Stress, Element 14660 3: Solid Y Normal Stress, Element 11408 4: Solid Y Normal Stress, Element 9067 7.977 -5.15 2.322 0.506 3.333 6.161 8.989 11.82 14.64 17.47 20.3 23.13 25.95

-2.117E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value -0.0628 0.0603 -5.568 0. 0. 0.0781 0. 1.395

1: Solid Z Normal Stress, Element 11792

2: Solid Z Normal Stress, Element 14660 3: Solid Z Normal Stress, Element 11408 4: Solid Z Normal Stress, Element 9067 7.977

-5.15 2.322 0.506 3.333 6.161 8.989 11.82 14.64 17.47 20.3 23.13 25.95

-2.117E-10 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value

-0.00592 0.00641

-7.977

0.849 0.

24.88

0.

28.78

Gambar 4.30 Grafik Solid Z Normal Stress pada elemen 13013,9385,10020,9067

Gambar 4.30. adalah grafik solid normal stress yang terjadi pada ketiga titik masing-masing 13013, 9385, 10020, 9067 yang dianalisa pada sumbu Z. Dari hasil analisa dapat diketahui bahwa tegangan maksimum terjadi pada titik 2 mencapai 4,19 Mpa dengan waktu 0,125 detik.

Dengan demikian dapat diambil kesimpulan pada tabel 4.2 dimana tegangan yang terjadi akibat tegangan impak yang menjalar dari atas marka silinder menjalar ke bawah mendekati base dari marka silinder dengan jarak bervariasi untuk setiap elemennya sehingga diperoleh nilai tegangan maksimum untuk tegangan VonMises, Normal sumbu-X, Normal sumbu-Y, normal sumbu-Z.

Tabel 4.2. Tegangan setiap elemen pada tiga perempat ketinggian dengan variasi jarak

Elemen Tegangan Maksimum (MPa)

VonMises Sumbu-X Sumbu-Y Sumbu-Z

13013

(titik 1) 0,105 0,0183 0,0603 0,0064

9385

(titik 2) 7,389 -0,0467 -5,56 0,849

10020

(tittik 3) 24,9 -0,948 0,0701 24,88

9067

(titik 4) 27,79 1,089 1,395 28,78

4.2.3. Impak pada ketinggian setengah

Pengimpakan dilakukan pada ketinggian setengah silinder jalan dengan beban yang masukkan pada Load – Elemental – Pressure = 17 MPa maka distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 30 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 pada elemen 11408 dengan waktu penjalaran 0.880 detik dan time per step 0,0088. Gambar 4.31. menampilkan distribusi tegangan solid VonMisses.

XY Z

X 3794.6676294.6678794.6672500.0.11294.675000.13794.677500.16294.6710000.12500. Y

T

T T

T T T

17.

T T T

20.25 18.98 17.72 16.45 15.19 13.92

12.66

11.39 10.12 8.859 7.594

6.329

5.063 3.798

2.532

1.267 0.00153 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Von Mises Stress

Gambar 4.31. Distribusi Solid VonMises stress pasetengah ketinggian silinder Gambar 4.32. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 11408 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088.

XY Z

X 3794.6676294.6678794.6672500.0.11294.675000.13794.677500.16294.6710000.12500. Y

T

T T

T T T

17.

T T T

5.025 4.314 3.604 2.893 2.183 1.472

0.762

0.0509 -0.66 -1.37 -2.081

-2.791

-3.502 -4.213

-4.923

-5.634 -6.344 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid X Normal Stress

Gambar 4.32. Distribusi Tegangan Normal Sumbu-X pada pengimpakan setengah ketinggian silinder

Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-X maksimum pada 5,02 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

Gambar 4.33. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 serta tegangan impak sebesar 17 MPa.

XY Z

X 3794.6676294.6678794.6672500.0.11294.675000.13794.677500.16294.6710000.12500. Y

T

T T

T T T

17.

T T T

17.36 14.73 12.09 9.452 6.815 4.178

1.541

-1.096 -3.733 -6.37 -9.007

-11.64

-14.28 -16.92

-19.56

-22.19 -24.83 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Y Normal Stress

Gambar 4.33 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Y pada pengimpakan setengah ketinggian silinder

diberikan pada elemen 11408 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per step 0,0088. Pemberian beban impak pada waktu tersebut menghasilkan disribusi tegangan searah sumbu-Y maksimum pada 17,36 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

Gambar 4.34. memperlihatkan distribusi tegangan marka silinder 3D penjalaran case 31 dengan jumlah elemen 10276 dan jumlah node 20734 dikenai gaya sentuh sebesar 85 N dengan luasan 5 mm2 serta tegangan impak sebesar 17 MPa diberikan pada elemen 11408 dengan waktu penjalaran 0.880 mdetik dan time per

tegangan searah sumbu-Z maksimum pada 17,21 MPa pada waktu 0,264 detik menyebabkan marka silinder mengalami perubahan letak.

XY Z

X 3794.6676294.6678794.6672500.0.11294.675000.13794.677500.16294.6710000.12500. Y

T

T T

T T T

17.

T T T

17.21 15.06 12.91 10.76 8.608 6.457

4.306

2.156 0.00511 -2.146 -4.296

-6.447

-8.597 -10.75

-12.9

-15.05 -17.2 V1

L1 C1

Output Set: Case 31 Time 0.264 Contour: Solid Z Normal Stress

Gambar 4.34 Distribusi Tegangan Normal Sumbu-Z

Setelah melakukan analisa distribusi tegangan yang terjadi pada marka silinder, maka selanjutnya akan diperoleh grafik penjalaran distribusi tegangan yang terjadi pada elemen tersebut. Pada simulasi ini dilakukan pada beberapa titik yaitu titik 1 elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020. waktu penjalaran 0,880 detik dengan time per step 0,0088 detik, dan constraint pinned dilakukan pada dasar marka silinder.

Gambar 4.35, 4.36, 4.37 menampilkan Grafik Solid VonMisses, normal x, dan normal y pada titik 1elemen 13013, titik 2 elemen 9385, titik 3 elemen 10020, titik 4 elemen 9067.

1: Solid Von Mises Stress, Element 13013

2: Solid Von Mises Stress, Element 9385 3: Solid Von Mises Stress, Element 10020 4: Solid Von Mises Stress, Element 9067

0. 0.895 1.79 2.685 3.58 4.475 5.37 6.265 7.16 8.055 8.95 9.845 10.74 11.64

0. 0.0203 0.0406 0.0609 0.0812 0.102 0.122 0.142 0.162 0.183 0.203 0.223 0.244 0.264 Set Value 0. 0.126 0. 1.78 0. 3.658 0. 11.64

Gambar 4.35 Grafik Solid VonMises pada elemen 13013, 9385, 10020, 9067.

1: Solid X Normal Stress, Element 13013

2: Solid X Normal Stress, Element 9385 3: Solid X Normal Stress, Element 10020 4: Solid X Normal Stress, Element 9067 0.00308 0.0316 0.0663 0.101 0.136 0.17 0.205 0.24 0.274 0.309 0.344 0.379 0.413 0.448

0. 0.022 0.044 0.066 0.088 0.11 0.132 0.154 0.176 0.198 0.22 0.242 0.264

Set Value -0.00175 0.00165 -0.00308 0. 0. 0.143 0. 0.448

1: Solid Y Normal Stress, Element 13013

2: Solid Y Normal Stress, Element 9385 3: Solid Y Normal Stress, Element 10020 4: Solid Y Normal Stress, Element 9067 0.028 .0184 .0649 0.111 0.158 0.204 0.251 0.297 0.343 0.39 0.436 0.483 0.529 0.576

0. 0.022 0.044 0.066 0.088 0.11 0.132 0.154 0.176 0.198 0.22 0.242 0.264

Set Value -0.028 0.0288 0. 0.0598 0. 0.142 0. 0.576

Gambar 4.37 Grafik Solid Y Normal Stress pada elemen 13013,9385,10020,9067

1: Solid Z Normal Stress, Element 13013

2: Solid Z Normal Stress, Element 9385 3: Solid Z Normal Stress, Element 10020 4: Solid Z Normal Stress, Element 9067 -3.52 2.326 -1.132 .0626 1.257 2.451 3.645 4.839 6.034 7.228 8.422 9.616 10.81

0. 0.022 0.044 0.066 0.088 0.11 0.132 0.154 0.176 0.198 0.22 0.242 0.264

Set Value -0.108 0.106 -1.711 1.795 -3.52 2.963 0. 12.

Gambar 4.38. adalah grafik solid normal stress yang terjadi pada ketiga titik masing-masing 13013, 9385, 10020 yang dianalisa pada sumbu Z. Dari hasil analisa dapat diketahui bahwa tegangan maksimum terjadi pada titik 3 mencapai 2,95 MPa dengan waktu 0,05 detik.

Dengan demikian dapat diambil kesimpulan pada tabel 4.3. dimana tegangan yang terjadi akibat tegangan impak yang menjalar dari atas marka silinder menjalar ke bawah mendekati base dari marka silinder dengan jarak bervariasi untuk setiap elemennya sehingga diperoleh nilai tegangan maksimum untuk tegangan VonMises, Normal sumbu-X, Normal sumbu-Y, normal sumbu-Z.

Tabel 4.3. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan setengah ketinggian silinder dengan variasi jarak

Elemen Tegangan Maksimum (MPa)

VonMises Sumbu-X Sumbu-Y Sumbu-Z

13013

(titik 1) 0,126 0,001 0,0288 0,106

9385

(titik 2) 1,78 -0,003 0,0598 1,795

10020

(tittik 3) 3,658 0,143 0,142 2,963

9067

(titik 4) 11,64 0,488 0,576 12

Dari data Tabel 4.3. diketahui Pada lokasi 1 (lokasi impak) untuk tegangan arah x (σx ), tegangan arah y (σy ) dan z (σz ) merupakan tegangan tekan. Pada lokasi 2

(200 mm dari titik impak) untuk tegangan arah x (σx ) merupakan tegangan tekan,

lokasi 3 (400 mm dari titik impak) mengalami tegangan tarik pada semua arah. Dari bentuk grafik yang terjadi terlihat bahwa pengimpakan pada puncak silinder mengalami konsentrasi tegangan yang besar tepatnya pada elemen 10020 (titik 3 ).

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Distribusi dan konsentrasi tegangan secara keseluruhan pada permukaan silinder tidak dapat dilakukan secara langsung sehingga dilakukan simulasi komputer. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk ketiga tipe pengimpakan (impak atas, impak tiga perempat, impak setengah) menunjukkan tegangan arah x dan z terpusat pada titik impak dan kaki silinder. Dan tegangan arah y terpusat pada sisi struktur silinder jalan. Konsentrasi tegangan lebih besar terjadi pada pengimpakan atas yang diasumsikan akibat tertabrak mobil dibandingkan pengimpakan akibat tertabrak motor dan uji bandul. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengimpakan akibat tabrakan mobil dapat lebih merusak struktur silinder jalan.

2. Dari hasil simulasi juga memungkinkan dilakukan pengamatan di beberapa lokasi. Pada pengimpakan atas tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 69,7 MPa tepatnya dititik 4, pada pengimpakan tiga perempat ketinggian silinder tegangan terbesar erjadi pada arah z sekiar 34,37 MPa tepatnya dititik 4, dan pada pengimpakan setengah ketinggian silinder tegangan tegangan terbedar erjadi pada arah z sekitar 45,05 MPa, sehingga disimpulkan bahwa titik 4 yaitu berada di kaki silinder (100 m dari base silinder) berpotendial

mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada bebeapa lokasi.

5.2. Saran

1. Simulasi dengan menggunakan bantuan komputer sangat membantu dalam proses desain komponen suatu mesin. Namun pengujian laboratorium juga merupakan syarat yang mutlak untuk mengetahui kondisi real dilapangan. 2. Diharapkan simulasi komputer dengan menggunakan software Msc.Nastran 4,5

dan permodelan dengan AutoCad dapat dikembangkan lebih lanjut di Departemen Teknik Mesin FT-USU.

3. Hasil skripsi ini dapat dijadikan rujukan dalam penelitian berikutnya.Dari hasil analisa disarankan kepada pengguna jalan agar pengguna jalan sadar akan pentingnya suatu alat pembatas jalan seperti stick cone dalam usaha penertiban lalu lintas. Dan penelitian ini diharapkan bisa diteruskan kembali sehingga diperoleh hasil yang lebih baik sesuai dengan yang diharapkan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Susatio, Yerri. (2004). Dasar-Dasar Metode Elemen Hingga. Yogyakarta: Penerbit Andi Yogyakarta.

2. Norton , Robert L. (2004). Design of Machinery third edition. Singapore: Mc.Graw Hill.

3. Mahadi B, Modifikasi Metode Pengujian Kekuatan Helmet Industri Akibat

Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Jurusan Teknik

Mesin, FT. USU, Medan, 2007

4.

5. Timoshenko, S., (1960). Strenght Of Materials. Third Edition, Part-1. Van Nostrand Company, Ltd., London. p.: 176-202.

6. Mott, Robert L. (2004). Machine Elements in Mechanical Design, 4th

7. Moaveni, Saeed.(1999).”Finite Element Analysis Theory and Aplication with

Ansys. New Jersey: Prentice Hall.

edition. New Jersey: Prantice Hall.

DAFTAR PUSTAKA

, Lampiran 1. Analisa Menggunakan MSC/NASTRAN 4.5:

Gambar 4.38. adalah grafik solid normal stress yang terjadi pada ketiga titik masing-masing 13013, 9385, 10020 yang dianalisa pada sumbu Z. Dari hasil analisa dapat diketahui bahwa tegangan maksimum terjadi pada titik 3 mencapai 2,95 MPa dengan waktu 0,05 detik.

Dengan demikian dapat diambil kesimpulan pada tabel 4.3. dimana tegangan yang terjadi akibat tegangan impak yang menjalar dari atas marka silinder menjalar ke bawah mendekati base dari marka silinder dengan jarak bervariasi untuk setiap elemennya sehingga diperoleh nilai tegangan maksimum untuk tegangan VonMises, Normal sumbu-X, Normal sumbu-Y, normal sumbu-Z.

Tabel 4.3. Tegangan setiap elemen pada pengimpakan setengah ketinggian silinder dengan variasi jarak

Elemen Tegangan Maksimum (MPa)

VonMises Sumbu-X Sumbu-Y Sumbu-Z

13013

(titik 1) 0,126 0,001 0,0288 0,106

9385

(titik 2) 1,78 -0,003 0,0598 1,795

10020

(tittik 3) 3,658 0,143 0,142 2,963

9067

(titik 4) 11,64 0,488 0,576 12

Dari data Tabel 4.3. diketahui Pada lokasi 1 (lokasi impak) untuk tegangan arah x (σx ), tegangan arah y (σy ) dan z (σz ) merupakan tegangan tekan. Pada lokasi 2 (200 mm dari titik impak) untuk tegangan arah x (σx ) merupakan tegangan tekan, sedangkan tegangan arah y (σy ), dan tegangan arah z (σz ) adalah tegangan tarik. Pada

lokasi 3 (400 mm dari titik impak) mengalami tegangan tarik pada semua arah. Dari bentuk grafik yang terjadi terlihat bahwa pengimpakan pada puncak silinder mengalami konsentrasi tegangan yang besar tepatnya pada elemen 10020 (titik 3 ).

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Distribusi dan konsentrasi tegangan secara keseluruhan pada permukaan silinder tidak dapat dilakukan secara langsung sehingga dilakukan simulasi komputer. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk ketiga tipe pengimpakan (impak atas, impak tiga perempat, impak setengah) menunjukkan tegangan arah x dan z terpusat pada titik impak dan kaki silinder. Dan tegangan arah y terpusat pada sisi struktur silinder jalan. Konsentrasi tegangan lebih besar terjadi pada pengimpakan atas yang diasumsikan akibat tertabrak mobil dibandingkan pengimpakan akibat tertabrak motor dan uji bandul. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengimpakan akibat tabrakan mobil dapat lebih merusak struktur silinder jalan.

2. Dari hasil simulasi juga memungkinkan dilakukan pengamatan di beberapa lokasi. Pada pengimpakan atas tegangan terbesar terjadi pada arah z sekitar 69,7 MPa tepatnya dititik 4, pada pengimpakan tiga perempat ketinggian silinder tegangan terbesar erjadi pada arah z sekiar 34,37 MPa tepatnya dititik 4, dan pada pengimpakan setengah ketinggian silinder tegangan tegangan terbedar erjadi pada arah z sekitar 45,05 MPa, sehingga disimpulkan bahwa titik 4 yaitu berada di kaki silinder (100 m dari base silinder) berpotendial

mengalami kerusakan struktur terbesar akibat pengimpakan pada bebeapa lokasi.

5.2. Saran

1. Simulasi dengan menggunakan bantuan komputer sangat membantu dalam proses desain komponen suatu mesin. Namun pengujian laboratorium juga merupakan syarat yang mutlak untuk mengetahui kondisi real dilapangan. 2. Diharapkan simulasi komputer dengan menggunakan software Msc.Nastran 4,5

dan permodelan dengan AutoCad dapat dikembangkan lebih lanjut di Departemen Teknik Mesin FT-USU.

3. Hasil skripsi ini dapat dijadikan rujukan dalam penelitian berikutnya.Dari hasil analisa disarankan kepada pengguna jalan agar pengguna jalan sadar akan pentingnya suatu alat pembatas jalan seperti stick cone dalam usaha penertiban lalu lintas. Dan penelitian ini diharapkan bisa diteruskan kembali sehingga diperoleh hasil yang lebih baik sesuai dengan yang diharapkan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Susatio, Yerri. (2004). Dasar-Dasar Metode Elemen Hingga. Yogyakarta: Penerbit Andi Yogyakarta.

2. Norton , Robert L. (2004). Design of Machinery third edition. Singapore: Mc.Graw Hill.

3. Mahadi B, Modifikasi Metode Pengujian Kekuatan Helmet Industri Akibat

Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Jurusan Teknik

Mesin, FT. USU, Medan, 2007

4.

5. Timoshenko, S., (1960). Strenght Of Materials. Third Edition, Part-1. Van Nostrand Company, Ltd., London. p.: 176-202.

6. Mott, Robert L. (2004). Machine Elements in Mechanical Design, 4th

7. Moaveni, Saeed.(1999).”Finite Element Analysis Theory and Aplication with

Ansys. New Jersey: Prentice Hall.

edition. New Jersey: Prantice Hall.

DAFTAR PUSTAKA

1.

, Lampiran 1. Analisa Menggunakan MSC/NASTRAN 4.5: