Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa (Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan MSC/NASTRAN 4.5

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN

TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

T E S I S Oleh

PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2010

S

E K O L A_H

P A

S C

A S A R JA

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN

TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

T E S I S

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Fakultas Teknik

pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Judul Tesis : SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

Nama Mahasiswa : Parlindungan S.P

Nomor Pokok : 047015010

Program Studi : Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua

(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Ir. Tugiman, MT)

Anggota Anggota

Ketua Program Studi Dekan

Tanggal lulus : 25 November 2009 Telah diuji pada

Tanggal : 25 November 2009

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Ir. Tugiman, MT

3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

RIWAYAT HIDUP

Nama : Parlindungan S.Pasaribu

Tempat /Tgl.lahir : Serbalawan 19 Juli 1981

Pekerjaan : Staff Pengajar Fakultas Teknik Universitas Setia Budi

Mandiri Medan

Agama : Protestan

Alamat : Jl. Seksama Gg.Harapan Pasti Barat No.5A Medan

Telp : 061- 77789019

Hp : 081361202019

Email

Jenis Kelamin : Laki – Laki

Pendidikan

2004 – 2009 Universitas Sumatera Utara

1999 – 2004 Institut Teknologi Medan

1996 – 1999 SMU Kampus FKIP Univ HKBP Nomensen P.Siantar

1993 – 1996 SMP Kristen Marga Utama

1987 – 1993 SD Negeri Pematang Bandar

ABSTRAK

Dalam penelitian ini dilakukan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda motor yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Konstruksi helm dibuat dua jenis yaitu helm komposit dan helm komposit dilapisi busa. Helm dibebani dengan beban impak pada tiga posisi yaitu pada bagian atas, samping, dan belakang dengan beban impak sebesar 8,2 MPa. Untuk melihat besarnya distribusi tegangan pada kedua helm ini, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AutoCad 2002 dan MSC/Nastran 4.5. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada helm komposit tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak belakang arah X dipeoleh pada titik Y sebesar -4,7 Mpa saat t 0.0039μs dan titik Z sebesar -3,4 MPa saat t = 0,0040 μs. Penjalaran tegangan pada jarak 66mm dari titik pembebanan tampak semakin mengecil. Pada helm komposit dilapisi busa tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak atas arah Z diperoleh pada titik X sebesar -3,0 MPa saat t 0,0042μs dan titik Y sebesar -2,6 MPa, saat t =0,0045 μs. Hasil simulasi memberi informasi bahwa helm komposit dilapisi busa mampu menyerap tegangan hingga 1,6%. Kata Kunci : Helm Komposit GFRP, Simulasi komputer, Disrtibusi tegangan

ABSTRACT

This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas hikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul : ” Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa (Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan MSC/Nastran 4.5 ”.

Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak memberi masukan saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang tinggi kepada:

Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng (anggota), dan Ir.Tugiman (anggota), MT selaku komisi pembimbing telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis.

Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana, Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah

memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Teknik Mesin SPs-USU.

Bapak-Bapak dosen yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesainya tulisan usulan penelitian ini.

Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah memberi kemudahan penggunaan fasilitas simulasi komputer.

Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di Program Magister.

Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan atas bantuannya dalam melakukan penelitian, simulasi komputer dan penyelesaian tesis ini.

Kedua orang tua,saudara penulis.

Pendamping (Tari Sianipar) yang setia menemani penulis

Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan tesis ini, oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.

Medan, 2010 Penulis,

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK... i

ABSTRACT... ii

KATA PENGANTAR... iii

RIWAYAT HIDUP... v

DAFTAR ISI... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR... x

DAFTAR LAMPIRAN... xiv

DAFTAR ISTILAH... xv

BAB 1 PENDAHULUAN... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 5

1.3. Tujuan Penelitian ... 6

1.4. Manfaat Penelitian ... 6

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA... 8

2.1. Sejarah Helm... 8

2.2. Pemodelan Helm ... 13

2.3. Prinsip-prinsip Cedera Kepala ... 14

2.4. Komposit ... 17

2.5. MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5... 23

2.6. Metode elemen Hingga... 28

2.7.Kerangka Konsep... 39

BAB 3 METODE PENELITIAN... 41

3.1. Tempat dan Waktu ... 41

3.2. Bahan, Peralatan, dan Metode... 41

3.3. Variabel Yang Diamati ... 49

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 51

4.1 Pendahuluan ... 51

4.2 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit ... 61

4.3 Simulasi Busa (Foam) yang Melekat pada Helm... ... 83

4.4 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit dilapisi Busa (Foam)... 91

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 102

5.1 Kesimpulan ... 102

5.2 Saran... 105

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977). ... 12

2.2 Klasifikasi cedera kepala... 14

2.3. Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak... 17

3.1. Mekanikal Propertis komposit GFRP……….. 42

3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX…… 42

3.3. Sifat Mekanikal serat jenis E-glass... 43

4.1 Hasil Tegangan Pada Helm Komposit... 83

4.2 Hasil Tegangan Pada Busa (Foam)... 90

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman 2.1 Helm Pertama BuatanBullard...8

2.2 Komponen Helm Sepeda Motor ...9 2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala...15 2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan

Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)...16

2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak ...17 2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk

Komposit...18 2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit...19 2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat

yang Tidak Searah...………...……...21 2.9 Mikro Kerusakan Laminasi pada Matriks, dan Terjadi

Delaminasi pada Lapisan Matriks...21 2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan

Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks ...22 2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185

Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan)...22 2.12 Tampilan Dasar Jenis Elemen...26 2.13 Elemen Diberi Beban...27

2.14 Pemberian Constrain...27

2.15 Diskretisasi Elemen...29

2.16 Bentuk Elemen Solid Tetrahedral...31

2.17 Kerangka Konsep Penelitian...39

3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Enam Lapis...42

3.2 Helm Sepeda Motor Bahan Komposit...43

3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad 2002…………...45

3.4. Gambar Helm Geometri Dibagi Dua...46

3.5 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas...46

3.6 Kotak Dialog Constrain...47

3.7 Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu... 47

3.8 Hasil Grafik dari Hasil Analisa...48

3.9 Hasil Simulasi Distribusi...48

3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian... ...50

4.1 Gambar Helm dengan Autocad...51

4.2 Helm Solid...51

4.3 Lapisan Busa (foam) dengan Gambar Autocad 2002...52

4.4 Busa (foam) Solid...52

4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa...52

4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit...52

4.7 Helm tampak depan ...52

4.9 Dimensi Helm dengan Autocad...54

4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad...56

4.11 Model Helm dibagi Dua...56

4.12 Kotak Dialog Jenis Material...57

4.13 Kotak Dialog Sifat Mekanik Material...57

4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit...59

4.15 Kotak Dialog Mesh...59

4.16 Model Elemen Tetrahedral...60

4.17 Helm yang dimesh...60

4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z...61

4.19 Kotak Dialog Konstrain...61

4.20 Posisi Konstrain...62

4.21 Helm setelah dikonstrain...62

4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen...62

4.23 Kesetimbangan Momentum...62

4.24 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure...63

4.25 Kotak Dialog Arah Pembebanan...64

4.26 Kotak Dialog Model Fungsi...66

4.27 Kotak Dialog Library DYNA yang telah didaftar...66

4.28 Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic...66

4.29 Kotak Dialog Analysis...67

4.30 Kotak Dialog Perintah menyimpan File...67 4.31 Kotak Dialog Tempat Penyimpanan File

4.32 Kotak Dialog Proses Analisis ... .... 68

4.33 Kotak Informasi Hasil Analisa... ...68

4.34 Kotak Dialog Pilihan Model Style ... ...69

4.35 Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data ... ...69

4.36 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit ... ...70

Impak Atas... ... ...71

4.37 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Atas ... ...73

4.38 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit, Countur diperbesar (Tampak pada tebal helm bagian atas)...73

4.39 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas, Countur diperbesar (Tampak tebal helm bagian dalam )...74

4.41 Kotak Dialaog untuk Set Grafik Distibusi Tegangan...74

4.42 Kotak Dialog XY vs Set Value...75

4.44 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik A)...75

4.45 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik B) ... 76

4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Helm Komposit Impak Samping...77

4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Samping ...77

4.47 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Countur diperbesar (Tampak atas)...78

4.48 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping ( Lokasi Tegangan dititik A)...79 4.49 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping

(Lokasi Tegangan dititik B)...79 4.450 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit

Impak Belakang...80 4.51 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Belakang...80 4.52 Distribusi tegangan pada helm komposit, countur diperbesar (Tampak tebal helm)...81 4.53 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak

Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)...81 4.54 Grafik Tegangan pada Helm Komposit

Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)...82 4.55 Dimensi Busa (foam)...84 4.56 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X

Impak Atas pada Busa (foam)...84 4.57 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y

Impak Atas pada Busa (foam)...85 4.58 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan

pada Busa (foam) Impak Atas...85 4.59 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X

4.60 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z

Impak Samping pada Busa (Foam)...87 4.61 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan

pada Busa (Foam) Impak Samping...87 4.62 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y

Impak Belakang pada Busa (foam)...88 4.63 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z

Impak Belakang pada Busa (foam)...89 4.64 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan

pada Busa (foam) Impak Belakang...89 4.65 Gambar Solid Helm Komposit dilapisi

dengan Busa (foam)...91 4.66 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm

Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...91 4.67 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm

Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...92 4.68 Distribusi tegangan pada helm komposit

dilapisi Busa (Foam) Cuntur diperbesar

(Tampak tebal helm)...92 4.69 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititikA)...93 4.70 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

4.71 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...94 4.72 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...95 4.73 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit

dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar

(Tampak tebal helm)...95 4.74 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik A)...96 4.75 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B)...97 4.76 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang...98 4.77 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang...98 4.78 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit

dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar

(Tampak tebal helm) ...98 4.79 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)...99 4.80 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)...99

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman Lampiran 1 Detail Bentuk Kepala Kategori Reguler SNI 1811 2007...106. Lampiran 2 157 BQTN-EX Series...109 Lampiran 3 Polyethylene Foam LD18... 111 Lampiran 4 Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan

Lalulintas...112 Lampiran 5 Undang-undang No.14 tahun 1992 Pasal 23...114

ABSTRAK

Dalam penelitian ini dilakukan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda motor yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Konstruksi helm dibuat dua jenis yaitu helm komposit dan helm komposit dilapisi busa. Helm dibebani dengan beban impak pada tiga posisi yaitu pada bagian atas, samping, dan belakang dengan beban impak sebesar 8,2 MPa. Untuk melihat besarnya distribusi tegangan pada kedua helm ini, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AutoCad 2002 dan MSC/Nastran 4.5. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada helm komposit tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak belakang arah X dipeoleh pada titik Y sebesar -4,7 Mpa saat t 0.0039μs dan titik Z sebesar -3,4 MPa saat t = 0,0040 μs. Penjalaran tegangan pada jarak 66mm dari titik pembebanan tampak semakin mengecil. Pada helm komposit dilapisi busa tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak atas arah Z diperoleh pada titik X sebesar -3,0 MPa saat t 0,0042μs dan titik Y sebesar -2,6 MPa, saat t =0,0045 μs. Hasil simulasi memberi informasi bahwa helm komposit dilapisi busa mampu menyerap tegangan hingga 1,6%. Kata Kunci : Helm Komposit GFRP, Simulasi komputer, Disrtibusi tegangan

ABSTRACT

This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%.

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Kesadaran masyarakat terhadap penggunaan helm sepeda motor terbilang masih sangat rendah. Helm sepeda motor kita ketahui didesign sebagai alat pelindung diri yang berfungsi untuk melindungi kepala pengendara sepeda motor dari benturan di jalan raya. Kepala merupakan bagian yang paling vital dari tubuh manusia seperti panca indera dan otak yang merupakan pusat berfikir, pusat keseimbangan, dan pusat dari segala aktifitas.

Kenyamanan dan keamanan pada saat berkenderaan merupakan idaman dan keinginan pengendara sepeda motor khususnya. Namun masih banyak pengendara sepeda motor yang belum memahami betapa pentingnya menggunakan alat pelindung diri saat mengendarai sepeda motor. Angka kecelakaan kendaraan bermotor di jalan raya, khusus untuk kota Medan relatif cukup tinggi, dimana kecelakaan ini kerap kali menyebabkan cedera pada bagian kepala.

Seorang dokter spesialis forensik, pemerhati masalah kesehataan, hukum dan sosial, Taufik Suryadi, mengemukakan dalam tulisannya di sebuah surat kabar berjudul ”Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan Lalulintas, bahwa rendahnya kesadaran akan penggunaan helm terhitung masih sangat tinggi, khususnya di kota Medan (tahun 2000). Evaluasi pemakaian helm ini sangat penting bila ditinjau dari segi sosio-medik dimana angka kefatalan cedera dapat ditekankan sedemikian rupa dengan mematuhi pemakaian helm standard.

Selain itu pemerintah telah menerbitkan Undang-undang No.14 tahun 1992 Pada pasal 23 tertulis bahwa semua pengendara dan penumpang sepeda motor serta kendaraan lain diwajibkan memakai helm. Aturan hukum yang mengatur tentang kewajiban menggunakan helm pengaman yang standard pun telah digulirkan (SK Menteri Perhubungan No.KM. 188/AJ.403/PHB-86) tentang topi pengaman (helm) sebagai perlengkapan teknis kendaraan bermotor dan kegunaannya bagi pengemudi dan penumpangnya, namun kenyataannya masih banyak pengendara sepeda motor mengabaikan ketentuan tersebut.

Pada kasus di lapangan sering sekali kecelakaan yang mengakibatkan cedera pada bagian kepala diakibatkan oleh kelalaian seorang pengendara yang tidak menggunakan helm pengaman dan ada juga yang diakibatkan penggunaan helm pengaman yang tidak memenuhi ketentuan.

Berdasarkan survei yang dilakukan para peneliti sebelumnya, kurangnya minat memakai helm disebabkan oleh helm yang digunakan terasa tidak nyaman, di mana hal itu disebabkan oleh beberapa faktor yaitu:

a. Helm terasa panas karena kurangnya ventilasi pada helm yang menyebabkan kepala mudah berkeringat dan menimbulkan gatal-gatal pada kulit kepala.

b. Helm terasa berat sehingga menyebabkan leher menjadi pegal.

c. Ukuran helm yang kurang sesuai dengan bentuk kepala sehingga terasa tidak nyaman ketika dipakai.

Penelitian tentang kekuatan helm dan keamanannya telah dilakukan beberapa peneliti sebelumnya dengan menggunakan simulasi komputer,

diantaranya: Penelitian helm non-standard (dari bahan Ethylene Propelene Copolymer) yang mendapat beban impak kecepatan tinggi telah dikembangkan oleh Syam B dan Mahadi (tahun 2000-2001). Penelitian helm industri secara simulasi komputer dengan menggunakan pendekatan elemen hingga oleh Nayan, menyelidiki perilaku yang terjadi pada helm akibat benda jatuh dari ketinggian 40 meter. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa tulangan sangat mempengaruhi konsentrasi tegangan.

N J Mills (tahun 1990), Investigasi kecelakaan helm sepeda motor, menyimpulkan bahwa polystyrene foam merupakan komponen material yang tahan terhadap benturan (impak) berbeda dengan thermoplastic helmet shell. Deck C et al (tahun 1995) ,Optimisasi Helm Berdasarkan Model Helm-Kepala oleh dengan menggunakan polycarbonate thermoplastic shell dan expanded polystyrene foam, disimpulkan bahwa batas elastisitas memiliki pengaruh yang sangat penting terhadap respon Head Injury Criterion (HIC), dan young modulus dari busa dimana batas elastisitasnya memiliki pengaruh terhadap respon biomechanical kepala. A. Gilchrist N. J Mills, Model Respon Impak Helm Sepeda Motor .Cheolwoong Ko et al (tahun 2005) , Rekonstruksi Simulasi Dengan Menggunakan Informasi Analisa Kecelakaan Lalu Lintas Sepeda Motor, menyimpulkan bahwa model Finite Element (FE) dengan menggunakan ABAQUS/Explicit sangat penting untuk rekonstruksi simulasi untuk memperoleh data yang akurat mengenai cedera kepala akibat benturan (impak) saat terjadi kecelakaan sepeda motor. A Chawla, S Mukherjee et al (tahun 2001) , telah meneliti tentang beban impak yang terjadi pada helm sepeda motor yang

menabrak kendaraan lain (mobil) dengan menggunakan finite element simulation MADYMO, penelitian ini menyimpulkan bahwa geometric dan material properties sangat menentukan dalam simulasi. Sedangkan N J Mills dan Gilchrist (tahun 1991), meneliti tentang Efektifitas Busa Terhadap Helm Sepeda dan Sepeda Motor, menyimpulkan bahwa perbedaan bentuk dan kekakuan helm mempengaruhi dalam pengoptimalan design. Sejauh ini simulasi distribusi tegangan helmet sepeda motor dari bahan komposit bagi pengguna helm sepeda motor belum dilaporkan.

Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti memandang perlu dilakukan suatu simulasi untuk mengetahui simulasi distribusi tegangan helm sepeda motor dari bahan komposit terhadap beban impak kecepatan tinggi. Helm sepeda motor merupakan objek penelitian yang akan disimulasi dengan pemodelan dari bahan komposit. Pada penelitian ini, penulis memilih bahan komposit karena bahan polymer GFRP memiliki karakteristik yang lebih kuat, lebih nyaman dan lebih ringan. Selain itu bahan komposit merupakan bahan alternatif teknik sebagai akibat dari pertumbuhan aktifitas industri teknik yang semakin meningkat dan maju dewasa ini.

Permintaan secara kontiniu terhadap bahan teknik yakni bahan komposit berkualitas tinggi dalam hal kemampuan (sifat mekanik) rendah dalam hal segi pembiayaan (ekonomis). Ketatnya tingkat persaingan dalam bidang industri teknik dan perdagangan, memaksa para peneliti menentukan bahan baru yang benar-benar bisa memenuhi tuntutan teknis dan efesiensi dengan meninggalkan ketergantungan kepada bahan-bahan konvensional.

1.2. Perumusan Masalah.

Terjadinya kecelakaan/tabrakan, dimana pengendara jatuh dari kendaraan atau mengalami benturan mengenai kepala. Kepala merupakan organ tubuh yang sangat vital jatuh mengenai dapat menimbulkan cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur di dalam rongga kepala. Bila suatu benda bergerak memukul kepala atau bergerak mengenai suatu benda, maka pada waktu kontak antara keduanya akan terbentuk energi yang besarnya bergantung pada massa, densitas, bentuk dan kecepatan benda yang memukul. Sebagian dari energi benda akan diserap oleh kepala dan menyebabkan terjadinya deformasi berupa pelekukan tulang ke dalam (inbending) pada lokasi benturan. Jika energi terserap melewati suatu ambang tertentu maka terjadilah keretakan tengkorak dan cedera otak.

Permasalahan yang ditinjau dalam simulasi ini adalah salah satu kejadian yang sering terjadi dilapangan dimana helm yang mengalami benturan secara langsung mengenai kepala pengendara sepeda motor. Dari permasalahan tersebut ingin mengetahui seberapa besar tegangan yang diterima helm, besarnya distribusi tegangan yang berpotensi menyebabkan inisiasi retak pada permukaan helm yang yang terjadi dipermukaaan kepala, mengetahui tegangan terbesar yang terjadi pada helm sepeda motor dari bahan komposit dari pembebanan atas, samping dan belakang, membandingkan besar tegangan yang tejadi pada helm komposit, busa, helm komposit dilapisi busa.

Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan.

Dalam penelitian ini, simulasi akan menggunakan software Autocad 2002, Solidwork, MSC/Nastran 4.5 .

1.3. Tujuan Penelitian

1.3.1. Tujuan Umum

Tujuan Umum dari penelitian ini adalah untuk memperoleh hasil simulasi distribusi tegangan helm sepeda motor dari bahan komposit terhadap beban impak kecepatan tinggi, dengan software komputer MSC/Nastran 4.5.

1.3.2.Tujuan Khusus

1 untuk mengetahui distribusi tegangan secara menyeluruh pada struktur helm sepeda motor dari bahan komposit dengan simulasi komputer.

2. mengetahui tegangan terbesar dititik impak atas, samping, belakang yang terjadi pada helm sepeda motor dari bahan komposit dan helm komposit dilapisi busa.

3. membandingkan besar tegangan yang terjadi pada helm komposit, busa, helm komposit dilapisi busa.

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini nantinya merupakan sebuah upaya nyata bagi pihak perguruan tinggi, khususnya bagi lembaga penelitian, dalam memberikan informasi. Adapun manfaat dari penelitian adalah :

1. Memberi informasi simulasi sebagai salah satu sarana pendukung dalam meneliti.

2. Memberikan informasi kepada dunia industri dan pemerintah khususnya Deperindag dan Depnaker dalam memberi masukan kepada dunia kesehatan/medis tentang kekuatan helm sepeda motor bahan komposit. 3. Memberi masukan kepada Badan Stadarisasi Nasional (BSN) untuk

mempertimbangkan tentang simulasi komputer dalam standard pengujian helm sepeda motor bahan komposit.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Helm

Helm yang digunakan sebagai alat pelindung kepala para pekerja pertama ditemukan oleh Bullard. Setelah pulang dari tugas pada Perang Dunia I tahun 1915 beliau bekerja di Pertambangan, di sini dia mulai bereksperimen dengan helm combatnya yang digunakan semasa perang. Empat tahun kemudian usahanya membuahkan hasil sebuah topi keras yang pertama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 Cangkang helm tersebut terbuat dari lapisan kain kampas dan lem yang dipanaskan melalui proses penguapan dan kemudian dicat dengan warna hitam.

Gambar 2.1 Helm Pertama Buatan Bullard

Sesuai dengan perkembangan zaman sekarang ada banyak jenis-jenis helm menurut kalsifikasi dan penggunaannya. Adapun jenis jenis helm antara lain seperti : Helm sepeda motor, Helm sport, Helm industri , Helm perang dan lain

sebagainya. Penggunaan helm secara umum yang digunakan sebagai alat pelindung kepala yang vital bagi pengguna sepeda motor.

2.1.1 Komponen Helm

Adapun konstruksi helm sepeda motor terdiri atas beberapa bagian. Secara umum bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2:

4. Peredam Benturan

1.Tempurung 5. Tali Cincin

2. Jaring 6. Bantalan Kepala

3. Pelindung 7. Tali Sinar Dagu Matahari

Gambar 2.2 Komponen Helm Sepeda Motor

Keterangan Gambar :

1. Tempurung adalah lapisan keras yang berfungsi melindungi kepala terhadap benturan atau goresan dengan benda keras atau benda tajam, bersifat keras, homogen dan memiliki ketebalan yang sama untuk keseluruhan bagian dan tidak hanya dikhususkan pada tempat-tempat

tertentu saja,liat dan lentur bukan dari bahan logam dan tahan terhadap perubahan cuaca.

2. Jaring,mengatur dan mengikatkan helm kepada kepala dengan baik, bersifat kuat dan tidak mulur. Ukuran jaring helm dapat diatur dan dibuat tetap.

3. Pelindung sinar matahari, untuk melindungi mata dari cahaya matahari yang langsung mengenai mata. Syarat bahayanya tidak terlalu ketat, tetapi yang paling penting adalah menahan sinar matahari yang masuk ke mata. Pelindung ini ada yang menyatu dengan tempurung helm, dan ada juga yang dipasangkan kemudian (optional).

4. Peredam benturan (absorber), berfungsi meredam energi benturan, sehingga energi benturan tidak diteruskan ke kepala. Absorber ini bersifat lunak dan liat, tetapi tidak kenyal.

5. Tali cincin, berfungsi untuk mengikat jaring helm.

6. Bantalan kepala, bersifat lunak, berbentuk jaringan berhubungan langsung dengan kepala serta memberikan kenyamanan pada pemakai helm

7. Tali dagu, agar jaring perekat helm dapat terpasang di kepala dengan baik dan kuat, merupakan aksesori, terbuat dari plastik atau bahan-bahan lembut yang tidak menimbulkan kerusakan kulit. Lebar minimum tali dagu adalah 20 mm dan harus benar - benar berfungsi sebagai pengikat helm saat dikenakan.

Helm, sebagai objek penelitian, yang akan disimulasi adalah helm sepeda motor non-standar (dari bahan komposit). Namun masih banyak helm yang belum memenuhi standarisasi.

2.1.2 Standarisasi Helm

Helm-helm yang digunakan oleh masyarakat di negara maju pada umumnya sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh pemerintahnya. Diantara standar-standar helm yang dikenal luas dan banyak menjadi referensi antara lain:

1. ANSI Z89.1-1997 (American National Standards Institute) 2. JIS T 8131 1977(Japan Industrial Standard)

3. SNI 09-1811-1990 (Indonesia)

Untuk masing-masing standar memiliki klasifikasi yang berbeda berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. ANSI mengelompokkan dalam dua tipe,

1. Helm yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh bebas dari ketinggian tertentu umumnya digunakan oleh pekerja konstruksi, sedangkan

2. Helm yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh bebas juga dari benda yang datang dari arah lateral baik dari arah depan, samping dan belakang umumnya digunakan oleh petugas pemadam kebakaran.

JIS (Japan) juga mengklasifikasikan berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. Klasifikasi helm menurut JIS dapat dilihat pada tabel 2.1 SNI menjelaskan tentang klasifikasi dan pengujian terhadap helm pengaman pengendara kendaraan roda dua.

Tabel 2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977).

Kelas Fungsi Klasifikasi Klasifikasi

berdasarkan berdasarkan

bahan tempurung ketahanan terhadap

tegangan listrik A Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap

mengurangi bahaya dari tegangan listrik

benda melayang atau jatuh Metal

B Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan tehadap mengurangi bahaya akibat tegangan listrik benturan

AB Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap

mengurangi bahaya dari tegangan listrik

bendamelayang atau jatuh dari bentutan

AE untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap

mengurangi bahaya tegangan listrik

dari benda melayang atau jatuh dan untuk melindungi dari bahaya kejutan listrik dikepala

ABE untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap

mengurangi bahaya tegangan listrik

dari benda melayang atau jatuh dan untuk melindungi dari bahaya kejutan listrik dikepala

2.2 Pemodelan Helm

Helm yang akan dimodelkan dibuat dari bahan komposit polimer. Pemilihan bahan komposit sebagai pemodelan helm dikarenakan bahan komposit mudah dibentuk sesuai dengan kontur, dan sifat-sifat karakteristik bahan komposit mudah disesuaikan dengan karakteristik dari refrensi hasil peneliti peneliti sebelumnya.Material Komposit dapat didefiniskan sebagai gabungan dari dua atau lebih material yang berbeda secara makroskopik dan mempunyai sifat-sifat yang diinginkan yang tidak dapat diperoleh dari bahan–bahan penyusun (asal) jika bekerja sendiri-sendiri, Gibson. Hal ini yang mendorong pengembangan komposit khususnya plastik yang diperkuat serat gelas (GFRP). Serat gelas dan plastik dengan sifat-sifat fisis dan mekanis yang baik dikombinasikan sehingga memberikan sifat meterial yang baru dengan sifat-sifat unggul material tunggal penyusunnya.

2.2.1 Profil helm

Seperti ditunjukkan dalam Lampiran 1, profil helm,gambar detail bentuk kepala kategori reguler SNI 1811 2007 profil headform terbagi dalam dua bidang yaitu bidang reference dan bidang basic. Bidang basic plane adalah suatu bidang yang mengandung suatu garis dibawah lubang telinga dan kelopak mata. Bidang reference adalah suatu bidang konstruksi yang paralel terhadap bidang dasar pola kepala uji dan satu jarak tertentu terlepas dari bidang kepala.Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Lampiran 1.

2.3 Prinsip-prinsip Cedera Kepala

Cedera kepala ada kalanya terkait secara langsung dengan kejadian penyebabnya (misalnya, kecelakaan kendaraan bermotor dan jatuh benda dari ketinggian tertentu). Banyak faktor yang saling terkait yang bergabung dalam menentukan mekanisme cedera. Beberapa faktor ini melibatkan jenis gaya dan besar, lokasi, arah, durasi dan kecepatannya .

Secara umum cedera kepala dapat dikelompokan dalam empat kategori yaitu, kerusakan kulit, keretakan tengkorak, cedera otak, dan cedera leher. Tabel 2.2 menunjukkan klasifikasi dari cedera kepala.

Tabel 2.2 Klasifikasi cedera kepala

Tipe Cedera Kepala % (Otte et al ) % (Hurt et al )

Cedera ringan 43,5 18,5

Keretakan tengkorak 6,1 16

Keretakan wajah/muka 7,0 -

Cedera otak 38,2 54,4

Cedera leher - -

Lain-lain 5,2 11,1

2.3.1Toleransi beban impak pada kepala/otak, Jones.

Untuk memperoleh besar beban (impak) F(t) pada kepala dimana kepala

merupakan organ tubuh yang sangat vital, maka dengan melihat kurva toleransi dibawah ini :

Av 300

200

injury ukely

100

injury unukely

0 10 20 30 40 50 T(ms)

Gambar 2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala

Dimana pada sumbu Av merupakan garis akhir kerusakan kepala,

g a

A_v = 2 _...(2.1)

batas waktu yang ditoleransikan adalah 2,5 ms ≤ T ≤ 50 ms (Gambar 2.3), percepatan maksimum =300.g (g = percepatan gravitasi bumi)

a =

-Δ

2

2 2

V

...(2.2) sedangkan jangka waktu yang dibutuhkan adalah :

T =

2

2 V

Δ_...(2.3)

Ukuran kerusakan pada kepala (HIC)

HIC = ( _{2 1})

{

2 /

(

_{2 1}

)

}

1 A dt T T

T

T v

T

T −

∫

− ………(2.4)

Untuk percepatan tubuh yang utuh,

a/g=70 a/g=50 HIC

300

a/g =30

300

300

a/g=10

0 10 20 30 40 V2(ms-1)

Gambar 2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)

Batas antara impak yang berpotensial fatal dan tidak adalah:

HIC = ( Pm / M2 . g )1.5V2 / g...(2.6)

Atau,

HIC = V2 .a1.5 / g2.5 ...(2.7)

Toleransi dan kriteria cedera pada otak telah diteliti oleh bebarapa peneliti antara lain oleh Ryan melalui Jikuang dan Whiting . Ryan menyatakan toleransi beban impak seperti pada Tabel 2.3, sedangkan Whiting mengilustrasikan seperti pada Gambar 2.5

Tabel 2.3 Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak

Jenis Tulang Tengkorak Gaya (kN)

Frontal 3,6 s.d 9,0

Temporal 5,0 s.d 12,5

Pariental 6,4

Occipital 2,0 s.d 4,2

Gambar 2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak

2.4 Komposit

Komposit adalah dua atau lebih bahan yang digabung atau dicampur secara makroskopik yang terbuat dari berbagai kombinasi logam, polymer dan seramik. Artinya penggabungan sifat-sifat unggul dari pembentuk masih terlihat nyata, dapat, Awaludin Thayab dilihat pada Gambar 2.6:

+

Gambar 2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk Komposit

Keterangan gambar :

1. Matriks berfungsi sebagai penyokong, pengikat phasa, penguat. 2. Penguat/serat merupakan unsur penguat kepada matriks.

3. Komposit merupakan gabungan, campuran dua atau lebih bahan bahan yang terpisah.

Komposit dikenal sebagai bahan teknologi dan bukan bahan struktur konvensional melainkan bahan struktur yang artinya diperoleh dari hasil teknologi pemrosesan bahan. Kemajuan teknologi pemrosesan bahan dewasa ini telah menghasilkan bahan teknik yang dikenal sebagai bahan komposit.

Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat unggul dari sifat pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:

1. Bahan ringan, kuat dan kaku

2. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya

3. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang tinggi, keras, liat/kenyal, ringan serta tahan terhadap goresan dan pukulan (impak).

2.4.1 Klasifikasi Bahan Komposit

Klasifikasi bahan komposit dapat dilihat pada Gambar 2.7:

Gambar 2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit. Keterangan gambar:

1. Komposit Partikel (Particle-reinforced ).

Merupakan komposit yang diperkuat partikel, penguat dalam satu atau lebih partikel yang tersebar diikat oleh matriks yang berbeda phasa. Komposit partikel diperkuat oleh logam, polymer, keramik. Komposit partikel terdiri dari partikel besar dan partikel kecil.Partikel Besar (Large Particle), merupakan hubungan antar matriks dan partikel merupakan suatu rangkaian kesatuan, Sifat-sifat bahan phasa partikel lebih keras dan lebih kaku dari pada phasa matriks. Contoh bahan campuran semen dan kerikil. Partikel Kecil (Dispersion Strengthened) Hubungan antar matriks dan partikel bukan merupakan suatu rangkaian kesatuan, lebih kuat dan kaku dibandingkan komposit partikel besar. Contoh: kekuatan aloy nikel.

Composite

Structural Particle Reinforced Fiber Reinforced

Large Particle

Dispersion Strenghtened

Continious Aligned

Discontinious short

Laminates

Sandwich Panels

2. Komposit Serat (Fiber Reinforced)

Komposit serat merupakan komposit yang diperkuat serat phasa penguat berbentuk serat dalam diikat oleh matriks, diameter 0,01 – 0,1 µm. Ukuran serat sangat menentukan bahan komposit menerima gaya-gaya luar. Semakin panjang ukuran serat maka semakin efisien dalam menerima gaya searah serat. Panjang serat berfungsi untuk menghilangkan kemungkinan retak sepanjang batas pertemuan serat dengan matriks selain itu juga berfungsi mencegah cacat permukaan.

Jenis-jenis komposit serat :

1. Countinius Fiber Composite 2. Chopped Fiber Composite 3. Woven Fiber Composite 4. Hybrid Composite

3. Komposit/Struktur Laminat

Komposit yang terdiri dari dua bahan yang berlainan (lamina), terdiri atas susunan phasa penguat dan matriks dalam bentuk lamina bisa dalam arah searah dan tegak lurus, arah tidak beraturan tergantung pada keperluan terhadap beban.

2.4.2.Mekanisme Kegagalan Komposit

Komposit merupakan kombinasi dua material atau lebih yang menghasilkan kemampuan.Kemampuannya tergantung komponen material yang dikombinasikan. Mekanisme kegagalan komposit seperti :

1. Kerusakan serat (fiber breaking) 2. Keretakan matriks (matrix cracking)

3. Berpisahnya lapisan antara (interface debonding) 4. Delaminasi (delamination)

untuk memeriksa kerusakan tersebut (memeriksa Fraktografi) dengan ASTM E-30, 2002. Contoh kegagalan yang ditunjukan pada Gambar 2.8 :

Gambar 2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat yang Tidak Searah

.

Gambar 2.9 Mikro Kerusakan Laminasi pada Matriks, dan Terjadi Delaminasi pada Lapisan Matriks

Gambar 2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks

Gambar 2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185 Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan).

Masing-masing cara (mode) dapat saja terjadi pada waktu yang berlainan dan juga dapat terjadi secara bersamaan pada lokasi kegagalan. Pada Gambar 2.7 hingga 2.10 diperlihatkan gambar mikro (micrograph) dari permukaan interface dari

material laminasi yang mengalami kegagalan, serta digambarkan mekanisme retak maupun arah progasi dari keretakan tersebut.

2.5 MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5

MSC/NASTRAN merupakan salah satu dari beberapa software untuk analisis struktur dengan metode elemen hingga (Finite Element Hingga). Nastran terdiri dari 2 program utama yaitu: Pre/Post Procesor yang disebut FEMAP dan prosesornya yaitu MSC/NASTRAN 4.5 . FEMAP digunakan untuk membuat model, validasi kondisi dan melihat hasil analisa FEM, yang seluruhnya berorientasikan grafik dan bersifat interaktif (Graph User Interface/GUI). Prosesor Nastran merupakan software utama FEM yang berorientasikan angka numerik yang berfungsi menganalisa dengan metode elemen hingga sehingga diperoleh hasil sesuai dengan jenis analisanya.

Jenis analisa yang dapat dikerjakan oleh Nastran diantaranya adalah : 1. Analisa Statik

2. Buckling 3. Normal Mode 4. Non linier

Setelah diperoleh hasil analisa dengan NASTRAN, kemudian USER kembali ke FEMAP untuk melihat hasil analisanya secara grafik.

1.Pengenalan Objek.

Objek merupakan segala data yang dapat ditampilkan secara grafik pada layar monitor. Data yang bersifat non grafik, misalnya data material, sifat-sifat elemen

dan data hasil perhitungan berupa displacement, stress dan sebagainya bukan merupakan objek meskipun data-data ini dapat divisualisasikan pada monnitor berupa countur berwarna, vektor ataupun angka. Dalam FEMAP objek dapat dikelompokan sebagai berikut :

1. Sistem koordinat 2. Geometri

3. Text 4. FEM

2.Nomor Identitas.

Setiap objek memiliki nomor identitas yang unik diantara objek sejenis. Misalanya jika di dalam model terdapat tiga buah poin (titik) dan dua buah line (garis), maka ketiga point tersebut memiliki nomor identitas yang berbeda satu dengan yang lain, demikian juga dengan line, akan tetapi antara nomor-nomor identitas point dan nomor identitas line bisa sama. Nomor identitas tidak perlu berturut dari 1, 2, 3... akan tetapi bisa acak.

3.Sistem koordinat

Suatu sistem koordinat cartesian sebagai sistem koordinat global telah tersedia di dalam FEMAP. Untuk memudahkan pemodelan geometri maupun FEM, dimungkinkan untuk dibuat sistem koordinat lokal sesuai keinginan user. Beberapa aturan dalam pembuatan sistem koordinat lokal adalah sebagai berikut :

1. Sistem koordinat lokal mengacu pada sistem koordinat global atau pada sistem koordinat lokal yang lain yang sudah terlebih dahulu terdefenisi.

2. Sistem koordinat lokal dapat berupa sistem koordinat cartesian (rectangular), cylindric, spheric.

3. Sistem koordinat lokal dapat diguanakan baik untuk pemodelan geometri maupun pemodelan FEMAP.

4.Objek Geometri. 1. Point

Point merupakan objek yang paling dasar untuk membuat model geometri. Informasi mengenai point yang perlu diketahui oleh user paling tidak adalah data x,y,z.

2. Line (garis)

Dua buah point yang dihubungkan dengan sebuah garis. Secara Numerik Line digambarkan sebagai suatu garis lurus dimana kedua ujungnya memiliki point. Point yang terhubung dengan line tidak dapat dihapus.

3. Arc (busur)

Busur lingkaran yang didefenisikan dengan sebuah point sebagai titik pusat lingkaran dan tiga buah point sebagai titik awal, tengah dan ujung.

4. Circle (lingkaran)

Suatu lingkaran yang memiliki sebuah point sebagai pusat lingkaran dan 4 buah point sebagai titik-titik yang terletak pada lingkaran tersebut.

5. Spline

Garis lengkung yang menghubungkan beberapa point. Dalam FEMAP, spline masih dibagi menjadi beberapa jenis yaitu : elips parabola, hiperbola dan persamaan pangkat 3.

6. Surface

Suatu bidang permukaan yang dibatasi oleh 4 kurva tertutup. 7. Volume

Ruang tiga dimensi yang dibatasi oleh surface tertutup.

5.Objek Model FEM.

1. Node (=grid) Point (=Nodal)

Pada Monitor divisualisasikan dengan tanda x. 2. Elemen

Elemen divisualiasikan sesuai dengan jenis elemennya. Tampilan dasarnya merupakan garis garis wireframe yang menghubungkan node-node pembentuk elemen. Beberapa jenis elemen yang sering digunakan dalam bentuk tampilan dasar, dapat dilihat pada Gambar 2.12) :

1 Crod CTRIA COUA CHEXA

3. Load (beban)

Load ditampilkan sebagai tanda panah dimana load tersebut diaplikasikan pada model FEM, untuk load force berupa panah dengan satu tip sedangkan untuk load moment berupa anak panah dengan dua tip. Contoh satu elemen CQAD4 tersebut diberi beban pada salah satu pointnya, tampak pada Gambar 2.13:

force

moment

CHEXA

Gambar 2.13 Elemen Diberi Beban

4. Constrain (kondisi batas tumpuan)

Constrain ditampilkan sebagai tanda Δ (segitiga) yang ditempatkan pada node yang dicostrain, seperti pada Gambar 2.14 :

123456

2.6 Metode elemen Hingga.

2.6.1 Sejarah.

Metode elemen hingga yang dikenal sejak 1956 oleh Turner dan kawan kawan, mengunakan metode elemen hingga untuk menganalisa struktur pesawat udara (bar yang disatukan pin dan plat seitia dengan muatan dalam bidang). Prezemienieck telah menuliskan buku menenai aplikasi metode elemen hingga untuk analisa tekanan. Zienkieewicsz dan Cheung menggunakan metode elemen hingga keseluruh jenis masalah medan yang bisa diformulasikan kedalam bentuk varisional. Gallagher dan kawan kawan telah menggunakan metode elemen hingga dalam mekanik fluida. Dengan perkembangan pendekatan matemetika seperti Geralkin dalam formulasi persamaaan elemen hingga. Dengan seluruh kemajuan ini, metode elemen hingga adalah alat analitik dikembangkan untuk mendapatkan respon tekanan struktur. Kemudian diperluas untuk memprediksi perilaku dari bidang-bidang atau domain non struktur, seperti mendapatkan medan tekanan dan kecepatan arus cairan serta sebaran temperatur maupun fluks pana dalam masalah pindahan panas. Pada dasarnya juga menyelesaikan seperti pergeseran, kecepatan dan temperatur. Kegunaan metode elemen hingga untuk menyelesaikan geometris yang sukar dengan pendekatan mendiskertisasi atau membagi-bagi bidang struktur atau bidang lain kedalam jumlah yang lebih kecil.

Dalam aplikasi metode elemen hingga ada tiga istilah yang digunakan yaitu : Pre-prosesor, Prosessolusi, Post-prosesor. Pre-prosesor adalah proses persiapan geometris, pemilihan elemen-elemen, dikretisasi domain, pemilihan material, pemakaian muatan dan spesifikasi kondisi batas. Prosessolusi adalah menentukan

persamaan keseimbangn untuk megahasilkan nilai medan node (pergeseran, temperatur dan lain lain). Post-prosesor adalah proses menunjukan parameter analitis yang dibutuhkan. Dengan post proses dapat menevalusi distribusi tekanan, pergeseran struktur, ditribusi tekanan, atau distribusi fluks panas .

2.6.2 Langkah umum Metode Elemen Hingga

Sebelun analisis dilakukan, bidang yang akan dianalisis didefenisikan secara jelas, geometri dari bidang harus jelas, pengaruh lingkungan harus diketahui kondisi pembatas harus didefenisikan dengan jelas. Maka dengan langkah berikut dilakukan analisis dengan metode elemen hingga :

1. Mendiskretisasi domain dan memilih jenis jenis elemen, Membagi-bagi elemen (Meshing elemen) dengan node-node yang berhubungan, memilih jenis elemen yang cocok. Diskretisasi elemen ditunjukan pada Gambar 2.15.

2.Memilih fungsi pergeseran, dalam hal ini menggunakan nilai nodal dari elemen. Polynomial linier merupakan fungsi yang digunakan karena mudah dikerjakan dalam formulasi elemen hingga.

3.Mendefenisikan regangan/pergeseran dan hubungan,dan

tegangan/regangan, hubungan ini bertujuan untuk mendapatkan persamaan untuk setiap elemen hingga,

dx du

=

∈Χ ...(2.8) dari hukum tegangan dan regangan, hukum Hooke, sering digunakan dalam analisis tekan,

σ_x = Eε_Χ...(2.9)

Dimana :

σx = Tegangan sepanjang x

E = Moduls Elastisitas ∈x = Regangan sepanjang x

4.Mendapatkan matriks kekakuan elemen dan persamaan, persamaan ini didasarkan pada konsep koefisien pengaruh kekakuan, yang mempertimbangkan latar belakang dalam analisis struktural. Dengan mempergunakan beberapa metoda seperti metoda keseimbangn langsung, metode kerja atau energi, akan menghasilkan persamaan untuk menggambarkan perilaku elemen .

dalam bentuk matriks :

Dimana :

f = gaya

k = matriks stiffness d= nodal

5.Rangkai persamaan elemen untuk mendapatkan persamaan global, Persamaan akhir dalam bentuk matriks :

{ }

F =

[ ]

k

{ }

d ...(2.11) 6.Menyelesaikan tingkat kebebasan yang belum diketahui

7.Menyelesaikan regangan dan tekanan elemen.

8.Menganalisa hasil yang digunakan dalam proses desain analisis.

2.6.3. Elemen tetrahedra.

Bentuk elemen tetrahedra ditunjukan pada gambar berikut ini .

z,w 1

2 3

4 y,v

x,u

Langkah-langkah menganalisa elemen tetrahedra adalah :

Lagkah 1 : Diskretisasi dan pemilihan tipe elemen.

Memperhatikan cara penomoran yang dilakukan. (nomor terakhir = 4 terlebih dahulu dikerjakan ,sedangkan yang lainnya serah degan kebalikan arah jarum jam. Displacemen ={q}

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = 4 4 4 1 1 1 . . } { w v u w v u q ...(2.12)

Langkah 2 : Pemilihan fungsi displacemmen

fungsi displacemen u,v,w merupakan fungsi linier karna hanya ada dua node yang membatasi sebuah rusuk elemen . masing masing fungsi dispalacemen tersebut adalah:

u(x,y,z) =a1 + a2x + a3y +a4z………(2.13)

v(x,y,z) =a5 + a6x + a7y +a8z………...(2.14)

w(x,y,z) =a9 + a10x + a11y +a12z………..(2.15)

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

(

) (

)

(

) (

)

⎥_⎦⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + + + + + + + + + + + + + = 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 6 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 β γ δ α β γ δ

α

..(2.16) dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut :

4 4 3 4 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 6 z y x z y x z y x z y x

v= ...(2.17)

v menyatakan volume dari elemen tetrahedra .Koefisien koefisien α1 ,

α1 ,β1,δ1, ( i = 1,2,3,4 ) dalam persamaan sebelumnya diberikan sebagai berikut :

5 4 4 3 3 3 2 2 2 1 z y x z y x z y x = α ...(2.18) 4 4 3 3 2 2 1 1 1 1 z y z y z y = β ...(2.19) 4 4 3 3 2 2 1 1 1 1 z y z y z y = γ ...(2.20) 4 4 3 3 2 2 1 1 1 1 z y z y z y − = β ……….…...(2.21) 4 4 4 3 3 3 1 1 1 2 z y x z y x z y x − = α ...(2.22)

4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 z y z y z y = β ...(2.23) 4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 z x z x z x = γ ...(2.24) 4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 y x y x y x = δ ...(2.25) 4 4 4 3 3 3 1 1 1 3 z y x z y x z y x = α ...(2.26) 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 z y z y z y = β ...(2.27) 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 z x z x z x = γ ...(2.28) 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 y x y x y x − = δ ...(2.29) 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 z y x z y x z y x − = α ...(2.30) 3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 y x y x y x − = β …...(2.31)

3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 z x z x z x = γ ...(2.32) 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 z x z x z x = γ ...(2.33) 3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 y x y x y x = δ ...(2.34)

Fungsi displacemen dalam kaitannya dengan shape fungsi N ditulis sebagai berikut : ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 W V U W V U W V U W V U N N N N N N N N N N N N w v u ...(2.35) dimana, v z y x N 6 1 1 1 1

1 α β γ δ

+ + +

v z y x N 6 2 2 2 2 2 δ γ β

α + + +

= ...(2.37) v z y x N 6 3 3 3 3 3 δ γ β

α + + +

= ...(2.38) v z y x N 6 4 4 4 4 4 δ γ β

α + + +

= ...(2.39)

Langkah 3 : Menentukan strain – displacemen dan hubungan stress/strain

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 δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δδ δ δ δ δ δ γ γ γ ε ε ε ε ...(2.40)

dikalikan dengan matrik

[ ]

B ,strain dinyatakan sebagai :

dimana,

[ ]

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = X Z Y Z X Y Z Y X N N N N N N N N N B 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...(2.42)

dengan memasukkan harga Ni maka akan diperoleh persamaan sub matrik :

[ ]

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 β

δ δ γ

β

λ δ

γ β

B ...(2.43)

hubungan stress- strain diberikan melalui persamaan

{ }

σ =

[ ]

c

{ }

ε ...(2.45) dimana

[ ]

c ;

[ ]

_{( )(}

₎

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − − − − + = 2 2 1 0 2 2 1 0 0 2 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 1 1 v v v v v v v v v v v E C ...(2.46)

2.6.4 Aplikasi Metode Elemen Hingga

Metoda elemen hingga dapat digunakan untuk menanalisa masalah struktural dan non struktural .

Untuk struktural meliputi :

1. Menganalisis tekanan, termasuk truss dan frame, dan masalah konsentrasi tekanan yang biasanya yang berhubungan dengan hole, fillet atau perubahan dalam geometri.

2. Buckling 3. Analisis getaran Untuk Non-struktural termasuk :

1 . Pindahan Panas 2. Fluida

3. Distribusi potensial listrik atau magnetis.

2.7 Kerangka Konsep

Hasil yang diperoleh dalam suatu penelitian dipengaruhi oleh variabel-variabel penelitian itu sendiri. Kerangka konsep dalam penelitian ini tampak pada Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Kerangka Konsep Penelitian

Dari Gambar 2.17 dapat dilihat, permasalahan cedera kepala (keretakan tulang kepala disebabkan kecelakaan/tabrakan) diakibatkan oleh belum mampu menerima benturan, dalam hal ini kekuatan helm. Dari permasalahan diatas ingin mengetahui distribusi tegangan pada helm sepeda motor dari bahan komposit dengan simulasi MSC Nastran 4.5 . Dengan data data variable bebas yang diperlukan seperti Young Modulus, Poition ratio, Mass Density, Besar tegangan,

Permasalahan :

Mengetahui Sejauh Mana Besar Tegangan, Distribusi Tegangan pada

Permukaan Helm.

Simulasi Helm MSC / Nastran

4.5

Variabel bebas : 1. Propertis Helm

- Young Modulus - Poition Ratio - Mass Density 2. Jarak

3. Besar Tegangan

Hasil yang diperoleh : - Distribusi Tegangan - Tegangan Terbesar

- Membandingkan Besar Tegangan

1.Helm Komposit 2.Busa (foam) 3.Helm Komposit Dilapisi Busa

maka akan diperoleh hasil distribusi tegangan; tegangan terbesar pada helm sepeda motor dengan pembebanan dari atas ,samping dan belakang; perbandingan besar tegangan yang terjadi pada helm komposit, busa (foam), helm komposit dilapisi busa.Semua hasil akan diolah dan diperoleh kesimpulan yang merupakan jawaban dari tujuan penelitian.Untuk lebih jelas terdapat pada kerangka konsep penelitian diatas.

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

Tempat pelaksanaan penelitian dilaksanakan di laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Klarifikasi secara simulasi akan dilaksanakan di IC-STAR USU menggunakan perangkat lunak Autocad 2002 dan MSC/NASTRAN 4.5. Pelaksanaan penelitian dimulai sejak tanggal pengesahan usulan penelitian oleh Pengelola Program sampai dinyatakan selesai.

3.2 Bahan, Peralatan dan Metoda

3.2.1 Bahan

Struktur helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP), yang terdiri dari polyester resin tak jenuh BTQN 157 EX (unsaturated polyester resin) sebagai matriks dan serat kaca dari jenis E glass sebagai penguat, dengan variasi serat sebanyak dua lapis. Pemilihan BTQN 157 EX berdasarkan riset yang dilakukan Hasrin yang menghasilkan kekuatan bahan komposit BTQN 157 dan serat E glass sebesar 6,689 GPa untuk dua lapisan serat berbagai variasi jenis serat. Pemilihan ini disebabkan karena mudah diperoleh, memiliki modulus elastisitas tinggi dari matrik polimer, mudah dibuat menjadi serat yang tinggi kekakuannya, tahan karat, dan tahan terhadap beban impak.

Gambar 3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Dua Lapis.

Tabel. 3.1 Mekanikal Propertis komposit GFRP

No. Propertis Unit

1 Young modulus ,E 6,689 GPa

2 Poition Ratio , ν 0,33 3 Massa jenis ,ρ 1555 kg/m3

Material penyusun pelat komposit GFRP

a. Bahan matriks adalah unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX

Tabel. 3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX.

Sifat mekanis Satuan unit

Berat jenis Mgm-3 1,215

Modulus elastisitas Kg/mm2 300 Kekuatan tarik statis Kg/mm2 55

b. Bahan serat adalah serat gelas E, dengan sifat mekanis seperti diperlihatkan pada Tabel 3.3.

Tabel. 3.3 Sifat Mekanikal serat jenis E-glass Sifat Mekanis Satuan Unit

Diameter μm 12

Densitas g.cm2 2,53 – 2,60

Modulus elastisitas Kg/mm2 7300 Kekuatan tarik statis Kg/mm2 350 Elongation % 4,8

Pada penelitian ini spesimen helm yang akan diuji adalah helm sepeda motor dari bahan komposit (tampak pada Gambar 3.2). Pemilihan bahan komposit GFRP sebagai pemodelan helm dikarenakan bahan komposit GFRP mudah dibentuk sesuai dengan anatomi tengkorak manusia dan bahan komposit polimer lebih mudah disesuaikan kekuatannya dengan kekuatan tulang kepala dengan mengontrol jumlah lapisan serat yang digunakan.

a. Tampak depan b. Tampak samping

c. Tampak bagian dalam

3.2.2 Peralatan

Peralatan uji yang digunakan secara komputerisasi, dengan perangkat lunak software AutoCad 2002, MSC/NASTRAN for Windows 4.5

3.2.2.1 Software Autocad 2002

Program perangkat lunak yang dapat merancang,mendesign berbagai macam gambar baik dalam hal ukuran dimensi, model dimensi yaitu: 1 dimensi, 2 dimensi dan 3 dimensi sesuai dengan kebutuhan, sehingga terbentuk gambar yang sesuai dengan yang diinginkan.

3.2.2.2 MSC/NASTRAN for Windows 4.5

Program perangkat lunak yang dapat menganalisa/mensimulasi diantaranya adalah: Static, Bucking, Normal Modes dan Non Linier.

3.2.3 Metode

3.2.3.1 Metode Pengolahan Data.

3.2.3.1.2 Sifat Mekanik Material, dilakukan pada saat pengujian tarik untuk memperoleh modulus elastisitas, poition ratio.

3.2.3.1.3 Massa Jenis (ρ), dengan cara mengukur massa dibagi dengan volume specimen.Volume diketahui dengan mengukur dimensi pada saat specimen berbentuk potongan plat, sedangkan massa diukur dengan timbangan digital.

3.2.3.2Metode Analisa dengan Simulasi.

3.2.3.2.1 Menggambar helm komposit dan busa (foam) dengan Autoad 2002 Helm sepeda motor dari bahan komposit digambarkan sesuai dimensi (tampak pada Gambar 3.3), dengan geometri dibagi dua bertujuan untuk mempercepat proses analisa. Sedangkan busa digambarkandengan dimensi pada Gambar 3.4

Gambar 3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad 2002

3.2.3.2.2 Proses Simulasi Komputer

1. Proses Import gambar helm dari folder penyimpanan yang berada di Autocad 2002, kemudian dibuka di MSC/Nastran 4.5 pada kotak dialog Geometry File

Gambar 3.5 Proses Import dari Autocad

X Y

Z V1

2. Permukaaan helm di Mesh (bagi dalam elemen hexa atau tetra) pada kotak dialog Automatic Mesh Sizing.

Gambar 3.7 Kotak Dialog Ukuran Mesh

X Y

Z V1

3. Sifat mekanik modulus elastisitas poition ratio dan massa jenis dimasukkan ke kotak dioalog Define Isotropic Material.

Gambar 3.9 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas

4. Titik-titik tertentu di Constrain bertujuan agar tidak bergerak.

Gambar 3.11 Posisi Konstrain

5. Kurva tegangan vs waktu impak diperoleh pada saat simulasi MEH (metode elemen hingga) dari grafik tegangan insiden dari hasil pengujian akan dimasukkan ke kotak dialog Function Defenition.

Gambar 3.12 Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu TITIK 1

6. Pembebanan diberikan dalam bentuk Presure.

Gambar 4.13 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure

7. Dynamic Analisi, bertujuan proses penjalaran setelah pembebanan yang diberikan

8. Proses terakhir adalah Analisys Type.

Gambar 4.15 Kotak Dialog Analysis

6. Software Nastran ini beban akan diberikan dalam bentuk tegangan.

tegangan

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 waktu

Gambar 3.9 Hasil Grafik Dari Hasil Analisa

Contoh hasil bentuk pemberian beban pada helmet sepeda motor dari bahan komposit setelah proses analisa.

X Y

Z

F

120.(1)

7.552

5.947

4.341

2.736

1.131

-0.475

-2.08

-3.685 -5.29

-6.896 -8.501 -10.11 -11.71 -13.32

-14.92

-16.53 -18.13

V1 L1 C1

Output Set: Case 70 Time 0.0002415 Contour: Solid Z Normal Stress

Gambar 3.10 Hasil Simulasi Distribusi

3.3 Variabel Yang Diamati

Adapun variabel yang akan diamati dalam simulasi dengan software MSC/Nastran 4.5 secara keseluruhan variabel yang diamati pada penelitian ini adalah :

1. Jenis dan Geometri helm

2. Posisi pembebanan (titik pengimpakan) 3. Arah pengimpakan

4. Waktu pemberian beban (load)

5. Distribusi tegangan akibat pemberian beban pada helm

3.4 Pelaksanaan Penelitian

Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan secara berurutan dan sistematis. Pelaksanaan penelitian dimulai dari penelusuran literatur dan penyusunan proposal penelitian, design/modeling helm dari bahan komposit;

busa (foam); helm komposit dilapisi busa (foam), serta simulasi komputer. Semua data akan diolah dengan simulasi MSC/Nastran 4.5 dan diperoleh kesimpulan yang berupa jawaban dari tujuan penelitian. Untuk lebih jelas dapat dilihat diagram alir pelaksanaan penelitian.

Ya

Tidak

Ya

Gambar 3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian

Penelusuran literatur & Penyusunan proposal

Design / Modeling - Helm Komposit - Busa (Foam)

- H.Komposit + Busa (Foam)

Analisa Simulasi MSC/Nastran

4.5

Hasil Distribusi tegangan

Selesai Mulai

X Y

Z V1

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit

Helm yang digunakan untuk simulasi ini adalah helm sepeda motor non standart dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP).Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software Autocad seperti pada Gambar 4.1, model solid, pemodelan elemen hingga dilkakukan dengan menggunakan MSC/Nastran 4.5.

Gambar 4.1 Gambar Helm dengan Autocad Gambar 4.2 Helm Solid

Gambar 4.4 Lapisan Foam dengan Autocad

Gambar 4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa

Model elemen hingga dan arah impak helm digambarkan pada Gambar 4.6. Masing masing beban impak helm komposit, beban impak pada busa (foam), dan beban impak pada helm komposit dilapisi busa (foam), bertujuan untuk melihat distribusi tegangan pada permukaaan helm dilakukan dengan pengimpakan atas, samping, dan belakang. Bentuk elemen yang diguanakan adalah elemen solid tetrahedral 4 node. Penelitian ini dilakukan hanya dengan simulasi, dimana material yang digunakan diambil dari peneliti sebelumnya,

X Y

Z V1

X Y

Z V1

X Y

Z V1

[Indra] Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP), yang terdiri dari polyester resin tak jenuh BTQN 157 EX (unsaturated polyester resin).

( A ) Impak Atas

(B) Impak Samping

(C) Impak Belakang

Gambar 4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit

b a

b a

b a

X Y

Z V1

X Y Z V1

Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software autocad (Gambar 4.7 & 4.8). Helm digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm yang sebenarnya (Gambar 4.3).

Gambar 4.7 Helm Tampak Depan

Gambar 4.9 Dimensi Helm dengan Autocad

Seteleah itu helm dipindahkan ke software MSC/Nastran 4.5 dengan mengimport dari model autocad (Gambar 4.7). Dalam MSC/Nastran 4.5 analisa bisa dilakukan dengan mengambil setengah dari model helm yang sebenarnya, dengan syarat bentuk geometri helm harus simetris terhadap salah satu sumbunya (Gambar 4.9).

Gambar 4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad

Gambar pemodelan yang digunakan adalah helm potongan (saat pemodelan helm penuh dibagi dua) maka akan tampil pada Gambar 4.11

X Y

Z V1

Di dalam software MSC/Nastran 4.5 telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekaniknya, bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog untuk material otomatis akan terisi (Gambar 4.12).

Gambar 4.12 Kotak Dialog Jenis Material

Material yang digunakan material komposit.

Namun karena material helm dalam penelitian ini tidak terdapat dalam daftar yang disediakan oleh MSC/Nastran 4.5 maka sifat-sifat mekanik yang telah diperoleh melalui data literatur seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog (Gambar 4.13)

Ketika helm dimodelkan dengan software autocad, ukuran helm dibuat dalam satuan milimeter, sehingga modulus elastisitas dan massa jenis dari hasil uji tarik sebelumnya oleh Indra yang masih memakai satuan meter harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam satuan milimeter sebelum dimasukkan ke dalam kotak dialog.

E = 6,689 GPa = 6,689.109

2

m N

= 6689 ₂ mm

N E = 6689 Mpa.

3 6 3

10 . 555 , 1 1555

mm kg m

kg

− =

=

ρ ρ

Gambar 4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit

Bentuk elemen yang digunakan dalam simulasi adalah elemen solid tetrahedral empat node (Gambar 4.16). Jumlah elemen yang akan terbentuk pada model helm tergantung pada ukuran elemen (element size) yang terdapat dalam kotak dialog (Gambar 4.15). Ukuran elemen yang digunakan adalah 6, dan ukuran elemen maksimum juga 6. Helm setelah selesai di mesh dapat dilihat pada gambar 4.17.

X Y

Z V1

Gambar 4.16 Model Elemen Tetrahedral

X Y

Z V1

Gbr 4.17 Helm yang dimesh

Karena dalam penelitian ini beban yang disimulasikan adalah beban impak dari sebelah atas helm atau dalam MSC/Nastran artinya beban impak tersebut diberikan dalam arah sumbu Z (Gambar 4.18), maka untuk gerakan translasi helm harus diconstraint dalam arah sumbu X dan Y saja. Sedangkan untuk arah Z tidak

dikonstrain karena pada arah sumbu ini helm akan bertranslasi setelah kena beban impak (Gambar 4.19). Helm setelah selesai diconstraint dapat dilihat pada gambar 4.14.

X Y Z

1212 121212121212 1212121212 1212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212₁₂1212121212121212121212121212121212121212₁₂12121212121212121212₁₂121212121212121212121212₁₂1212₁₂121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212

12 121212 121212121212 1212 121212 12 1212121212 121212121212 1212 121212121212121212121212121212121212

12 1212 1212 121212 1212121212 121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212₁₂121212121212121212121212121212121212121212121212₁₂12121212121212₁₂₁₂12₁₂1212121212121212121212121212₁₂12121212₁₂121212₁₂121212₁₂121212₁₂1212₁₂1212121212₁₂12₁₂₁₂12₁₂₁₂1212121212₁₂12₁₂1212121212₁₂121212₁₂12₁₂₁₂

8.2(1)

12121212₁₂12 12₁₂1212 121212121212121212121212₁₂₁₂121212121212₁₂121212₁₂12₁₂12121212₁₂121212₁₂₁₂12

12 12 12 12 12 12 12 12 12₁₂₁₂12 12₁₂₁₂₁₂ 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 121212 12 12 12 12 12 12 12 12 12₁₂ 12 12₁₂₁₂ 12 12 12 12 12 1212 121212121212 1212121212 1212 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12₁₂ 121212 12 1212

12 12 121212 12 12121212 12121212121212 12 121212 12 12 12121212 1212₁₂1212

1212 12 12 12 12 12 12 1212 12 12 12 12 12 12 12 12 1212121212 12121212 121212121212121212121212121212121212121212

12 1212 1212 12 12 1212 12 12 12 12 12 12 12 12 1212 1212 12121212 1212121212

12

12 1212 121212 12 1212 12121212 12121212

12 12 12 12₁₂ 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 1212 12121212 1212 12 12 1212 1212 12121212121212121212121212

12 121212121212 1212121212

12 12 121212

12 121212

1212 1212121212 12 12121212 121212

12 1212 121212 1212121212 12 12 12 12 12

12121212121212 1212121212 12 12 121212121212121212

1212 12121212 12121212 1212

1212121212 12121212

12 12 1212

12 12 121212 12 1212 1212 12 12 12 12121212 1212121212 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 1212121212 12 12121212 12

12 1212121212 12121212 12 12 1212 12 12 12 12 12 12 1212121212 12 12 12121212 121212121212

12 121212 121212121212 12 12 1212 12 1212121212121212121212 12 1212 1212 12 12 121212 12 1212 12 121212 12 1212₁₂ 12 121212 1212 12 1212 1212 1212 121212 V1

L1 C1

Gambar 4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z.

Gambar 4.19 Kotak Dialog Konstrain

X Y

Z

12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12

12 121212 12 1212 12121212

12121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 12121212 12121212121212121212 121212 12121212121212121212121212 1212 1212121212121212121212 1212 12121212121212121212121212121212 1212 1212 1212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 1212121212 121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 1212121212 1212121212121212121212 1212121212 1212 12121212121212121212 121212121212121212121212121212121212121212121212121212 12121212121212 1212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 V1

C1

.

Gambar 4.20 Posisi Konstrain

Gambar 4.21 Helm setelah dikonstrain TITIK 1

Untuk menempatkan besarnya nilai elemen pada permukaan helm bagian atas dengan memilih dan menggunakan nilai elemen yang terbesar (Gambar 4.22).

Gambar 4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen

Di dalam software MSC/Nastran tersedia beberapa jenis bentuk pembebanan, diantaranya adalah dalam bentuk gaya (force) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). maka dipilih pembebanan dalam bentuk pressure (Gambar 4.24). Besar beban yang diberikan adalah 8.2 MPa dengan fungsi dyna.

Pemberian Beban,[Jones N]

Jika V1 = 108 km/jam (diasumsikan)

= 30 m/s (Kecepatan orang jatuh saat tabrakan) m1 = 2,3 kg (berat kepala)

Av = 10 ( 0 ≤ Av ≤ 300 )

Maka

a1 = Av . g

134

136

138

RUBRI K RAD AR AGAM A KOLOM

Ka m is, 8 Ok t obe r 2 0 0 9

8

Ju m a t , 2 3 D e se m be r 2 0 0 5

Pe n j e la sa n M e n ge n a i H e lm da n

Pe n ggu n a a n Sa bu k Ke se la m a t a n

Menanggapi at as kr it ikan yang disam paikan t ent ang penggunaan helm dan sabuk pengam an, berikut penj elasan disam paikan beber apa hal unt uk diket ahui. Helm sebagai per lengkapan kendar aan berm ot or sesuai dengan UU No. 14/ 1992 dan KEP MEN 72 Tahun 1993. Penggunaan helm dan penggunaan sabuk keselam at an t elah diat ur sesuai dengan UU No. 14 Tahun 1992, yait u :

1. Pasal 23 Ayat 1 dan 2 hur uf ( e) :

- Ayat 1 : Mem akai sabuk keselam at an bagi pengem udi kendar aan berm ot or roda em pat at au lebih, dan m em per gunakan helm bagi pengem udi kendar aan r oda dua at au bagi pengem udi kendar aan berm ot or roda em pat at au lebih yang t idak dilengkapi dengan r um ah-r um ah.

- Ayat 2 : Penum pang kendar aan berm ot or roda em pat at au lebih yang duduk di sam ping pengem udi w aj ib m enggunakan sabuk keselam at an dan bagi penum pang kendar aan ber m ot or r oda dua at au kendar aan berm ot or roda em pat at au lebih yang t idak dilengkapi dengan r um ah-r um ah w aj ib m em akai helm .

2. Pasal 61 :

- Ayat 2 : Bar ang siapa t idak m enggunakan sabuk keselam at an pada w akt u m engem udikan kendar aan berm ot or roda em pat at au lebih, at au t idak m enggunakan helm pada w akt u m engem udikan kendar aan berm ot or roda dua at au pada w akt u m engem udikan kendar aan ber m ot or r oda em pat at au lebih yang t idak dilengkapi r um ah- r um ah, sebagaim ana dim aksud pasal 23 ayat ( 1) hur uf ( e) , dipidana dengan pidana kurungan paling lam a 1 ( sat u) bulan at au denda set inggi- t ingginya Rp. 1 j ut a. - Ayat 3: Bar ang siapa t idak m em akai sabuk keselam at an pada w akt u duduk di sam ping pengem udi kendar aan ber m ot or r oda em pat at au lebih, at au t idak m em akai helm pada w akt u m enum pang kendar aan berm ot or roda dua,at au m enum pang kendar aan ber m ot or r oda em pat at au lebih yang t idak dilengkapi rum ah- r um ah, sebagaim ana dim aksud pasal 23 ayat ( 3) , dipidana dengan pidana kur ungan paling lam a 1 ( sat u) bulan at au denda set inggi- t ingginya Rp. 1 j ut a.

3. Pasal 76 PP Tahun 1993 :

- Ayat 1: Sabuk keselam at an sebagaim ana dim aksud dalam pasal 70 hur uf E, ber j um lah dua j angkar at au lebih yang dipasang unt uk m elengkapi t em pat duduk pengem udi dan penum pang di sam ping

1. Pasal 4

( 1) Helm adalah bagian dari perlengkapan kendar aan berm ot or ber bent uk t opi pelindung kepala yang ber fungsi m elindungi kepala pem akainya apabila t er j adi bent ur an.

( 2) Helm sebagaim ana dim aksud dalam ayat ( 1) t er diri at as bagian-bagian yang m eliput i :

a. Tem purung, yait u bagian yang ker as dan halus m er upakan bagian paling luar dari helm .

b. Pelindung m uka, yait u bagian m uka helm yang dapat m elindungi sebagian at au seluruh bagian m uka dan t er buat dar i bahan yang bening. c. Lapisan pelindung, yait u lapisan helm bagian dalam yang dipasang dengan m aksud unt uk m enyer ap energi bent ur an.

d. Lapisan pengam an yait u lapisan lunak yang dipasang di bagian dalam dar i helm unt uk m em berikan kenyam anan pada wakt u digunakan dan j uga ber fungsi unt uk m elindungi kepala pem akainya.

e. Tali pem egang yait u bagian dari helm ber upa t ali yang dilengkapi dengan kunci pengikat yang ber fungsi sebagai pengikat helm dengan kepala pem akainya, sehingga t idak m udah lepas.

f. Tut up dagu adalah kelengkapan dari t ali pem egang yang m enut upi r ahang baw ah pem akai helm , pada w akt u t ali pem egang dalam keadaan t er kunci.

g. Pelindung m at a yait u bagian dar i helm yang t erbuat dari bahan bening dan ber fungsi m elindungi m at a pem akainya.

h. Lubang vent ilasi yat u lubang pada helm

Atas

]