UB HARAH 421017 SARJANA SIN FAKU MATERA U AN 4 KEKUATA OBIL DAR AT SERAT IT

  EKSP PERIMEN DAN SIM MULASI AN NSYS 14.0 K KEKUATA AN IMPAK K

JATU UH BEBAS S PADA ST TRUKTUR R ATAP M OBIL DAR RI BAHAN N

OLYMERIC

  IC FOAM

KOM MPOSIT PO D DIPERKUA AT SERAT T TANDAN N

KOSO ONG KELA APA SAWI

  IT

  

Skrip psi Ini Diaju ukan Untuk k Melengkap pi Salah Sat tu

Syara at Untuk M Memperoleh h Gelar Sar rjana Tekn nik

             

  

NIM. 0904 421017

PROGR RAM PEN NDIDIKAN SARJANA A EKSTEN NSI

DEPARTE EMEN TEK KNIK MES SIN FAKU ULTAS TEK KNIK

U UNIVERSI

  ITAS SUM MATERA U UTARA MEDA AN 2014

  

4

  

ABSTRAK

  Tandan kosong kelapa sawit jumlahnya sangatlah melimpah dikarenakan pabrik pengolahan kelapa sawit yang terdapat di Indonesia memiliki jumlah yang sangat banyak, menurut survey yang dilakukan limbah tandan kosong kelapa sawit saat ini mencapai 20 juta ton. Tandan kosong kelapa sawit memiliki nilai ekonomis untuk direkayasa sebagai bahan alternatif yang dapat dimanfaatkan dengan alasan masih berlimpahnya bahan baku, bebas korosi, tahan dan mampu menyerap panas, oleh karena itu serat tandan kosong kelapa sawit dapat dimanfaatkan sebagai penguat bahan komposit polymeric foam. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui proses pembuatan, menganalisa kekuatan struktur atap mobil terhadap beban impak jatuh bebas dan mensimulasikan dengan meggunakan perangkat lunak Ansys 14.0. Pembuatan struktur atap mobil dari bahan komposit polymeric

  

foam dibuat menggunakan metode penuagan langsung yang terdiri dari bahan

  matrik dan penguat. Matrik resin BTQN 157 EX, poliuretan dibuat dari campuran poliol dengan isosianat, serta katalis MEKPO dan sebagai penguat adalah serat tandan kosong kelapa sawit. Cetakan struktur atap mobil terbuat dari plat besi dengan ukuran 800 [mm] 500 [mm] 2 [mm]. Untuk mengetahui respon struktur atap mobil dengan ukuran 800 [mm] 500 [mm] 5 [mm] maka dilakukan uji impak jatuh bebas. Hasil uji impak jatuh bebas diperoleh dari sembilan struktur Atap mobil yaitu: A , A , A , A , A , A , A , A dan

  1-1 2-1 3-1 1-2 2-2 3-2 1-3 2-3

  A , ketinggian divariasikan dengan ketinggian 0,5 m, 1 m, dan 1,5 m. Setelah

  3-3

  dilakukan pengujian impak jatuh bebas untuk masing-masing struktur uji maka dapat diperoleh kesimpulan bahwa kekuatan struktur atap mobil yang paling aman diperoleh pada struktur A 2-1 ketingian 0,5 [m] yaitu: gaya maksimum (

  ) 29691,6 [Pa], momentum (M) =

  =

  66,8061 N], tegangan maksimum ( 21,3289 [kgm/s], impuls (I) = 2,0709 [N.s], Energi impak eksperimen (E Ie ) = 33,4030 [J], Energi potensial (E p ) = 31,392 [J] dan Energi serap (E s ) = 2,011 [J].

  Sedangkan hasil simulasi perangkat lunak Ansys 14.0 diperoleh ( ) = 31130 [Pa]. Kata kunci: Serat tandan kosong kelapa sawit, komposit, polymeric foam, uji impak jatuh bebas, simulasi Ansys 14.0.

  ABSTRACT Oil palm empty fruit bunches numbers are very abundant due to palm oil mills located in Indonesia has very much, according to a survey of waste oil palm empty fruit bunches currently reach 20 million tons. Oil palm empty fruit bunches have to be engineered as the economic value of alternative materials that can be used as it is still an abundance of raw materials, corrosion free, resistant and able to absorb heat, therefore oil palm empty fruit bunches fiber can be used as a reinforcement material polymeric composite foam. The purpose of this study to determine the manufacturing process, analyzed the power structure of the roof of the car to impact loads and simulates the free fall is by using Ansys 14.0 software. Making the car roof structure of polymeric foam composite material made using the method of direct penuagan consisting of matrix and reinforcement materials. 157 Ex BTQN resin matrix, made of a mixture of polyurethane polyol with an isocyanate, and catalyst MEKPO and the amplifier is the fiber of oil palm empty fruit bunches. Mold car roof structure is made of steel plate with a size of 800 [mm] × 500 [mm] × 2 [mm]. To study the response of the car roof structure with a size of 800 [mm] × 500 [mm] × 5 [mm] then tested the free-fall impact. Free fall impact test results obtained from nine car roof structure are: A1-1, A2-1, A3- 1, A1-2, A2-2, A3-2, A1-3, A2-3 and A3-3, height varied with the height of 0.5 m, 1 m, and 1.5 m. After testing the free-fall impact for each test structure, it can be concluded that the strength of the roof structure of the safest car is obtained on the structure of A2-1 of the level of 0.5 [m], namely: maximum force (F_Max) = 66.8061 [N], the voltage maximum ( σ_maks) = 29691.6 [Pa], momentum (M) = 21.3289 [kgm / s], impulse (I) = 2.0709 [Ns], impact energy experiments (EIE) = 33.4030 [J ], potential energy (Ep) = 31.392 [J] and energy absorption (Es) = 2.011 [J]. While the simulation results obtained software Ansys 14.0 ( σ_maks) = 31130 [Pa].

Keywords: oil palm empty fruit bunch fibers, composites, polymeric foam, free

fall impact test, simulation Ansys 14.0.

KATA PENGANTAR

  Teriring salam kita panjatkan Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Shalawat dan salam baginda Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, atas izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

  Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik, di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang diambil dari mata kuliah Elemen Mesin yaitu “EKSPERIMEN DAN SIMULASI ANSYS 14.0 KEKUATAN IMPAK

  

JATUH BEBAS PADA STRUKTUR ATAP MOBIL DARI BAHAN

KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN

KOSONG KELAPA SAWIT ”.

  Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, ilmu pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Ir. Syahrul Abda, MSc sebagai Dosen Pembimbing.

  Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

  1. Bapak Ir. Syahrul Abda, MSc sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang banyak memberi bimbingan, arahan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.

  2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.

  Bapak Ir. Syahrul Abda, MSc selaku Koordinator Skripsi.

  3. Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME selaku dosen pembanding I dan bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II penulis.

  4. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik.

  6. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009 dan khususnya kepada Aidil suhada, yang banyak memberi motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini. Kedua orang tua tersayang, Ayahanda Alm. Drs. Ismail Harahap dan Ibunda

  Juliana Hasibuan dan adik-adik tersayang Nurlatifa Hannum Harahap, Rizky Mulia Harahap, Rizka Fauziah Harahap dan uda saya Zupri Harahap atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

  Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang kurang tepat dalam skripsi ini sebagai insan manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Atas kata-kata ini penulis diakhiri mengucapkan terimakasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya. Amin Yaa Rabbal ‘Alamin”.

  Medan, 14 April 2014 Penulis,

  Abdullah Yaqub Harahap NIM : 090421017

     

  DAFTAR ISI

  2.2 Matrik ............................................................................................ 6

  2.5.1 Teori Uji Impak Jatuh Bebas ...................................... 15

  2.5 Uji Impak Jatuh Bebas .......................................................... 15

  2.4 Densitas ............................................................................... 15

  2.3 Penguat ........................................................................................ 14

  2.2.4 Katalis Mekpo ................................................................... 13

  2.2.3.2 Isocyanate .............................................................. 12

  2.2.3.1 Polyol ..................................................................... 12

  2.2.3 Blowing Agent ........................................................................ 9

  2.2.2 Poliuretan ............................................................................. 8

  2.2.1 Resin Polierter Tak Jenuh .................................................... 6

  2.1 Komposit ....................................................................................... 5

  Halaman

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5

  1.6 Sistematika Penulisan ................................................................... 4

  1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................ 3

  1.4 Tujuan Penelitian .......................................................................... 3

  1.3 Batasan Masalah ........................................................................... 2

  1.2 Perumusan Masalah ...................................................................... 2

  1.1 Latar Belakang .............................................................................. 1

  BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1

  KATA PENGANTAR ...................................................................................... iii DAFTAR ISI ...................................................................................................... v DAFTAR TABEL .......................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x DAFTAR NOTASI ......................................................................................... xiii

  ........................................................................................................ ii

  ABSTRAK .......................................................................................................... i ABSTRACT

  2.5.1.1 Gerak Lurus .................................................... 17

  2.5.1.2 Momentum ...................................................... 18

  2.5.1.3 Impuls .............................................................. 19

  2.5.1.4 Energi ................................................................ 19

  2.5.1.5 Tegangan ......................................................... 20

  2.5.1.6 Pengukuran Gaya Impak .................................. 20

  2.6 Hukum Hook ......................................................................... 21

  2.7 Ansys 14.0 Workbench .......................................................... 21

  2.7.1 Cara Kerja Ansys 14.0 Workbench ................................ 22

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................... 23

  3.1 Tempat Dan Waktu ................................................................... 23

  3.1.1 Tempat ............................................................................. 23

  3.1.2 Waktu ................................................................................ 23

  3.2 Bahan Dan Alat .......................................................................... 23

  3.2.1 Bahan ............................................................................... 23

  3.2.1.1 Resin BTQN 157 EX ............................................ 23

  3.2.1.2 Poliuretan (Blowing Agent) .................................. 24

  3.2.1.3 Katalis Mekpo ...................................................... 24

  3.2.1.4 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit ...................... 25

  3.2.1.5 WAX .................................................................... 25

  3.2.2 Alat .................................................................................... 26

  3.2.2.1 Mesin Pencacah ..................................................... 26

  3.2.2.2 Timbangan Digital ................................................ 27

  3.2.2.3 Cetakan Struktur Atap Mobil ............................... 27

  3.2.2.4 Alat Pendukung ..................................................... 27

  3.3 Pengukuran Struktur Atap Mobil .............................................. 28

  3.4 Proses Pembuatan Cetakan Struktur Atap Mobil ...................... 28

  3.5 Proses Pembuatan Struktur Atap Mobil .................................... 29

  3.6 Prosedur Pengujian Impak Jatuh Bebas .................................... 31

  3.6.1 Set-Up Pengujian Impak .................................................. 32

  3.6.2 Prosedur Kalibrasi ............................................................. 33

  3.6.3 Prosedur Pengujian Impak ............................................... 36

  3.7 Simulasi Ansys 14.0 Workbench ............................................... 36

  3.8 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 41

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................... 43

  4.1 Hasil Pengujian Impak Jatuh Bebas .......................................... 43

  4.1.1 Hubungan Gaya Dan Waktu ............................................ 43

  4.2 Respon Struktur Atap Mobil ..................................................... 87

  4.3 Hasil Uji Tarik .......................................................................... 90

  4.4 Hasil Simulasi Ansys 14.0 Workbench ..................................... 97

  4.4.1 Distribusi Tegangan ......................................................... 97

  4.4.2 Hasil Simulasi Ansys 14.0 Workbench .......................... 102

  4.5 Perbandingan Hasil Eksperimen Dan Simulasi ........................ 103

  4.6 Verifikasi Perbandingan Simulasi Ansys 14.0 Dan Catia

  V5R21 ...................................................................................... 103

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 104

  5.1 Kesimpulan .............................................................................. 104

  5.2 Saran ......................................................................................... 104

  DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Karakteristik Mekanik Polister Resin Tak Jenuh ..................................... 6Tabel 2.2 Spesifikasi Unsaturated Polyester Resin Yucalac 157 ............................ 7Tabel 2.3 Parameter Tipikal Tandan Kosong Kelapa Sawit Per kg ....................... 14Tabel 2.4 Waktu dan Kecepatan Benda Jatuh ........................................................ 16Tabel 3.1 Kegiatan dan tempat penelitian .............................................................. 23Tabel 3.2 Spesifikasi Mesin Pencacah ................................................................... 26Tabel 3.3 Perbandingan Bahan Pembentuk Struktur ............................................. 30Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Impak Jatuh Bebas Stuktur A 1-1 .......................... 43Tabel 4.2 Data Olah Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 1-1 ........... 45Tabel 4.3 Tabel Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A ......... 48

  2-1

Tabel 4.4 Data Olah Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 2-1 .......... 50Tabel 4.5 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 3-1 ................... 52Tabel 4.6 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 3-1 ................... 55Tabel 4.7 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A ................... 57

  1-2

Tabel 4.8 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 1-2 ................... 59Tabel 4.9 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 2-2 ................... 61Tabel 4.10 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A ................. 64

  2-2

Tabel 4.11 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap A 3-2 ................................ 66Tabel 4.12 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 3-2 ................. 68Tabel 4.13 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Tehadap Struktur A ................... 71

  1-3

Tabel 4.14 Data Olah Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 1-3 ......... 73Tabel 4.15 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 2-3 ................. 75Tabel 4.16 Data Olah Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 2-3 ......... 78Tabel 4.17 Data Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A ................. 80

  3-3

Tabel 4.18 Data Olah Hasil Uji Impak Jatuh Bebas Terhadap Struktur A 3-3 ......... 83Tabel 4.19 Hasil Olah data Uji Impak Jatuh Bebas ............................................... 86Tabel 4.20 Hasil Uji Tarik Pada Spesimen A ....................................................... 96

  1 Tabel 4.21 Hasil Uji Tarik Pada Spesimen A 2 ....................................................... 96

Tabel 4.22 Hasil Uji Tarik Pada Spesimen A

  3 ....................................................... 97

Tabel 4.23 Hasil Simulasi Distribusi Tegangan Maksimum ............................... 102Tabel 4.24 Perbandingan Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi Ansys 14.0 ...... 103Tabel 4.25 Verifikasi Perbandingan Hasil Simulasi Ansys 14.0 dan Catia V5R21 ................................................................................ 103

  

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Ikatan Uretan Dan Reaksi Pembentukan Poliuretan ......................... 8Gambar 2.2 TDI chemical struktur ....................................................................... 13Gambar 2.3 Grafik hubungan v – t........................................................................ 16Gambar 2.4 Diagram Kecepatan dan Waktu ......................................................... 17Gambar 3.1 Resin BTQN 157 EX ........................................................................ 24Gambar 3.2 Polyol dan Isosianate ........................................................................ 24Gambar 3.3 Katalis Mekpo ................................................................................... 25Gambar 3.4 Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit .................................................. 25Gambar 3.5 Wax ................................................................................................... 26Gambar 3.6 Mesin Pencacah Serat TKKS ............................................................ 26Gambar 3.7 Timbangan Digital............................................................................. 27Gambar 3.8 Cetakan Struktur Atap Mobil ............................................................ 27Gambar 3.9 Alat Pendukung ................................................................................. 28Gambar 3.10 Ukuran Stuktur Atap Mobil ............................................................ 28Gambar 3.11 Cetakan Struktur Atap Mobil .......................................................... 29Gambar 3.12 Alat Uji Impak Jatuh Bebas ............................................................ 32Gambar 3.13 Komponen Alat Uji Impak Jatuh Bebas .......................................... 33Gambar 3.14 Prangkat Lunak DAQ for Impact testing ......................................... 34Gambar 3.15 Kabel loadcell dengan DAQ Lab-Jack U3-LV ................................ 35Gambar 3.16 Calibration Program ....................................................................... 35Gambar 3.17 Tampilan Awal Ansys 14.0 ............................................................. 37Gambar 3.18 Tampilan Enginering Data .............................................................. 37Gambar 3.19 Tampilan Desain Geometri ............................................................. 38Gambar 3.20 Tampilan Proses Meshing ............................................................... 38Gambar 3.21 Tampilan Parameter Simulasi ......................................................... 39Gambar 3.22 Tampilan Variabel Yang Akan Di simulasi .................................... 39Gambar 3.32 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 42Gambar 4.1 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m ......... 46Gambar 4.2 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m ......... 50Gambar 4.3 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m ......... 55Gambar 4.4 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m ............ 59Gambar 4.5 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m ............ 64Gambar 4.6 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m ............ 69Gambar 4.7 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m ......... 73Gambar 4.8 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m ......... 78Gambar 4.9 Kurva hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m ......... 83Gambar 4.10 Grafik Gabungan Hasil Impak Gaya Maksimum ............................. 85Gambar 4.11 Respon Struktur Atap Mobil ............................................................ 87Gambar 4.12 Grafik Tegangan Dan Regangan ...................................................... 87Gambar 4.13 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 68,67 N .................................................................................... 98

Gambar 4.14 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 66,8061 N ................................................................................ 98

Gambar 4.15 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 70,7301 N ................................................................................ 99

Gambar 4.16 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 123,7040 N .............................................................................. 99

Gambar 4.17 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 97,2171 N .............................................................................. 100

Gambar 4.18 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 185,6052 N ............................................................................ 100

Gambar 4.19 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 291,6513 N ............................................................................ 101

Gambar 4.20 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 203,2632 N ............................................................................ 101

Gambar 4.21 Distribusi tegangan Struktur Atap Mobil Dengan

  Gaya 494,9145 N ............................................................................ 102

  DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan

  2 A Luas penampang m

  d Diameter lekukan mm E Modulus elastisitas Gpa E ie Energi Impak J E P Energi Potensial J E Energi Serap J

  s

  F Gaya N F max Gaya Maksimum N

  2

  g Gravitasi m/s h Ketinggian m

  I Impuls Ns L Lebar m M Momentum kgm/s m Massa kg P Panjang m T Tebal m t Waktu s v Kecepatan m/s

• Regangan

  3

   Densitas kg/m

  max Tegangan Maksimum Pa

  σ