Perancangan dan Pengembangan Bogie Monor
!
%
" #! #
# !
$
&
'
J. Hendrawan1, J. Istiyanto2, T. P. Soemardi3
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424
e$mail: jekki.hendrawan@ui.ac.id1, tsoemardi@eng.ui.ac.id2, josist@eng.ui.ac.id3
!
Material yang dalam kondisi inisial mampu bekerja dengan baik karena pembebanan statik yang berada dibawah
batas luluh materialnya, dapat saja mengalami kegagalan saat pengoperasian, hal ini disebabkan karena selain
struktur menerima pembebanan statis, struktur juga mengalami tambahan pembebanan dinamis yang terjadi
berulang$ulang dalam waktu yang cukup lama. Tujuan dari analisa fatik dengan kriteria desain umur tak$hingga
adalah untuk mengoptimasi ketahanan material dalam pembebanan dinamis sehingga umurnya menjadi
tak$hingga. Dalam pengoperasiannya, bogie monorail akan menerima pembebanan dinamis yang berupa beban
penumpang, beban angin, beban sentrifugal, dan beban pengereman. Analisa fatik menjadi diperlukan untuk
mengoptimasi ketahanan struktur bogie terhadap pembebanan dinamisnya sehingga dicapai kriteria umur fatik
tak$hingga yaitu lebih besar dari 107 siklus pembebanan dinamis. Pengambilan keputusan dan asumsi$asumsi telah
dilakukan saat memberikan data masukan analisa fatik dengan menggunakan metode elemen hingga. Analisa
terhadap hasil dan diskusi telah dilakukan. Diperlukan modifikasi geometri, model konstruksi, dan atau pemilihan
material baru pada bagian struktur bogie dengan hasil umur fatik minimum untuk meningkatkan kemampuannya
dalam mencapai kriteria desain umur tak$hingga.
$
: analisa fatik, struktur bogie, monorail, beban dinamis, dan umur tak$hingga.
!#
!
"#$
%
&
'
(
)
Material yang pada kondisi inisialnya dapat bekerja
dengan baik, dapat saja mengalami kegagalan dalam
pengoperasiannya, hal ini disebabkan oleh adanya
pembebanan dinamis yang terjadi berulang$ulang.
Dalam prakteknya, suatu struktur dengan kondisi
pembebanan statis yang berada jauh dibawah batas
luluh materialnya, dapat juga mengalami kegagalan
apabila beban yang terjadi merupakan beban yang
berulang$ulang dalam waktu yang cukup lama.
(# #
Untuk tujuan desain, kita dapat menginvestigasi
kemungkinan$kemungkinan
dalam
melakukan
estimasi batas fatik material logam. Batas fatik
(
) didefinisikan sebagai amplitudo
tegangan tertinggi dimana material terkait memiliki
umur tak$hingga (
) [1].
1
Optimasi Kemampuan material
aterial unt
untuk mampu
bertahan dengan pembebanan dinamis dengan umur
tak$hingga merupakan tujuan
juan dari aanalisa fatik
dengan kriteria umur tak$hingga (
&
* [2].
(
Adanya fluktuasi tingkat kedataran llintasan, dan
gabungan beban$beban yang ber
berupa beban
penumpang, beban angin, beban sent
sentrifugal, dan
beban pengereman, menyebabkan
abkan munc
munculnya beban
dinamis pada struktur bogie
ogie monor
monorail. Dengan
menganalisa karakter pembebanann dinamis ini,
diharapkan dapat mengoptimasi
asi kemamp
kemampuan material
untuk bertahan dengan pembebanan
embebanan dinamisnya,
sehingga didapatkan umur fatik yang yang sama atau
lebih besar dari 107 siklus
us pembeban
pembebanan dinamis
dimana tegangan atau regangan
gangan loka
lokal dirancang
berada dalam batas elastis dan
an berada di
dibawah batas
kekuatan fatiknya [3].
&
)
).
Pendefinisian
Pendefinisia jenis sambungan.
Mendefinisikan metode dan membuat
, serta
menghindari
satu elemen dengan dua arah
berbeda yang dapat
apat menyebabkan
menye
ketidakakuratan
hasil perhitungan nantinya.
Penelitian dilakukan dengan metode ele
elemen hingga
(ANSYS) dengan langkah$langkah sebag
sebagai berikut :
Mempersiapkan model struktur bo
bogie dengan
menggunakan bantuan CAD
D SolidWork
SolidWorks, dilakukan
pemeriksaan terhadap bagian$bagian
bagian dari model yang
tumpang tindih (
) dan per
perakitan yang
tidak terdefinisi dengan baik (
&
), dilakukan modifikasi
ifikasi seper
seperlunya untuk
mendapatkan model yang bebass tumpan
tumpang tindih dan
terdefinisi
dengan
baik
(no
no
&
).
)
Memasukkan data material yaitu JIS G 3101 SS400
[5] dan JIS G 4051 S45C [6] yang mer
merupakan baja
karbon rendah untuk aplikasi struktur umum dan
struktur mesin. Properti yang diguna
digunakan adalah
properti mekanik dan tabel teg
tegangan$umur
(+&, ) [7].
)
Hasil meshing
eshing struktur bogie monorail.
Memasukkan kondisi
ondisi batas dan pembebanan pada
struktur bogie yang
ang berupa tumpuan tetap dan rol,
beban gerbong dan penumpang,
penumpa
beban angin, beban
sentrifugal, dan beban pengereman.
penger
Model struktur bogie m
monorail [4].
)
Mendefinisikan jenis sambungan
ungan pada m
model Bogie
yang berupa kontak, join, dan sistem
tem ppegas$damper
* Kondisi batas
atas struktur bogie monorail.
Memasukkan solusi
lusi struktural
struktur statis dan analisa fatik,
2
parameter masukan (
) dan asumsi
yang diperlukan untuk simulasi umur fatik.
Menjalankan proses simulasi dan perhitungan.
Memeriksa validitas hasil perhitungan dengan
matriks kualitas elemen dan tes konvergensi. Apabila
matriks kualitas elemen semakin bergerak ke nilai
satu, maka bentuk meshing yang dihasilkan semakin
proporsional dan seragam. Dan apabila hasil solusi
adalah konvergen, maka semakin ditingkatkan derajat
kebebasan dari meshing, hasil solusi perhitungan
akan semakin mendekati nilai yang sebenarnya,
dengan demikian hasil solusi perhitungan dinyatakan
valid.
)
)
+ Matriks kualitas elemen struktur bogie
monorail dengan kecenderungan ke nilai satu.
, Tes konvergensi pada shaft hanger bogie yang
menunjukkan data hasil perhitungan
analisa fatik yang konvergen.
Bila hasil perhitungan tidak valid maka kembali pada
langkah persiapan model untuk dilakukan
perbaikan$perbaikan.
Apabila
validitas
hasil
perhitungan tercapai maka dilanjutkan pada analisa
hasil dan penarikan kesimpulan.
)
3
- Alur masukan, proses, dan keluaran
dalam analisa fatik.
#
sebagai bentuk kompensasi terhadap adanya
perbedaan antara kekuatan fatik material dalam
pembebanan sesungguhnya dengan pembebanan
dalam pengujian fatik material.
!
Sebelum analisa umur fatik dilakukan, diperlukan
pengambilan keputusan terhadap parameter masukan
(
) ANSYS yang mencakup :
Jenis analisa fatik.
Terdiri atas analisa umur regangan (
& ),
analisa umur tegangan (
& ) dan analisa umur
retak (
& ). Analisa
&
digunakan untuk
siklus rendah (.
/
0 .-/) dibawah
100,000 siklus, sedangkan analisa
&
digunakan untuk siklus tinggi (1
/
0
1-/) diatas 100,000 siklus, dan analisa
&
atau
dimulai pada cacat yang
diketahui ukurannya lalu menentukan pertumbuhan
retak, namun jenis analisa ini tidak didukung oleh
perangkat lunak ANSYS [2].
Sesuai dengan desain umur tak$hingga (
&
), maka dipilih jenis analisa
&
dan
dimasukkan tabel +&, seperti pada tabel 1 di
bawah ini:
)
+&, hasil eksperimen Haftirman,
untuk SS400 (atas), dan S45C (bawah) [7].
Pada bogie monorail, diambil faktor kekuatan fatik
sebesar 1 atau diasumsikan tidak ada perbedaan
kekuatan fatik antara pembebanan pada model
dengan pembebanan saat pengujian material untuk
menghasilkan +&, .
Tabel S&, material SS400 (kiri),
dan material S45C (kanan) [7].
Tabel ini merupakan
dari hasil eksperimen
yang dilakukan oleh Haftirman [7] dengan spesimen
berdiameter 8 mm dalam kondisi temperatur ruang
dengan tingkat kelembaban sebesar 70% RH.
%
ini kemudian di
ke dalam
ANSYS untuk membuat +&, untuk
material SS400 dan S45C.
Faktor Modifikasi Fatik
Faktor modifikasi fatik terdiri dari:
Faktor kekuatan fatik (
0 2 ),
yaitu pengali yang digunakan untuk mengurangi
kekuatan fatik yang diberikan oleh S$N Curve
)
. S$N Curve SS400 (atas), dan S45C (bawah)
hasil dari
tabel 1 ke
ANSYS.
4
Faktor skala pembebanan (
),
merupakan nilai yang akan mengali atau membagi
semua tegangan dinamis baik tegangan
maupun rata$rata. Hal ini berguna untuk menghindari
perhitungan ulang statik struktural bila kondisi
pembebanannya diubah untuk keperluan analisa
dengan variasi pembebanan. Pada bogie monorail,
diambil faktor skala pembebanan sebesar 1 atau tidak
ada variasi pembebanan yang diberikan.
Dalam keadaan dimana amplitudo konstan namun
pembebanannya menjadi tidak proporsional, seperti
pada pembebanan tekuk dan puntir, sumbu tegangan
atau regangan prinsipalnya akan berubah diantara dua
set beban ini, sehingga lokasi fatik kritis yang
terjadi pada area tertentu menjadi sulit untuk
diidentifikasi dengan hanya melihat kondisi tegangan
pada salah satu pembebanan saja.
Bila
amplitudo
tidak
konstan,
sementara
pembebanannya proporsional, seperti pada hasil yang
dikeluarkan oleh
&
dalam pengukuran
tegangan suatu struktur, diperlukan data history
perubahan amplitudo pada rentang waktu yang
diketahui sebagai masukan untuk pembebanan
dinamis.
Komponen tegangan (
), merupakan
tegangan referensi yang akan digunakan dalam
perhitungan untuk mencari pola tegangan dinamis
( tegangan maksimum / σmax , tegangan alternating /
σa , tegangan rata$rata / σm , dan tegangan minimum /
σmin). Opsi pada komponen tegangan adalah sebagai
berikut: komponen X, komponen Y, komponen Z,
komponen XY, komponen YZ, komponen XZ,
tegangan Von Mises, tegangan +
Von Mises,
tegangan geser maksimum, tegangan prinsipal
maksimum, dan tegangan absolut prinsipal
maksimum. Pada bogie monorail, diputuskan untuk
menggunakan tegangan von$Mises (σvm) yang
dihasilkan dari perhitungan statik struktural sebagai
komponen tegangan referensi.
Kondisi dimana melibatkan lebih dari dua tegangan
yang tidak berhubungan satu sama lain akan
menciptakan amplitudo yang tidak konstan dan beban
yang tidak proporsional, hal ini menyebabkan lokasi
fatik kritis dan kombinasi pembebanan dimana
kerusakan terjadi menjadi tidak diketahui, sehingga
dibutuhkan penghitungan siklus tingkat lanjut
(
), dan perhitungan terhadap jenis beban
ini tidak didukung oleh ANSYS.
Satuan umur 3
), merupakan satuan yang
digunakan pada siklus, terdiri dari siklus, blok, detik,
menit, dan jam. Dan pendefinisian siklus yang
menyatakan berapa banyak siklus dalam satu satuan.
Pada bogie monorail, diambil detik sebagai satuan
umur, dan satu siklus sama dengan satu detik,
sehingga didapatkan frekuensi pembebanan dinamis
sebesar 1 Hertz.
Pada bogie monorel, diasumsikan jenis pembebanan
dinamis dengan amplitudo konstan sebesar 10 % dari
tegangan rata$ratanya (σm), pertimbangan ini diambil
karena melihat kondisi lintasan dan pembebanan pada
monorail yang relatif lebih stabil bila dibandingkan
dengan kondisi jalan dan pembebanan pada
.
Kondisi
pembebanan
yang
dipilih
adalah
pembebanan proporsional
mengikuti
kondisi
masing$masing bagian struktur bogie yang dihasilkan
dari perhitungan statik strukturalnya.
Jenis interpolasi (
), terdiri dari
log$log, semi$log, dan linear. Karena tidak semua titik
tegangan
tersedia dalam +&, , maka
apabila hasil perhitungan tegangan
jatuh
pada titik yang tidak tersedia, maka diperlukan proses
interpolasi dari titik$titik yang diketahui dalam +&,
untuk mendapatkan nilai yang sesuai. Pada
bogie monorail, digunakan jenis interpolasi semi$log
seperti terlihat pada gambar 9, dimana linier pada
sumbu y (tegangan
), dan logaritmik
berbasis 10 pada sumbu x (umur fatik).
)
Jenis Pembebanan Dinamis.
Siklus beban dengan amplitudo konstan [8].
Efek tegangan rata$rata.
Berdasarkan pada amplitudonya, beban dibagi
menjadi amplitudo konstan dan non konstan,
sedangkan berdasarkan pada pola pembebanannya,
beban dibagi menjadi beban proporsional dan non
proporsional. Pembebanan proporsional dengan
amplitudo konstan, seperti halnya pada tes fatik untuk
menghasilkan +&, , sumbu tegangan
prinsipalnya tidak berubah terhadap waktu sehingga
lokasi fatik kritis dapat lebih mudah diindikasikan.
Karakter pembebanan dinamis dengan amplitudo
konstan dan pembebanan proporsional terdiri dari
tiga jenis pembebanan yaitu :
/ &
(R = $1) dimana terdapat tegangan
tarik dan tegangan tekan dengan intensitas yang sama,
serta tegangan rata$rata (σm) yang nilainya nol;
5
dari struktur bogie
gie jarang sekali mengalami jenis
pembebanan seperti
perti ini. Jenis pembebanan selain
&
, memiliki tegangan
(σa)
yang nilainya perlu
rlu dikoreksi sehingga sesuai dengan
referensi tegangan
gan dari +&, , dikarenakan
tegangan yang dihasilkan pada jenis pembebanan
selain
&
ini,, semua pola tegangannya
merupakan tegangan
ngan tarik, sedangkan +&, yang dijadikan acuan untuk menghitung umur fatik
memiliki kondisii pembebanan
pembebana
&
dimana
pola tegangannya
ya merupakan
merupaka tegangan tarik dan
tekan.
Karakter pembebanan
ebanan dinam
dinamis dengan
)
amplitudo konstan dan pembebanan
&
.
Pada bogie monorel, diambil
diam
jenis pembebanan
dengan menggunakan
nakan rasio, diasumsikan tegangan
(σa) sebesar 10 % dari tegangan
rata$ratanya (0,1 σm),, maka
mak didapatkan tegangan
minimum (σmin) sebesar tegangan
te
rata$rata (σm)
dikurangi tegangan
(σa) atau σm $ 0,1 σm
yang nilainya adalah 0.9 σm, dan tegangan maksimum
(σmax) sebesar tegangan rata$rata
rat
(σm) ditambah
tegangan
(σa) atau σm+ 0,1 σm yang
nilainya adalah 1.1 σm sehingga
sehi
dapat dicari rasio
pembebanan (R)) sebesar tegangan
teg
minimum (σmin)
dibagi tegangan maksimum (σmax) atau 0.9 σm / 1.1
σm , maka didapatkan
tkan rasio sebesar
se
0.8182 [9].
Jenis pembebanan
&
(R
R = 0) dimana
hanya tegangan tarik yang terjadi deng
dengan tegangan
rata$rata (σm) yang nilainya
ya adalah sseparuh dari
tegangan maksimum (σmax), serta tegang
tegangan minimum
(σmin) yang nilainya nol;
Dan jenis pembebanan dengan ra
rasio dimana
perbandingan tegangan minimum (σmin) dan
maksimumnya (σmax) adalahh sebesar ras
rasio (R) yang
ditentukan, serta tegangan rata$rata
rata (σm) yang
nilainya adalah separuh dari selisi
selisih tegangan
maksimum (σmax) dan minimumnya
umnya (σmin).
Teori tegangan rata$rata (
).
Dikarenakan pola
la tegangan yang ditentukan pada
bogie monorel seluruhnya
eluruhnya merupakan
me
tegangan tarik,
sementara tegangan
dari referensi +&,
merupakan
an hasil dari uji fatik dengan pola
pembebanan tarik$tekan
tekan (
&reversed), maka
tegangan rata$rata (σm) hasil perhitungan dengan
pembebanan menggunakan
nggunakan rasio
ra sebesar 0.8182 akan
digunakan untuk mengoreks
oreksi tegangan
(σa) hasil perhitungan.
itungan. Teori
T
tegangan rata$rata
dengan jenis analisa
nalisa umur tegangan (
& )
meliputi: Goodman,
an, Soderberg,
Soderb
dan Gerber [10].
Karakter pembebanan
ebanan dinam
dinamis dengan
)
amplitudo konstan dan pembebanan
&
(atas),
dan rasio (bawah).
)
+&, didapatkan dari tes fatik dim
dimana kondisi
pembebanannya adalah
&
dengan
amplitudo konstan, namum kondisi se
sesungguhnya
Teorii koreksi tegangan
tega
rata$rata Goodman.
Berdasarkan referensi,
ferensi, teori
teo Goodman memiliki
keunggulan untuk
k diaplikasikan
diaplikasik pada material getas,
teori Soderberg
g merupakan
merupaka teori yang paling
6
salah$satunya adalah umur fatik.
konservatif, sedangkan teori Gerber memiliki
keunggulan untuk diaplikasikan pada material liat.
Teori Goodman dan Soderberg tidak dibatasi untuk
digunakan pada tegangan rata$rata (σm) negatif
(ilustrasi pada gambar 13 dan 14), sedangkan teori
Gerber adalah terbatas untuk tegangan rata$rata (σm)
negatif karena adanya pengkuadratan dalam
formulasinya (ilustrasi pada gambar 15). Berdasarkan
penelitian, sebagian besar data eksperimental jatuh
diantara teori Goodman dan Gerber [2].
Hasil dari koreksi tegangan
(σa) dengan
mengunakan teori tegangan rata$rata (σm) adalah
berupa tegangan
ekivalen (σa,equ).
Tegangan inilah yang akan diplot ke dalam +&,
untuk mendapatkan siklus umur fatik.
, Parameter masukan analisa fatik.
)
Dengan mengambil bagian dari struktur bogie dimana
tegangan Von Mises$nya maksimum (gambar 17),
yaitu +
1
, seperti diilustrasikan proses
analisa fatiknya secara sistematis pada gambar 7,
maka didapatkan hasil umur fatik dari +
1
yang adalah 107 siklus.
Dengan prosedur yang sama, dapat dihitung analisa
fatik dengan menggunakan teori tegangan rata$rata
yang lain, yaitu Goodman dan Soderberg
(perbandingan hasil perhitungan pada tabel 2).
'
)
* Teori koreksi tegangan rata$rata Soderberg.
Berdasarkan tegangan Von Mises maksimum yang
terjadi pada bagian
pada struktur bogie,
maka dari hasil perhitungan fatik didapatkan data
sebagai berikut :
Pada bogie monorel, diputuskan untuk menggunakan
koreksi tegangan rata$rata (σm) dengan teori Gerber
karena material SS400 dan S45C yang bersifat liat
dengan kekuatan tarik sebesar 657 dan 781 MPa,
namun akan ditampilkan juga teori Goodman dan
Soderberg sebagai pembanding untuk keperluan
analisa hasil.
)
No.
+ Teori koreksi tegangan rata$rata Gerber.
Setelah semua parameter masukan (
) terdefinisi
(ilustrasi pada gambar 16), selanjutnya dilakukan
pemrosesan data masukan (
) yang akan
menghasilkan data keluaran (
* yang
Komponen
Analisa
Goodman
Soderberg
Gerber
442.96 MPa
442.96 MPa
442.96 MPa
0.8182
0.8182
0.8182
1
σvm
2
3
R
σmax
442.96 MPa
442.96 MPa
442.96 MPa
4
σmin
362.43 MPa
362.43 MPa
362.43 MPa
5
σm
402.70 MPa
402.70 MPa
402.70 MPa
6
σa
40.27 MPa
40.27 MPa
40.27 MPa
7
σa,equ
83.125 MPa
185.94 MPa
54.85 MPa
8
Fatigue Life
107 Siklus
107 Siklus
107 Siklus
9
Fatigue Failure*
1.6 x 109
siklus
1.1 x 109
siklus
1.7 x 109
siklus
Perbandingan hasil perhitungan fatik
pada +
1
4
.
7
)
- Tegangan Von Mises
ises pada +
1
.
Tampilan
mpilan hasil perhitungan 5!
+
pada struktur bogie.
)
Berdasarkan hasil
il analisis ANSYS,
A
diperoleh umur
fatik struktur bogie
gie yang tak$terhingga
tak
(
)
atau lebih besar dari 107 siklus.
siklu
)
pada +
)
1
Perbedaan tegangan
ngan alternating
altern
ekivalen (σa,equ)
antara teori Goodman,
dman, Soderberg,
Soder
dan Gerber adalah
dikarenakan berbedanya
rbedanya metode
m
yang digunakan
untuk mengoreksi
si tegangan rata$rata (σm). Dalam
kasus dimana tegangan
gangan rata$rata
rata
(σm) adalah relatif
kecil terhadap tegangan alternatingnya
al
(σa) atau
rasionya jauh dari
ri nilai 1, maka
ma tegangan alternating
ekivalen (σa,equ) yang dihasilkan
dihasil
dari ketiga teori ini
akan memiliki perbedaan
erbedaan yang
yan kecil. Namun karena
rasio yang diberikan
rikan adalah 0.8182 (mendekati 1)
maka perbedaan tegangan alternating
alte
ekivalen (σa,equ)
yang dihasilkan dari ketiga teori ini akan menjadi
besar nilainya (ilustrasi
lustrasi pada gambar 22).
Tegangan alternating
nating ekival
ekivalen (σa,equ)
dengan menggunakan
enggunakan tteori Gerber.
. Umur Fatik pada +
1
menggunakan teori
ori Gerber.
dengan
)
Perbandingan
Perbanding dari perhitungan
teori tegangan rata$rata
ra
[10].
Hasil dari teori
ri Soderberg adalah yang paling
konservatif dengan
ngan nilai tegangan alternating
ekivalen (σa,equ) terbesar yaitu 185.94 MPa, karena
itu teori ini tepat
at digunakan untuk aplikasi dimana
terjadi kegagalan
n fatik atau pembebanan melewati
batas luluh material
rial terjadi.
)
Tampilan hasil perhitungan
erhitungan /
.
8
Tegangan alternating ekivalen (σa,equ) yang
dihasilkan oleh teori Goodman berbeda 1.5 kali dari
teori Gerber (83.125 MPa berbanding dengan 54.85
MPa). Berdasarkan penelitian, data hasil pengujian
cenderung jatuh diantara kurva Goodman dan Gerber.
Goodman lebih sering digunakan karena perhitungan
matematisnya lebih sederhana daripada Gerber dan
penting dalam pengujian baja getas yang kekuatan
maksimumnya (Su) mendekati tegangan patah (σf).
Namun baja karbon rendah seperti SS400 dan S45C
yang digunakan pada struktur bogie, memiliki
kekuatan maksimum (Su) yang lebih kecil dari
tegangan patah (σf), karenanya teori Gerber lah yang
lebih baik dan dipilih untuk analisa fatik struktur
bogie.
Perbedaan hasil tegangan alternating ekivalen (σa,equ)
yang cukup besar antara teori Goodman, Soderberg,
dan Gerber adalah dikarenakan rasio pembebanan
fatik bogie sebesar 0.8182 (mendekati satu). Teori
tegangan rata$rata Gerber merupakan teori yang tepat
untuk digunakan pada analisa fatik struktur bogie
dengan material SS400 dan S45C yang tidak getas
dengan kekuatan maksimum dibawah tegangan getas.
Terdapat satu bagian dari struktur bogie yang
mengalami efek singulariti yaitu '
6
"&7,
dimana tegangan alternating ekivalen nya melonjak
tinggi dalam area yang sangat kecil. Hal ini
disebabkan oleh geometri bagian terkait yang
memiliki tepi yang siku atau tajam. Bagian ini
diabaikan dalam analisa fatik, karena dalam
pembebanan sesungguhnya tidak terjadi efek
singulariti. Hasil yang ditampilkan dalam gambar 20
dan 21 adalah hasil setelah dilakukan
yang terhalus (
3) dan penambahan
radius pada area terkait untuk meningkatkan akurasi
perhitungan elemen hingga dan mengurangi
konsentrasi tegangan.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada
pihak$pihak dari PT. Melu Bangun Wiweka (MBW)
Bekasi, selaku pemilik prototype monorail UTM$125,
atas kerja samanya.
$
Untuk keperluan peningkatan lebih lanjut terhadap
struktur bogie, dapat dilakukan melalui perubahan
konstruksi dan atau pemilihan material baru.
$
(
/ 0
[1]
Svensson, Thomas. '
/
/
.
. ProQuest Science Journal
Extremes 2:2, 165$176 (1999), Netherlands, 1999.
Page 165.
[2]
Browell, Raymond L. 6
/
.
,+8+ 9
. 2006 International
ANSYS Conference. ANSYS Inc., 2006.
[3]
Stephens, Ralph I. :
/
5
Wiley$Interscience: New York, 2001. Page 23.
[4]
Kusnan, Teguh N. %
:
; :&"7< (
PT. Melu Bangun Wiweka, 2011. Page 18.
#
Diambil asumsi tegangan alternating konstan dengan
rasio 0,8182 dan frekuensi 1 Hertz, faktor
pembebanan sebesar satu, referensi tegangan
Von$Mises, teori tegangan rata$rata Gerber, jenis
analisa umur$tegangan dengan S$N Curve
berdasarkan hasil eksperimental referensi [7], faktor
kekuatan fatik sebesar satu, dan jenis interpolasi
semi$log, sebagai parameter masukan dalam
melakukan analisa fatik.
Berdasarkan hasil analisa fatik, didapatkan bahwa
struktor bogie mampu bertahan terhadap pembebanan
dinamis hingga umur tak$hingga (107 Siklus), hal ini
sesuai dengan kriteria desain umur tak$hingga.
Struktur bogie yang digunakan dalam analisa fatik
adalah struktur bogie setelah dilakukan perbaikan
untuk mencapai kriteria desain umur tak$hingga,
dengan melakukan modifikasi geometri yang
perubahannya meliputi: komponen pipa dari
3 menjadi 3,5; komponen
dari
12x4x(3/8)" menjadi 12x4x(5/8)", dan komponen
dari 4x2x(1/8)" menjadi
4x2x(1/4)".
9
.
.
[5]
http://www.matweb.com. ASTM A36 Steel Plate.
[6]
http://www.matweb.com. JIS S45C Steel Plate.
[7]
Haftirman.
+
/
+
+
+
:
1 &
5
. Proceeding of ICADME Malaysia,
2009. Page 4B$2, 4B$3.
[8]
Becker, William T. +: 1
&/
6
International, 2002. Page 593.
[9]
OTIF. =
(
4
'
( . APTU Rolling Stock
Standardization (Appendix F to COTIF 1999),
2010. Page 7.
=
""
. USA: ASM
[10]
Rothbart, H. A. :
%
1
7
5
. USA: McGraw$Hill, 2006. Page 5.32,
5.33.
[11]
Istiyanto, Jos. Diktat Kuliah Metode Elemen
Hingga dan Multifisik. September, 2012.
[12]
Moaveni, Saeed. /
5
)
,+8+. Pearson Prentice
Hall: USA, 2008.
[13]
Hutton, David V. /
/
. McGraw Hill: USA, 2004.
5
[14]
Madenci, Erdogan.
:
,+8+.
/
5
Springer: USA, 2006.
5
;
[15]
Krauss, George. +
)6
+
6
. ASM International: USA, 2005.
[16]
Bramfitt, Bruce L. :
6
6
ASM International: USA, 2002.
(
+
)
.
10
%
" #! #
# !
$
&
'
J. Hendrawan1, J. Istiyanto2, T. P. Soemardi3
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424
e$mail: jekki.hendrawan@ui.ac.id1, tsoemardi@eng.ui.ac.id2, josist@eng.ui.ac.id3
!
Material yang dalam kondisi inisial mampu bekerja dengan baik karena pembebanan statik yang berada dibawah
batas luluh materialnya, dapat saja mengalami kegagalan saat pengoperasian, hal ini disebabkan karena selain
struktur menerima pembebanan statis, struktur juga mengalami tambahan pembebanan dinamis yang terjadi
berulang$ulang dalam waktu yang cukup lama. Tujuan dari analisa fatik dengan kriteria desain umur tak$hingga
adalah untuk mengoptimasi ketahanan material dalam pembebanan dinamis sehingga umurnya menjadi
tak$hingga. Dalam pengoperasiannya, bogie monorail akan menerima pembebanan dinamis yang berupa beban
penumpang, beban angin, beban sentrifugal, dan beban pengereman. Analisa fatik menjadi diperlukan untuk
mengoptimasi ketahanan struktur bogie terhadap pembebanan dinamisnya sehingga dicapai kriteria umur fatik
tak$hingga yaitu lebih besar dari 107 siklus pembebanan dinamis. Pengambilan keputusan dan asumsi$asumsi telah
dilakukan saat memberikan data masukan analisa fatik dengan menggunakan metode elemen hingga. Analisa
terhadap hasil dan diskusi telah dilakukan. Diperlukan modifikasi geometri, model konstruksi, dan atau pemilihan
material baru pada bagian struktur bogie dengan hasil umur fatik minimum untuk meningkatkan kemampuannya
dalam mencapai kriteria desain umur tak$hingga.
$
: analisa fatik, struktur bogie, monorail, beban dinamis, dan umur tak$hingga.
!#
!
"#$
%
&
'
(
)
Material yang pada kondisi inisialnya dapat bekerja
dengan baik, dapat saja mengalami kegagalan dalam
pengoperasiannya, hal ini disebabkan oleh adanya
pembebanan dinamis yang terjadi berulang$ulang.
Dalam prakteknya, suatu struktur dengan kondisi
pembebanan statis yang berada jauh dibawah batas
luluh materialnya, dapat juga mengalami kegagalan
apabila beban yang terjadi merupakan beban yang
berulang$ulang dalam waktu yang cukup lama.
(# #
Untuk tujuan desain, kita dapat menginvestigasi
kemungkinan$kemungkinan
dalam
melakukan
estimasi batas fatik material logam. Batas fatik
(
) didefinisikan sebagai amplitudo
tegangan tertinggi dimana material terkait memiliki
umur tak$hingga (
) [1].
1
Optimasi Kemampuan material
aterial unt
untuk mampu
bertahan dengan pembebanan dinamis dengan umur
tak$hingga merupakan tujuan
juan dari aanalisa fatik
dengan kriteria umur tak$hingga (
&
* [2].
(
Adanya fluktuasi tingkat kedataran llintasan, dan
gabungan beban$beban yang ber
berupa beban
penumpang, beban angin, beban sent
sentrifugal, dan
beban pengereman, menyebabkan
abkan munc
munculnya beban
dinamis pada struktur bogie
ogie monor
monorail. Dengan
menganalisa karakter pembebanann dinamis ini,
diharapkan dapat mengoptimasi
asi kemamp
kemampuan material
untuk bertahan dengan pembebanan
embebanan dinamisnya,
sehingga didapatkan umur fatik yang yang sama atau
lebih besar dari 107 siklus
us pembeban
pembebanan dinamis
dimana tegangan atau regangan
gangan loka
lokal dirancang
berada dalam batas elastis dan
an berada di
dibawah batas
kekuatan fatiknya [3].
&
)
).
Pendefinisian
Pendefinisia jenis sambungan.
Mendefinisikan metode dan membuat
, serta
menghindari
satu elemen dengan dua arah
berbeda yang dapat
apat menyebabkan
menye
ketidakakuratan
hasil perhitungan nantinya.
Penelitian dilakukan dengan metode ele
elemen hingga
(ANSYS) dengan langkah$langkah sebag
sebagai berikut :
Mempersiapkan model struktur bo
bogie dengan
menggunakan bantuan CAD
D SolidWork
SolidWorks, dilakukan
pemeriksaan terhadap bagian$bagian
bagian dari model yang
tumpang tindih (
) dan per
perakitan yang
tidak terdefinisi dengan baik (
&
), dilakukan modifikasi
ifikasi seper
seperlunya untuk
mendapatkan model yang bebass tumpan
tumpang tindih dan
terdefinisi
dengan
baik
(no
no
&
).
)
Memasukkan data material yaitu JIS G 3101 SS400
[5] dan JIS G 4051 S45C [6] yang mer
merupakan baja
karbon rendah untuk aplikasi struktur umum dan
struktur mesin. Properti yang diguna
digunakan adalah
properti mekanik dan tabel teg
tegangan$umur
(+&, ) [7].
)
Hasil meshing
eshing struktur bogie monorail.
Memasukkan kondisi
ondisi batas dan pembebanan pada
struktur bogie yang
ang berupa tumpuan tetap dan rol,
beban gerbong dan penumpang,
penumpa
beban angin, beban
sentrifugal, dan beban pengereman.
penger
Model struktur bogie m
monorail [4].
)
Mendefinisikan jenis sambungan
ungan pada m
model Bogie
yang berupa kontak, join, dan sistem
tem ppegas$damper
* Kondisi batas
atas struktur bogie monorail.
Memasukkan solusi
lusi struktural
struktur statis dan analisa fatik,
2
parameter masukan (
) dan asumsi
yang diperlukan untuk simulasi umur fatik.
Menjalankan proses simulasi dan perhitungan.
Memeriksa validitas hasil perhitungan dengan
matriks kualitas elemen dan tes konvergensi. Apabila
matriks kualitas elemen semakin bergerak ke nilai
satu, maka bentuk meshing yang dihasilkan semakin
proporsional dan seragam. Dan apabila hasil solusi
adalah konvergen, maka semakin ditingkatkan derajat
kebebasan dari meshing, hasil solusi perhitungan
akan semakin mendekati nilai yang sebenarnya,
dengan demikian hasil solusi perhitungan dinyatakan
valid.
)
)
+ Matriks kualitas elemen struktur bogie
monorail dengan kecenderungan ke nilai satu.
, Tes konvergensi pada shaft hanger bogie yang
menunjukkan data hasil perhitungan
analisa fatik yang konvergen.
Bila hasil perhitungan tidak valid maka kembali pada
langkah persiapan model untuk dilakukan
perbaikan$perbaikan.
Apabila
validitas
hasil
perhitungan tercapai maka dilanjutkan pada analisa
hasil dan penarikan kesimpulan.
)
3
- Alur masukan, proses, dan keluaran
dalam analisa fatik.
#
sebagai bentuk kompensasi terhadap adanya
perbedaan antara kekuatan fatik material dalam
pembebanan sesungguhnya dengan pembebanan
dalam pengujian fatik material.
!
Sebelum analisa umur fatik dilakukan, diperlukan
pengambilan keputusan terhadap parameter masukan
(
) ANSYS yang mencakup :
Jenis analisa fatik.
Terdiri atas analisa umur regangan (
& ),
analisa umur tegangan (
& ) dan analisa umur
retak (
& ). Analisa
&
digunakan untuk
siklus rendah (.
/
0 .-/) dibawah
100,000 siklus, sedangkan analisa
&
digunakan untuk siklus tinggi (1
/
0
1-/) diatas 100,000 siklus, dan analisa
&
atau
dimulai pada cacat yang
diketahui ukurannya lalu menentukan pertumbuhan
retak, namun jenis analisa ini tidak didukung oleh
perangkat lunak ANSYS [2].
Sesuai dengan desain umur tak$hingga (
&
), maka dipilih jenis analisa
&
dan
dimasukkan tabel +&, seperti pada tabel 1 di
bawah ini:
)
+&, hasil eksperimen Haftirman,
untuk SS400 (atas), dan S45C (bawah) [7].
Pada bogie monorail, diambil faktor kekuatan fatik
sebesar 1 atau diasumsikan tidak ada perbedaan
kekuatan fatik antara pembebanan pada model
dengan pembebanan saat pengujian material untuk
menghasilkan +&, .
Tabel S&, material SS400 (kiri),
dan material S45C (kanan) [7].
Tabel ini merupakan
dari hasil eksperimen
yang dilakukan oleh Haftirman [7] dengan spesimen
berdiameter 8 mm dalam kondisi temperatur ruang
dengan tingkat kelembaban sebesar 70% RH.
%
ini kemudian di
ke dalam
ANSYS untuk membuat +&, untuk
material SS400 dan S45C.
Faktor Modifikasi Fatik
Faktor modifikasi fatik terdiri dari:
Faktor kekuatan fatik (
0 2 ),
yaitu pengali yang digunakan untuk mengurangi
kekuatan fatik yang diberikan oleh S$N Curve
)
. S$N Curve SS400 (atas), dan S45C (bawah)
hasil dari
tabel 1 ke
ANSYS.
4
Faktor skala pembebanan (
),
merupakan nilai yang akan mengali atau membagi
semua tegangan dinamis baik tegangan
maupun rata$rata. Hal ini berguna untuk menghindari
perhitungan ulang statik struktural bila kondisi
pembebanannya diubah untuk keperluan analisa
dengan variasi pembebanan. Pada bogie monorail,
diambil faktor skala pembebanan sebesar 1 atau tidak
ada variasi pembebanan yang diberikan.
Dalam keadaan dimana amplitudo konstan namun
pembebanannya menjadi tidak proporsional, seperti
pada pembebanan tekuk dan puntir, sumbu tegangan
atau regangan prinsipalnya akan berubah diantara dua
set beban ini, sehingga lokasi fatik kritis yang
terjadi pada area tertentu menjadi sulit untuk
diidentifikasi dengan hanya melihat kondisi tegangan
pada salah satu pembebanan saja.
Bila
amplitudo
tidak
konstan,
sementara
pembebanannya proporsional, seperti pada hasil yang
dikeluarkan oleh
&
dalam pengukuran
tegangan suatu struktur, diperlukan data history
perubahan amplitudo pada rentang waktu yang
diketahui sebagai masukan untuk pembebanan
dinamis.
Komponen tegangan (
), merupakan
tegangan referensi yang akan digunakan dalam
perhitungan untuk mencari pola tegangan dinamis
( tegangan maksimum / σmax , tegangan alternating /
σa , tegangan rata$rata / σm , dan tegangan minimum /
σmin). Opsi pada komponen tegangan adalah sebagai
berikut: komponen X, komponen Y, komponen Z,
komponen XY, komponen YZ, komponen XZ,
tegangan Von Mises, tegangan +
Von Mises,
tegangan geser maksimum, tegangan prinsipal
maksimum, dan tegangan absolut prinsipal
maksimum. Pada bogie monorail, diputuskan untuk
menggunakan tegangan von$Mises (σvm) yang
dihasilkan dari perhitungan statik struktural sebagai
komponen tegangan referensi.
Kondisi dimana melibatkan lebih dari dua tegangan
yang tidak berhubungan satu sama lain akan
menciptakan amplitudo yang tidak konstan dan beban
yang tidak proporsional, hal ini menyebabkan lokasi
fatik kritis dan kombinasi pembebanan dimana
kerusakan terjadi menjadi tidak diketahui, sehingga
dibutuhkan penghitungan siklus tingkat lanjut
(
), dan perhitungan terhadap jenis beban
ini tidak didukung oleh ANSYS.
Satuan umur 3
), merupakan satuan yang
digunakan pada siklus, terdiri dari siklus, blok, detik,
menit, dan jam. Dan pendefinisian siklus yang
menyatakan berapa banyak siklus dalam satu satuan.
Pada bogie monorail, diambil detik sebagai satuan
umur, dan satu siklus sama dengan satu detik,
sehingga didapatkan frekuensi pembebanan dinamis
sebesar 1 Hertz.
Pada bogie monorel, diasumsikan jenis pembebanan
dinamis dengan amplitudo konstan sebesar 10 % dari
tegangan rata$ratanya (σm), pertimbangan ini diambil
karena melihat kondisi lintasan dan pembebanan pada
monorail yang relatif lebih stabil bila dibandingkan
dengan kondisi jalan dan pembebanan pada
.
Kondisi
pembebanan
yang
dipilih
adalah
pembebanan proporsional
mengikuti
kondisi
masing$masing bagian struktur bogie yang dihasilkan
dari perhitungan statik strukturalnya.
Jenis interpolasi (
), terdiri dari
log$log, semi$log, dan linear. Karena tidak semua titik
tegangan
tersedia dalam +&, , maka
apabila hasil perhitungan tegangan
jatuh
pada titik yang tidak tersedia, maka diperlukan proses
interpolasi dari titik$titik yang diketahui dalam +&,
untuk mendapatkan nilai yang sesuai. Pada
bogie monorail, digunakan jenis interpolasi semi$log
seperti terlihat pada gambar 9, dimana linier pada
sumbu y (tegangan
), dan logaritmik
berbasis 10 pada sumbu x (umur fatik).
)
Jenis Pembebanan Dinamis.
Siklus beban dengan amplitudo konstan [8].
Efek tegangan rata$rata.
Berdasarkan pada amplitudonya, beban dibagi
menjadi amplitudo konstan dan non konstan,
sedangkan berdasarkan pada pola pembebanannya,
beban dibagi menjadi beban proporsional dan non
proporsional. Pembebanan proporsional dengan
amplitudo konstan, seperti halnya pada tes fatik untuk
menghasilkan +&, , sumbu tegangan
prinsipalnya tidak berubah terhadap waktu sehingga
lokasi fatik kritis dapat lebih mudah diindikasikan.
Karakter pembebanan dinamis dengan amplitudo
konstan dan pembebanan proporsional terdiri dari
tiga jenis pembebanan yaitu :
/ &
(R = $1) dimana terdapat tegangan
tarik dan tegangan tekan dengan intensitas yang sama,
serta tegangan rata$rata (σm) yang nilainya nol;
5
dari struktur bogie
gie jarang sekali mengalami jenis
pembebanan seperti
perti ini. Jenis pembebanan selain
&
, memiliki tegangan
(σa)
yang nilainya perlu
rlu dikoreksi sehingga sesuai dengan
referensi tegangan
gan dari +&, , dikarenakan
tegangan yang dihasilkan pada jenis pembebanan
selain
&
ini,, semua pola tegangannya
merupakan tegangan
ngan tarik, sedangkan +&, yang dijadikan acuan untuk menghitung umur fatik
memiliki kondisii pembebanan
pembebana
&
dimana
pola tegangannya
ya merupakan
merupaka tegangan tarik dan
tekan.
Karakter pembebanan
ebanan dinam
dinamis dengan
)
amplitudo konstan dan pembebanan
&
.
Pada bogie monorel, diambil
diam
jenis pembebanan
dengan menggunakan
nakan rasio, diasumsikan tegangan
(σa) sebesar 10 % dari tegangan
rata$ratanya (0,1 σm),, maka
mak didapatkan tegangan
minimum (σmin) sebesar tegangan
te
rata$rata (σm)
dikurangi tegangan
(σa) atau σm $ 0,1 σm
yang nilainya adalah 0.9 σm, dan tegangan maksimum
(σmax) sebesar tegangan rata$rata
rat
(σm) ditambah
tegangan
(σa) atau σm+ 0,1 σm yang
nilainya adalah 1.1 σm sehingga
sehi
dapat dicari rasio
pembebanan (R)) sebesar tegangan
teg
minimum (σmin)
dibagi tegangan maksimum (σmax) atau 0.9 σm / 1.1
σm , maka didapatkan
tkan rasio sebesar
se
0.8182 [9].
Jenis pembebanan
&
(R
R = 0) dimana
hanya tegangan tarik yang terjadi deng
dengan tegangan
rata$rata (σm) yang nilainya
ya adalah sseparuh dari
tegangan maksimum (σmax), serta tegang
tegangan minimum
(σmin) yang nilainya nol;
Dan jenis pembebanan dengan ra
rasio dimana
perbandingan tegangan minimum (σmin) dan
maksimumnya (σmax) adalahh sebesar ras
rasio (R) yang
ditentukan, serta tegangan rata$rata
rata (σm) yang
nilainya adalah separuh dari selisi
selisih tegangan
maksimum (σmax) dan minimumnya
umnya (σmin).
Teori tegangan rata$rata (
).
Dikarenakan pola
la tegangan yang ditentukan pada
bogie monorel seluruhnya
eluruhnya merupakan
me
tegangan tarik,
sementara tegangan
dari referensi +&,
merupakan
an hasil dari uji fatik dengan pola
pembebanan tarik$tekan
tekan (
&reversed), maka
tegangan rata$rata (σm) hasil perhitungan dengan
pembebanan menggunakan
nggunakan rasio
ra sebesar 0.8182 akan
digunakan untuk mengoreks
oreksi tegangan
(σa) hasil perhitungan.
itungan. Teori
T
tegangan rata$rata
dengan jenis analisa
nalisa umur tegangan (
& )
meliputi: Goodman,
an, Soderberg,
Soderb
dan Gerber [10].
Karakter pembebanan
ebanan dinam
dinamis dengan
)
amplitudo konstan dan pembebanan
&
(atas),
dan rasio (bawah).
)
+&, didapatkan dari tes fatik dim
dimana kondisi
pembebanannya adalah
&
dengan
amplitudo konstan, namum kondisi se
sesungguhnya
Teorii koreksi tegangan
tega
rata$rata Goodman.
Berdasarkan referensi,
ferensi, teori
teo Goodman memiliki
keunggulan untuk
k diaplikasikan
diaplikasik pada material getas,
teori Soderberg
g merupakan
merupaka teori yang paling
6
salah$satunya adalah umur fatik.
konservatif, sedangkan teori Gerber memiliki
keunggulan untuk diaplikasikan pada material liat.
Teori Goodman dan Soderberg tidak dibatasi untuk
digunakan pada tegangan rata$rata (σm) negatif
(ilustrasi pada gambar 13 dan 14), sedangkan teori
Gerber adalah terbatas untuk tegangan rata$rata (σm)
negatif karena adanya pengkuadratan dalam
formulasinya (ilustrasi pada gambar 15). Berdasarkan
penelitian, sebagian besar data eksperimental jatuh
diantara teori Goodman dan Gerber [2].
Hasil dari koreksi tegangan
(σa) dengan
mengunakan teori tegangan rata$rata (σm) adalah
berupa tegangan
ekivalen (σa,equ).
Tegangan inilah yang akan diplot ke dalam +&,
untuk mendapatkan siklus umur fatik.
, Parameter masukan analisa fatik.
)
Dengan mengambil bagian dari struktur bogie dimana
tegangan Von Mises$nya maksimum (gambar 17),
yaitu +
1
, seperti diilustrasikan proses
analisa fatiknya secara sistematis pada gambar 7,
maka didapatkan hasil umur fatik dari +
1
yang adalah 107 siklus.
Dengan prosedur yang sama, dapat dihitung analisa
fatik dengan menggunakan teori tegangan rata$rata
yang lain, yaitu Goodman dan Soderberg
(perbandingan hasil perhitungan pada tabel 2).
'
)
* Teori koreksi tegangan rata$rata Soderberg.
Berdasarkan tegangan Von Mises maksimum yang
terjadi pada bagian
pada struktur bogie,
maka dari hasil perhitungan fatik didapatkan data
sebagai berikut :
Pada bogie monorel, diputuskan untuk menggunakan
koreksi tegangan rata$rata (σm) dengan teori Gerber
karena material SS400 dan S45C yang bersifat liat
dengan kekuatan tarik sebesar 657 dan 781 MPa,
namun akan ditampilkan juga teori Goodman dan
Soderberg sebagai pembanding untuk keperluan
analisa hasil.
)
No.
+ Teori koreksi tegangan rata$rata Gerber.
Setelah semua parameter masukan (
) terdefinisi
(ilustrasi pada gambar 16), selanjutnya dilakukan
pemrosesan data masukan (
) yang akan
menghasilkan data keluaran (
* yang
Komponen
Analisa
Goodman
Soderberg
Gerber
442.96 MPa
442.96 MPa
442.96 MPa
0.8182
0.8182
0.8182
1
σvm
2
3
R
σmax
442.96 MPa
442.96 MPa
442.96 MPa
4
σmin
362.43 MPa
362.43 MPa
362.43 MPa
5
σm
402.70 MPa
402.70 MPa
402.70 MPa
6
σa
40.27 MPa
40.27 MPa
40.27 MPa
7
σa,equ
83.125 MPa
185.94 MPa
54.85 MPa
8
Fatigue Life
107 Siklus
107 Siklus
107 Siklus
9
Fatigue Failure*
1.6 x 109
siklus
1.1 x 109
siklus
1.7 x 109
siklus
Perbandingan hasil perhitungan fatik
pada +
1
4
.
7
)
- Tegangan Von Mises
ises pada +
1
.
Tampilan
mpilan hasil perhitungan 5!
+
pada struktur bogie.
)
Berdasarkan hasil
il analisis ANSYS,
A
diperoleh umur
fatik struktur bogie
gie yang tak$terhingga
tak
(
)
atau lebih besar dari 107 siklus.
siklu
)
pada +
)
1
Perbedaan tegangan
ngan alternating
altern
ekivalen (σa,equ)
antara teori Goodman,
dman, Soderberg,
Soder
dan Gerber adalah
dikarenakan berbedanya
rbedanya metode
m
yang digunakan
untuk mengoreksi
si tegangan rata$rata (σm). Dalam
kasus dimana tegangan
gangan rata$rata
rata
(σm) adalah relatif
kecil terhadap tegangan alternatingnya
al
(σa) atau
rasionya jauh dari
ri nilai 1, maka
ma tegangan alternating
ekivalen (σa,equ) yang dihasilkan
dihasil
dari ketiga teori ini
akan memiliki perbedaan
erbedaan yang
yan kecil. Namun karena
rasio yang diberikan
rikan adalah 0.8182 (mendekati 1)
maka perbedaan tegangan alternating
alte
ekivalen (σa,equ)
yang dihasilkan dari ketiga teori ini akan menjadi
besar nilainya (ilustrasi
lustrasi pada gambar 22).
Tegangan alternating
nating ekival
ekivalen (σa,equ)
dengan menggunakan
enggunakan tteori Gerber.
. Umur Fatik pada +
1
menggunakan teori
ori Gerber.
dengan
)
Perbandingan
Perbanding dari perhitungan
teori tegangan rata$rata
ra
[10].
Hasil dari teori
ri Soderberg adalah yang paling
konservatif dengan
ngan nilai tegangan alternating
ekivalen (σa,equ) terbesar yaitu 185.94 MPa, karena
itu teori ini tepat
at digunakan untuk aplikasi dimana
terjadi kegagalan
n fatik atau pembebanan melewati
batas luluh material
rial terjadi.
)
Tampilan hasil perhitungan
erhitungan /
.
8
Tegangan alternating ekivalen (σa,equ) yang
dihasilkan oleh teori Goodman berbeda 1.5 kali dari
teori Gerber (83.125 MPa berbanding dengan 54.85
MPa). Berdasarkan penelitian, data hasil pengujian
cenderung jatuh diantara kurva Goodman dan Gerber.
Goodman lebih sering digunakan karena perhitungan
matematisnya lebih sederhana daripada Gerber dan
penting dalam pengujian baja getas yang kekuatan
maksimumnya (Su) mendekati tegangan patah (σf).
Namun baja karbon rendah seperti SS400 dan S45C
yang digunakan pada struktur bogie, memiliki
kekuatan maksimum (Su) yang lebih kecil dari
tegangan patah (σf), karenanya teori Gerber lah yang
lebih baik dan dipilih untuk analisa fatik struktur
bogie.
Perbedaan hasil tegangan alternating ekivalen (σa,equ)
yang cukup besar antara teori Goodman, Soderberg,
dan Gerber adalah dikarenakan rasio pembebanan
fatik bogie sebesar 0.8182 (mendekati satu). Teori
tegangan rata$rata Gerber merupakan teori yang tepat
untuk digunakan pada analisa fatik struktur bogie
dengan material SS400 dan S45C yang tidak getas
dengan kekuatan maksimum dibawah tegangan getas.
Terdapat satu bagian dari struktur bogie yang
mengalami efek singulariti yaitu '
6
"&7,
dimana tegangan alternating ekivalen nya melonjak
tinggi dalam area yang sangat kecil. Hal ini
disebabkan oleh geometri bagian terkait yang
memiliki tepi yang siku atau tajam. Bagian ini
diabaikan dalam analisa fatik, karena dalam
pembebanan sesungguhnya tidak terjadi efek
singulariti. Hasil yang ditampilkan dalam gambar 20
dan 21 adalah hasil setelah dilakukan
yang terhalus (
3) dan penambahan
radius pada area terkait untuk meningkatkan akurasi
perhitungan elemen hingga dan mengurangi
konsentrasi tegangan.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada
pihak$pihak dari PT. Melu Bangun Wiweka (MBW)
Bekasi, selaku pemilik prototype monorail UTM$125,
atas kerja samanya.
$
Untuk keperluan peningkatan lebih lanjut terhadap
struktur bogie, dapat dilakukan melalui perubahan
konstruksi dan atau pemilihan material baru.
$
(
/ 0
[1]
Svensson, Thomas. '
/
/
.
. ProQuest Science Journal
Extremes 2:2, 165$176 (1999), Netherlands, 1999.
Page 165.
[2]
Browell, Raymond L. 6
/
.
,+8+ 9
. 2006 International
ANSYS Conference. ANSYS Inc., 2006.
[3]
Stephens, Ralph I. :
/
5
Wiley$Interscience: New York, 2001. Page 23.
[4]
Kusnan, Teguh N. %
:
; :&"7< (
PT. Melu Bangun Wiweka, 2011. Page 18.
#
Diambil asumsi tegangan alternating konstan dengan
rasio 0,8182 dan frekuensi 1 Hertz, faktor
pembebanan sebesar satu, referensi tegangan
Von$Mises, teori tegangan rata$rata Gerber, jenis
analisa umur$tegangan dengan S$N Curve
berdasarkan hasil eksperimental referensi [7], faktor
kekuatan fatik sebesar satu, dan jenis interpolasi
semi$log, sebagai parameter masukan dalam
melakukan analisa fatik.
Berdasarkan hasil analisa fatik, didapatkan bahwa
struktor bogie mampu bertahan terhadap pembebanan
dinamis hingga umur tak$hingga (107 Siklus), hal ini
sesuai dengan kriteria desain umur tak$hingga.
Struktur bogie yang digunakan dalam analisa fatik
adalah struktur bogie setelah dilakukan perbaikan
untuk mencapai kriteria desain umur tak$hingga,
dengan melakukan modifikasi geometri yang
perubahannya meliputi: komponen pipa dari
3 menjadi 3,5; komponen
dari
12x4x(3/8)" menjadi 12x4x(5/8)", dan komponen
dari 4x2x(1/8)" menjadi
4x2x(1/4)".
9
.
.
[5]
http://www.matweb.com. ASTM A36 Steel Plate.
[6]
http://www.matweb.com. JIS S45C Steel Plate.
[7]
Haftirman.
+
/
+
+
+
:
1 &
5
. Proceeding of ICADME Malaysia,
2009. Page 4B$2, 4B$3.
[8]
Becker, William T. +: 1
&/
6
International, 2002. Page 593.
[9]
OTIF. =
(
4
'
( . APTU Rolling Stock
Standardization (Appendix F to COTIF 1999),
2010. Page 7.
=
""
. USA: ASM
[10]
Rothbart, H. A. :
%
1
7
5
. USA: McGraw$Hill, 2006. Page 5.32,
5.33.
[11]
Istiyanto, Jos. Diktat Kuliah Metode Elemen
Hingga dan Multifisik. September, 2012.
[12]
Moaveni, Saeed. /
5
)
,+8+. Pearson Prentice
Hall: USA, 2008.
[13]
Hutton, David V. /
/
. McGraw Hill: USA, 2004.
5
[14]
Madenci, Erdogan.
:
,+8+.
/
5
Springer: USA, 2006.
5
;
[15]
Krauss, George. +
)6
+
6
. ASM International: USA, 2005.
[16]
Bramfitt, Bruce L. :
6
6
ASM International: USA, 2002.
(
+
)
.
10