Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet Menggunakan Metode Fotoelastisitas | Sukarnoto | MESIN 864 1716 1 SM
Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet
Menggunakan Metode Fotoelastisitas
Tono Sukarnoto dan Soeharsono
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, UnivcrsitasTrisakti
Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.4,Jl. KyaiTapaNo 1,Grogol, Jakarta Barat 11440
Telp. 5663232 Ext: 431, Fax: 5605841. E-mail: [email protected]
ABSTRACT: Stress Distribution Analysis on Bolt Head with Various Fillets Using Photoelasticity
Method. A geometry modification can be use to reduce stress concentration. This research is
investigating the influence offillet radius in the head ofbolt. Different than most common bolt, thefillet is
made at the bottom surface of head around its neck. To show the stress distribution we use classical
experimental mechanics method, photo elasticity. Loading comesfrom a lead screw and measured by a
load cell connected to a computer data logger. As the result, a 5 mm fillet radius may reduce maximum
shear stress up to 35% than nofillet radius, so its effective to minimize stress concentration in head bolt.
Keywords'. Photoelasticity, bolt, stress distribution
PENDAHULUAN
Baut merupakan salah satu elemen mesin yang
penggunaannya sangat luas. Fungsi utama baut adalah
menyambung dua komponen atau lebih agar menjadi
satu kesatuan yang utuh. Ketika dibutuhkan sambungan
dapat dilepas kembali tanpa merusak.
Pada saat digunakan baut akan mengalami tegangan
tarik maupun tegangan geser. Karena perubahan
geometri maka pada bagian-bagian tertentu terjadi
konsentrasi tegangan. Beberapa cara dapat diiakukan
untuk mengurangi konsentrasi
tegangan akibat
perubahan geometri ini yaitu, membuat radius filet,
mengubah posisi filet atau bahkan dengan melubangi
bagian tertentu di sekitar konsentrasi tegangan [1].
Pada baut, secara umum terdapat radius filet di
sudut antara kepala baut dengan badannya. Filet ini
efektif mengurangi konsentrasi tegangan di daerah
tersebut. Namun dalam pemakaian dapat terjadi filet ini
terdeformasi oleh lubang baut sehingga radiusnya
mengecil. Untuk itu dicoba membuat filet di bagian
bawah kepala baut sehingga tidak terpengaruh kontak
antara baut dan tempat mengikatnya.
Metode fotoelastisitas dipilih karena perubahan
tegangan yang terjadi dapat diamati secara langsung dari
perubahan fringe cahaya pada spesimen model
transparan yang ditempatkan di antara medan cahaya
terpolarisasi [2]. Hasil pengukuran dengan metode ini
relatif akurat dan dapat dianalogikan dengan material
sesungguhnya dalam skala penuh atau pun diperkecil.
Fotoelastisitas yang digunakan adalah dua dimensi.
Analisis orde fringe diiakukan secara digital sehingga
sangat menghemat waktu serta tidak terlalu memerlukan
keahlian khusus sebagaimana cara manual [3].
Fotoelastisitas Dua Dimensi
Analisis
tegangan
menggunakan
metode
fotoelastisitas berdasarkan atas fenomena material, yang
bersifat isotropic ketika tidak dibebani. Tetapi akan
berubah
menjadi
doubly refractive {optically
anisotropic) ketika dibebani. Namun karakteristik ini
akan hilang ketika kembali tidak dibebani. Besar beban
yang dibebankan pada model dibawah batas elastis
material. Contoh material ini seperti: epoxy, high
polymer materials, dan Iain-lain [4].
Aplikasi dari fotoelastisitas dapat terbagi menjadi
dua bagian tergantung dari bentuk geometri model yang
dianalisis. Jika model yang dianalisis berupa bidang,
maka gaya-gaya dapat dianalisa sebagai tegangan dan
regangan pada bidang, maka metode dua dimensional
dapat diiakukan. Untuk model berbentuk selain bidang
dan lebih kompleks, maka digunakan metode analisis
tiga dimensional.
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa
terdapat suatu kelas material dimana ia bersifat isotropic
ketika tidak dibebani, dan menjadi doubly refractive
{optically anisotropic) ketika dibebani. Material inilah
yang dikenal sebagai crystals yang apabila dilewati oleh
cahaya, akan direfleksikan menjadi dua cahaya, inilah
yang disebut sebagai double refraction. Metode
fotoelastisitas ini dikembangkan berdasarkan sifat-sifat
fisik dari material transparan tersebut, dengan catatan
besar beban yang diuji tidak melewati batas elastis dari
material [4].
Dalam
menganalisis
tegangan
dengan
menggunakan metode fotoelastisitas terdapat dua jenis
polariskop yang dapat digunakan. Polariskop merupakan
susunan peralatan optik yang digunakan dalam
mendeteksi distribusi tegangan yang terjadi. Kedua jenis
Kontak Person: Tono Sukarnoto
JurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, USAKTI
Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.2,Jl. Kyai Tapa No. I
Grogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431
polariskop yang biasa digunakan adalah:
• Polariskop bidang {planepolariscope) (Gambar 1)
• Polariskop circular{circularpolariscope){G&mbar 2)
Fax: 5605841, E-mail: [email protected]
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... {Tono Sukarnoto dkk)
137
Polariskop bidang
Ketika model uji dibebani maka akan bersifat
doubly refractive dan titik dimana cahaya lewat akan
terpolarisasi sesuai dengan arah tegangan utama yang
bekerja 0\ dan rj2. Sumbu polarisator akan membentuk
sudut (j) terhadap sumbu ot dan a2 (Gambar 1). Apabila
besar sudut $ yang terjadi adalah nol atau it/2, maka
sumbu polarisator akan berimpit dengan a, atau a2.
Karena sumbu analisator adalah tegak lurus terhadap
arah sumbu polarisator, maka intensitas cahaya yang
keluar dari analisator adalah nol. Akibatnya pada semua
titik pada model uji dimana arah dari tegangan utama
berimpit dengan orientasi dari polarisator-analisator,
cahaya yang keluar dari analisator akan nol [5].
Gambar 2. Susunan polariskop circular, P= polarisator.
Qi= Pelat 'A X pertama, M= model,
Q2= Pelat V* Xkedua.
Titik-titik dimana arah tegangan utama berimpit
dengan orientasi dari kombinasi polarisator-analisator
disebut dengan garis isoklinis.
Perangkat pembebanan berupa kerangka dengan lead
screw untuk mengatur beban (Gambar 4). Sebagai
Polariskop circular
pengukur beban digunakan load cell model cincin yang
Pada susunan polariskop circular digunakan dua
buah pelat seperempat gelombang (quarter wave plate)
yang masing-masing diletakkan diantara model uji dan
polarisator serta antara model uji dan analisator. Susunan
polariskop circular ini dapat dilihatpada Gambar 2.
Pada susunan polariskop circular, posisi titik-titik
pada model uji dimana nilai dari a, dan a2 membuat
perbedaan fase relatif 2mn. Disebabkan perbedaan fase
dilengkapi dengan rangkaian strain gage dan
dihubungkan dengan komputer data logger. Model
transparan baut dipasang dengan bagian kepala di
bavvah kemudian diberi beban aksial ke atas.
Pola isokromat dan isoklinis tiap spesimen direkam
dengan kamera digital. Selanjutnya gambar yang
diperoleh diproses dengan komputer untuk mendapatkan
ordefringe yang dicari.
relatif berhubungan dengan o"|-a2, maka semua titik-titik
pada
model
uji dimana
nilai
F
dari csra2 yang
menimbulkan perbedaan fase relatif sebesar 2m7t
(dimana m = 0, 1,2, ...), intensitas cahaya yang keluar
dari analistor akan nol. Maka dari itu pada layar akan
terlihat susunan garis gelap {dark band) atau fringe yang
dikenal sebagai garis isokromatis [5].
>£
SC
U U I
L U
P Qi
Q2
M
c
A
Gambar 3. Susunan peralatan optik, SC=sumber cahaya,
P= polarisator, Q,= Pelat V* Xpertama, M= model.
Q2= Pelat V* X kedua, A= analisator, C= kamera digital
Gambar 1. Susunan polariskop bidang, S = sumber cahaya,
P = polarisator, M = model uji, A = analisator [5]
METODOLOGI
Peralatan
Peralatan terdiri dari perangkat fotoelastisitas, perangkat
mekanis untuk pembebanan dan perangkat pengolah
gambar. Rangkaian perangkat fotoelastisitas terdiri dari
sumber cahaya, polarisator, analisator dan sepasang pelat
seperempat gelombang (Gambar 3).
Gambar 4. Perangkat Mekanis, a= ulir pembeban, b= rangka,
c= load cell. d= model beban transparan
138
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 137-141
Benda Uji
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dibuat empat model baut dengan
variasi pada radius filetnya. Mulai dari tanpa filet,
spesimen 1 (R = 0), spesimen 2 radius filet (R) =
2,5 mm, spesimen 3 R = 4 mm dan spesimen 4 R = 5
Analisis pertama untuk pola isoklinis
mm (Gambar 5). Beban konstan diberikan dalam arah
aksial di badan model sehingga terjadi tegangan kontak
antara kepala model dengan tumpuannya.
Bahan model transparan dari lembaran epoxy
araldit B tebal 10 mm. Pada saat pemesinan hams
diperhatikan masalah gaya pemotongan dan panas yang
timbul. Panas akibat gaya pemotongan yang tinggi saat
pemesinan harus dihindari karena akan menimbulkan
tegangan batas yang tertinggal pada model [2]. Untuk itu
diperlukan mata potong yang tajam serta mesin yang
presisi sehingga pemesinan diiakukan dengan mesin
Pola garis isoklinis diambil pada sudut-sudut 0°
sampai dengan 90° dengan interval 15°. Contoh gambar
hasil pengujian isoklinis dapat dilihat pada Gambar 6.
Sedangkan contoh gambar dari pola garis isoklinis
ditunjukkan pada Gambar 10.
Analisis kedua untuk pola isokromat
Pola garis isokromatis pada spesimen 1 sampai 4
diiakukan dengan beban 350 N pada medan gelap dan
medan terang. Contoh gabungan untuk medan gelap
dengan medan terang dengan beban 350 N pada
Gambar 7. Pola garis medan gelap dapat dilihat pada
Gambar 8 sedangkan medan terangnya dapat dilihat pada
Gambar 9.
CNC.
il
•-*
90
75'
60
-
.ts.
r•
»i _\
yf ill
{Fft*
15
\ vs
\ ss
0
vo>
E&h
Gambar 6. Pola Garis Isoklinis Spesimen 3 (angka di sebelah kiri
adalah sudut isoklinis)
r^i
o
"-
X
X
•:>
s.
>
*•*.
0:<
s°
>>
Gambar 7. Polagabungan medan gelap dan terang isokromat
Gambar 5. Model dan Variasi Radius Benda Uji
Radius filet R=0, R=2,5, R= 4 dan R=5 mm
berturut-turut untuk gambar a, b, c, dan d.
Garis
Prosedur Pengujian
Pengamatan
Ekperimen ini diiakukan dalam beberapa tahap
yaitu:
- Pengambilan pola gambar isoklinis
- Pengambilan pola gambar isokromatis
- Penggabungan pola garis isoklinis
- Penggabungan pola garis isokromatis untuk medan
gelap dan terang
- Analisis pola gambar
Gambar 8. Pola garis medan gelap pada spesimen 3 beban 350 N
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (TonoSukarnoto dkk)
139
Dengan menggunakan metode separasi tegangan
diketahui at atau a2 serta x,2 pada permukaan bebas
nilainya adalah nol. Distribusi tegangan yang terjadi dari
hasil eksperimental untuk setiap nomor fringe dapat
dihitung sebagai berikut:
/
\ .
N
Txy = V°"i ~ 0"2 jsm 2a = fr.— sin 2a
'ISfrr-S r;
I .)
(1)
h
vCW- •••-:••*
dimana diketahui:
\.
fr {ni\a\ fringe tegangan) = 11,2 kN/m [2]
h(tebal spesimen)
= 10mm =0,01m
\
Gambar 9. Pola garis medan terang pada spesimen 3 beban 350 N
N (jumlahfringe)
txy: Tegangan gesermaksimum
o~|dan a2: tegangan utama
Perhitungan
Hasil dari perhitungan yang didapat akan disajikan
dalam bentuk grafik yang menjelaskan hasil analisis
terhadap benda uji. Dari model benda uji tersebut,
distribusi tegangan yang akan dibahas adalah distribusi
tegangan sepanjang garis pengamatan seperti terlihat
pada Gambar 8. Dengan mengambil titik pengamatan
sebagai fungsi sudut isoklinis dan ordt fringe maka akan
dihasilkan grafik sebagai berikut untuk model spesimen
no 3 (Gambar 10 & 11).
Berdasarkan rumus di atas,
maka distribusi
tegangan xxy hasil eksperimental untuk setiap titik
pengamatan untuk keempat spesimen dapat ditunjukkan
pada grafik Gambar 12.
Perbandingan Tegangan Fotoelastisitas
Tegangan (MPa)
2.00E+06
1.80E+06
;r
1.60E+O8
1.40E+06
1.20E+06
Sudut
1.00E+06
8.00E+05
6.00E+05
4.00E+05
2.00E+05
0.00E+00
-2.00E+05
I | I |c | I 1 I | I I I 1 I I ' |» I—Tltlk Pengamatan
1 2 3 4 5 6 7 8 9 LO
Titik Pengamatan
• Spesimen 1
-*-
' Spesimen 2
- Spesimen 3
- Spesimen 4
Gambar 12. Grafik perbandingan tegangan-tegangan fotoelastisitas
beban 350N untukkeempat spesiemen.
Gambar 10. Sudut Isoklinis pada spesimen 3
Fringe
Medan terang
Medan gelap
I | I 1 I| I | I | I | I 1I | I | I I
1 2
Secara
keseluruhan
tegangan
terbesar
untuk
keempat spesimen terjadi di titik pengamatan nol pinggir
filet dan makin mengecil dengan makin menjauhnya titik
3 4
5
6 7 8
Nth Penganatan
9 10
pengamatan, hal ini menunjukkan terjadinya konsentrasi
tegangan di daerah tersebut.
Tegangan maksimum terbesar terjadi pada
spesimen no 1 (tanpa radius) dan yang terkecil pada
spesimen no 4 (radius celah paling besar). Hal ini sesuai
dengan teori bahwa konsentrasi tegangan akibat
perbedaan geometri akan berkurang dengan pemberian
radius filet.
Dalam perancangan baut pemberian radius yang
selama ini diiakukan di bagian filet di leher baut, dapat
diubah dengan memindahkan letak radius di bagian
bawah kepala bautdi sekeliling lehernya. Tentunya besar
radius yang dapat diberikan bergantung kepada ukuran
bautnya, selain itu perlu dipertimbangkan aspek mampu
bentuk iformability) dari material baut tersebut.
Gambar 11.Grafik ordo isokromat padaspesimen 3 beban350 N
140
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007,137-141
SIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA
Berdasarkan analisis dari hasil eksperimental yang
telah dibahas, dapat diambil kesimpulan bahwa
pemberian filet dengan radius tertentu di sekeliling Ieher
baut efektif mengurangi konsentrasi tegangan di kepala
1,
Element Analysis, Journal of Experimental
Techniques, 2001,25 (5), pp 19-21.
Durelli, A.J. ; Applied Stress Analysis ; Prentice -
baut.
Radius filet 5 mm memberikan pengurangan
tegangan geser maksimum sampai 35 % dibandingkan
tanpa radius, sedangkan radius 2.5 mm mengurangi
tegangan maksimum sebesar 14%.
Radius filet pada kepala baut dapat menjadi
alternatif desain geometri untuk pengurangan
A Ahlquist, I Ionescu, Moslehy; Stress reduction in
Gear Tooth using Photoelasticity and Finite
Hall ofIndia Private Limited; New Delhi; 1970.
4.
konsentrasi tegangan selain dari radius filet di leher baut
sebagaimana baut pada umumnya.
Zuccarello; Complete Isochromatic Fringe-order
Analysis in Digital Photoelasticity by Fourier
Transform and Load Stepping, Strain International
Journal for Strain measurement, 2005,41 (2).
Dally, James W. ; Wiliiam F. Riley ; Experimental
Stress Analysis (Third Edition) ; 1991, McGraw Hill International Editions.
5.
Srinath, L.S; M.R. Raghavan; K. Lingaiah; G.
Gargesha; B. Pant; K. Ramachandra; Juvinall, R.C.;
Experimental Stress Analysis; 1980, Tata McGraw Hill Publishing Company Limited.
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (Tono Sukarnoto dkk)
141
Menggunakan Metode Fotoelastisitas
Tono Sukarnoto dan Soeharsono
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, UnivcrsitasTrisakti
Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.4,Jl. KyaiTapaNo 1,Grogol, Jakarta Barat 11440
Telp. 5663232 Ext: 431, Fax: 5605841. E-mail: [email protected]
ABSTRACT: Stress Distribution Analysis on Bolt Head with Various Fillets Using Photoelasticity
Method. A geometry modification can be use to reduce stress concentration. This research is
investigating the influence offillet radius in the head ofbolt. Different than most common bolt, thefillet is
made at the bottom surface of head around its neck. To show the stress distribution we use classical
experimental mechanics method, photo elasticity. Loading comesfrom a lead screw and measured by a
load cell connected to a computer data logger. As the result, a 5 mm fillet radius may reduce maximum
shear stress up to 35% than nofillet radius, so its effective to minimize stress concentration in head bolt.
Keywords'. Photoelasticity, bolt, stress distribution
PENDAHULUAN
Baut merupakan salah satu elemen mesin yang
penggunaannya sangat luas. Fungsi utama baut adalah
menyambung dua komponen atau lebih agar menjadi
satu kesatuan yang utuh. Ketika dibutuhkan sambungan
dapat dilepas kembali tanpa merusak.
Pada saat digunakan baut akan mengalami tegangan
tarik maupun tegangan geser. Karena perubahan
geometri maka pada bagian-bagian tertentu terjadi
konsentrasi tegangan. Beberapa cara dapat diiakukan
untuk mengurangi konsentrasi
tegangan akibat
perubahan geometri ini yaitu, membuat radius filet,
mengubah posisi filet atau bahkan dengan melubangi
bagian tertentu di sekitar konsentrasi tegangan [1].
Pada baut, secara umum terdapat radius filet di
sudut antara kepala baut dengan badannya. Filet ini
efektif mengurangi konsentrasi tegangan di daerah
tersebut. Namun dalam pemakaian dapat terjadi filet ini
terdeformasi oleh lubang baut sehingga radiusnya
mengecil. Untuk itu dicoba membuat filet di bagian
bawah kepala baut sehingga tidak terpengaruh kontak
antara baut dan tempat mengikatnya.
Metode fotoelastisitas dipilih karena perubahan
tegangan yang terjadi dapat diamati secara langsung dari
perubahan fringe cahaya pada spesimen model
transparan yang ditempatkan di antara medan cahaya
terpolarisasi [2]. Hasil pengukuran dengan metode ini
relatif akurat dan dapat dianalogikan dengan material
sesungguhnya dalam skala penuh atau pun diperkecil.
Fotoelastisitas yang digunakan adalah dua dimensi.
Analisis orde fringe diiakukan secara digital sehingga
sangat menghemat waktu serta tidak terlalu memerlukan
keahlian khusus sebagaimana cara manual [3].
Fotoelastisitas Dua Dimensi
Analisis
tegangan
menggunakan
metode
fotoelastisitas berdasarkan atas fenomena material, yang
bersifat isotropic ketika tidak dibebani. Tetapi akan
berubah
menjadi
doubly refractive {optically
anisotropic) ketika dibebani. Namun karakteristik ini
akan hilang ketika kembali tidak dibebani. Besar beban
yang dibebankan pada model dibawah batas elastis
material. Contoh material ini seperti: epoxy, high
polymer materials, dan Iain-lain [4].
Aplikasi dari fotoelastisitas dapat terbagi menjadi
dua bagian tergantung dari bentuk geometri model yang
dianalisis. Jika model yang dianalisis berupa bidang,
maka gaya-gaya dapat dianalisa sebagai tegangan dan
regangan pada bidang, maka metode dua dimensional
dapat diiakukan. Untuk model berbentuk selain bidang
dan lebih kompleks, maka digunakan metode analisis
tiga dimensional.
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa
terdapat suatu kelas material dimana ia bersifat isotropic
ketika tidak dibebani, dan menjadi doubly refractive
{optically anisotropic) ketika dibebani. Material inilah
yang dikenal sebagai crystals yang apabila dilewati oleh
cahaya, akan direfleksikan menjadi dua cahaya, inilah
yang disebut sebagai double refraction. Metode
fotoelastisitas ini dikembangkan berdasarkan sifat-sifat
fisik dari material transparan tersebut, dengan catatan
besar beban yang diuji tidak melewati batas elastis dari
material [4].
Dalam
menganalisis
tegangan
dengan
menggunakan metode fotoelastisitas terdapat dua jenis
polariskop yang dapat digunakan. Polariskop merupakan
susunan peralatan optik yang digunakan dalam
mendeteksi distribusi tegangan yang terjadi. Kedua jenis
Kontak Person: Tono Sukarnoto
JurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, USAKTI
Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.2,Jl. Kyai Tapa No. I
Grogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431
polariskop yang biasa digunakan adalah:
• Polariskop bidang {planepolariscope) (Gambar 1)
• Polariskop circular{circularpolariscope){G&mbar 2)
Fax: 5605841, E-mail: [email protected]
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... {Tono Sukarnoto dkk)
137
Polariskop bidang
Ketika model uji dibebani maka akan bersifat
doubly refractive dan titik dimana cahaya lewat akan
terpolarisasi sesuai dengan arah tegangan utama yang
bekerja 0\ dan rj2. Sumbu polarisator akan membentuk
sudut (j) terhadap sumbu ot dan a2 (Gambar 1). Apabila
besar sudut $ yang terjadi adalah nol atau it/2, maka
sumbu polarisator akan berimpit dengan a, atau a2.
Karena sumbu analisator adalah tegak lurus terhadap
arah sumbu polarisator, maka intensitas cahaya yang
keluar dari analisator adalah nol. Akibatnya pada semua
titik pada model uji dimana arah dari tegangan utama
berimpit dengan orientasi dari polarisator-analisator,
cahaya yang keluar dari analisator akan nol [5].
Gambar 2. Susunan polariskop circular, P= polarisator.
Qi= Pelat 'A X pertama, M= model,
Q2= Pelat V* Xkedua.
Titik-titik dimana arah tegangan utama berimpit
dengan orientasi dari kombinasi polarisator-analisator
disebut dengan garis isoklinis.
Perangkat pembebanan berupa kerangka dengan lead
screw untuk mengatur beban (Gambar 4). Sebagai
Polariskop circular
pengukur beban digunakan load cell model cincin yang
Pada susunan polariskop circular digunakan dua
buah pelat seperempat gelombang (quarter wave plate)
yang masing-masing diletakkan diantara model uji dan
polarisator serta antara model uji dan analisator. Susunan
polariskop circular ini dapat dilihatpada Gambar 2.
Pada susunan polariskop circular, posisi titik-titik
pada model uji dimana nilai dari a, dan a2 membuat
perbedaan fase relatif 2mn. Disebabkan perbedaan fase
dilengkapi dengan rangkaian strain gage dan
dihubungkan dengan komputer data logger. Model
transparan baut dipasang dengan bagian kepala di
bavvah kemudian diberi beban aksial ke atas.
Pola isokromat dan isoklinis tiap spesimen direkam
dengan kamera digital. Selanjutnya gambar yang
diperoleh diproses dengan komputer untuk mendapatkan
ordefringe yang dicari.
relatif berhubungan dengan o"|-a2, maka semua titik-titik
pada
model
uji dimana
nilai
F
dari csra2 yang
menimbulkan perbedaan fase relatif sebesar 2m7t
(dimana m = 0, 1,2, ...), intensitas cahaya yang keluar
dari analistor akan nol. Maka dari itu pada layar akan
terlihat susunan garis gelap {dark band) atau fringe yang
dikenal sebagai garis isokromatis [5].
>£
SC
U U I
L U
P Qi
Q2
M
c
A
Gambar 3. Susunan peralatan optik, SC=sumber cahaya,
P= polarisator, Q,= Pelat V* Xpertama, M= model.
Q2= Pelat V* X kedua, A= analisator, C= kamera digital
Gambar 1. Susunan polariskop bidang, S = sumber cahaya,
P = polarisator, M = model uji, A = analisator [5]
METODOLOGI
Peralatan
Peralatan terdiri dari perangkat fotoelastisitas, perangkat
mekanis untuk pembebanan dan perangkat pengolah
gambar. Rangkaian perangkat fotoelastisitas terdiri dari
sumber cahaya, polarisator, analisator dan sepasang pelat
seperempat gelombang (Gambar 3).
Gambar 4. Perangkat Mekanis, a= ulir pembeban, b= rangka,
c= load cell. d= model beban transparan
138
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 137-141
Benda Uji
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dibuat empat model baut dengan
variasi pada radius filetnya. Mulai dari tanpa filet,
spesimen 1 (R = 0), spesimen 2 radius filet (R) =
2,5 mm, spesimen 3 R = 4 mm dan spesimen 4 R = 5
Analisis pertama untuk pola isoklinis
mm (Gambar 5). Beban konstan diberikan dalam arah
aksial di badan model sehingga terjadi tegangan kontak
antara kepala model dengan tumpuannya.
Bahan model transparan dari lembaran epoxy
araldit B tebal 10 mm. Pada saat pemesinan hams
diperhatikan masalah gaya pemotongan dan panas yang
timbul. Panas akibat gaya pemotongan yang tinggi saat
pemesinan harus dihindari karena akan menimbulkan
tegangan batas yang tertinggal pada model [2]. Untuk itu
diperlukan mata potong yang tajam serta mesin yang
presisi sehingga pemesinan diiakukan dengan mesin
Pola garis isoklinis diambil pada sudut-sudut 0°
sampai dengan 90° dengan interval 15°. Contoh gambar
hasil pengujian isoklinis dapat dilihat pada Gambar 6.
Sedangkan contoh gambar dari pola garis isoklinis
ditunjukkan pada Gambar 10.
Analisis kedua untuk pola isokromat
Pola garis isokromatis pada spesimen 1 sampai 4
diiakukan dengan beban 350 N pada medan gelap dan
medan terang. Contoh gabungan untuk medan gelap
dengan medan terang dengan beban 350 N pada
Gambar 7. Pola garis medan gelap dapat dilihat pada
Gambar 8 sedangkan medan terangnya dapat dilihat pada
Gambar 9.
CNC.
il
•-*
90
75'
60
-
.ts.
r•
»i _\
yf ill
{Fft*
15
\ vs
\ ss
0
vo>
E&h
Gambar 6. Pola Garis Isoklinis Spesimen 3 (angka di sebelah kiri
adalah sudut isoklinis)
r^i
o
"-
X
X
•:>
s.
>
*•*.
0:<
s°
>>
Gambar 7. Polagabungan medan gelap dan terang isokromat
Gambar 5. Model dan Variasi Radius Benda Uji
Radius filet R=0, R=2,5, R= 4 dan R=5 mm
berturut-turut untuk gambar a, b, c, dan d.
Garis
Prosedur Pengujian
Pengamatan
Ekperimen ini diiakukan dalam beberapa tahap
yaitu:
- Pengambilan pola gambar isoklinis
- Pengambilan pola gambar isokromatis
- Penggabungan pola garis isoklinis
- Penggabungan pola garis isokromatis untuk medan
gelap dan terang
- Analisis pola gambar
Gambar 8. Pola garis medan gelap pada spesimen 3 beban 350 N
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (TonoSukarnoto dkk)
139
Dengan menggunakan metode separasi tegangan
diketahui at atau a2 serta x,2 pada permukaan bebas
nilainya adalah nol. Distribusi tegangan yang terjadi dari
hasil eksperimental untuk setiap nomor fringe dapat
dihitung sebagai berikut:
/
\ .
N
Txy = V°"i ~ 0"2 jsm 2a = fr.— sin 2a
'ISfrr-S r;
I .)
(1)
h
vCW- •••-:••*
dimana diketahui:
\.
fr {ni\a\ fringe tegangan) = 11,2 kN/m [2]
h(tebal spesimen)
= 10mm =0,01m
\
Gambar 9. Pola garis medan terang pada spesimen 3 beban 350 N
N (jumlahfringe)
txy: Tegangan gesermaksimum
o~|dan a2: tegangan utama
Perhitungan
Hasil dari perhitungan yang didapat akan disajikan
dalam bentuk grafik yang menjelaskan hasil analisis
terhadap benda uji. Dari model benda uji tersebut,
distribusi tegangan yang akan dibahas adalah distribusi
tegangan sepanjang garis pengamatan seperti terlihat
pada Gambar 8. Dengan mengambil titik pengamatan
sebagai fungsi sudut isoklinis dan ordt fringe maka akan
dihasilkan grafik sebagai berikut untuk model spesimen
no 3 (Gambar 10 & 11).
Berdasarkan rumus di atas,
maka distribusi
tegangan xxy hasil eksperimental untuk setiap titik
pengamatan untuk keempat spesimen dapat ditunjukkan
pada grafik Gambar 12.
Perbandingan Tegangan Fotoelastisitas
Tegangan (MPa)
2.00E+06
1.80E+06
;r
1.60E+O8
1.40E+06
1.20E+06
Sudut
1.00E+06
8.00E+05
6.00E+05
4.00E+05
2.00E+05
0.00E+00
-2.00E+05
I | I |c | I 1 I | I I I 1 I I ' |» I—Tltlk Pengamatan
1 2 3 4 5 6 7 8 9 LO
Titik Pengamatan
• Spesimen 1
-*-
' Spesimen 2
- Spesimen 3
- Spesimen 4
Gambar 12. Grafik perbandingan tegangan-tegangan fotoelastisitas
beban 350N untukkeempat spesiemen.
Gambar 10. Sudut Isoklinis pada spesimen 3
Fringe
Medan terang
Medan gelap
I | I 1 I| I | I | I | I 1I | I | I I
1 2
Secara
keseluruhan
tegangan
terbesar
untuk
keempat spesimen terjadi di titik pengamatan nol pinggir
filet dan makin mengecil dengan makin menjauhnya titik
3 4
5
6 7 8
Nth Penganatan
9 10
pengamatan, hal ini menunjukkan terjadinya konsentrasi
tegangan di daerah tersebut.
Tegangan maksimum terbesar terjadi pada
spesimen no 1 (tanpa radius) dan yang terkecil pada
spesimen no 4 (radius celah paling besar). Hal ini sesuai
dengan teori bahwa konsentrasi tegangan akibat
perbedaan geometri akan berkurang dengan pemberian
radius filet.
Dalam perancangan baut pemberian radius yang
selama ini diiakukan di bagian filet di leher baut, dapat
diubah dengan memindahkan letak radius di bagian
bawah kepala bautdi sekeliling lehernya. Tentunya besar
radius yang dapat diberikan bergantung kepada ukuran
bautnya, selain itu perlu dipertimbangkan aspek mampu
bentuk iformability) dari material baut tersebut.
Gambar 11.Grafik ordo isokromat padaspesimen 3 beban350 N
140
MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007,137-141
SIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA
Berdasarkan analisis dari hasil eksperimental yang
telah dibahas, dapat diambil kesimpulan bahwa
pemberian filet dengan radius tertentu di sekeliling Ieher
baut efektif mengurangi konsentrasi tegangan di kepala
1,
Element Analysis, Journal of Experimental
Techniques, 2001,25 (5), pp 19-21.
Durelli, A.J. ; Applied Stress Analysis ; Prentice -
baut.
Radius filet 5 mm memberikan pengurangan
tegangan geser maksimum sampai 35 % dibandingkan
tanpa radius, sedangkan radius 2.5 mm mengurangi
tegangan maksimum sebesar 14%.
Radius filet pada kepala baut dapat menjadi
alternatif desain geometri untuk pengurangan
A Ahlquist, I Ionescu, Moslehy; Stress reduction in
Gear Tooth using Photoelasticity and Finite
Hall ofIndia Private Limited; New Delhi; 1970.
4.
konsentrasi tegangan selain dari radius filet di leher baut
sebagaimana baut pada umumnya.
Zuccarello; Complete Isochromatic Fringe-order
Analysis in Digital Photoelasticity by Fourier
Transform and Load Stepping, Strain International
Journal for Strain measurement, 2005,41 (2).
Dally, James W. ; Wiliiam F. Riley ; Experimental
Stress Analysis (Third Edition) ; 1991, McGraw Hill International Editions.
5.
Srinath, L.S; M.R. Raghavan; K. Lingaiah; G.
Gargesha; B. Pant; K. Ramachandra; Juvinall, R.C.;
Experimental Stress Analysis; 1980, Tata McGraw Hill Publishing Company Limited.
Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (Tono Sukarnoto dkk)
141