PENGARUH CRUSH INITIATOR POLA BERTINGKAT TERHADAP KRITERIA CRASHWORTHINESS PADA TABUNG PERSEGI BERDINDING TIPIS

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

PENGARUH CRUSH INITIATOR POLA BERTINGKAT TERHADAP

KRITERIA CRASHWORTHINESS PADA TABUNG PERSEGI

₁ BERDINDING TIPIS _{2 1 1 1 1} Felix Dionisius* , Jos Istiyanto , Tito Endramawan , Irpan J. Sianturi , Suliono

  Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Indramayu, Jl.Raya Lohbener Lama No. 08 Indramayu 45252 ₂ Fax / Telp. (0234) 5746464, Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia Kontak person: _{1 2} Felix Dionisius* , Jos Istiyanto

  Kampus UI Depok 16424, Telp: +62-21-7270029, 7871786 / Fax: +62-21-7270028 _{*1 2} e-mail: dionisiusfelix@gmail.com , jos.istiyanto@gmail.com

  

Abstrak

Crashworthiness merupakan kemampuan dalam mengurangi dampak terjadinya cidera

penumpang pada saat terjadinya tabrakan khususnya secara frontal dimana mempunyai kriteria antara

_max

lain gaya tumbukan maksimum (F ), penyerapan energi spesifik (SEA), dan efisiensi gaya tumbukan

  

(CFE). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh crush initiator berbentuk lubang lingkaran

dengan pola bertingkat terhadap kriteria crashworthiness serta disain optimum untuk setiap kriteria

dengan menggunakan tabung berdinding tipis dengan penampang berbentuk persegi. Tabung yang

digunakan memiliki tebal 0.85 mm dengan panjang sisi 35 x 35 x 200 (mm). Variasi desain dari penelitian

ini menggunakan dua buah crush initiators berbentuk lingkaran dengan diameter 6,5 mm dengan tinggi

jarak 10 mm pada setiap kelipatannya hingga empat tingkatan lubang. Pengujian dilakukan secara

eksperimental dengan metode pembebanan kuasi statik dengan arah aksial. Dari hasil penelitian, crush

initiators dapat memberikan pengaruh untuk setiap variasi terhadap kriteri crashworthiness. Spesimen

dengan variasi satu hingga empat tingkat mengalami penurunan nilai dengan tumbukan puncak paling

optimal dengan nilai tumbukan puncak Fmax 19283.09 N. Sedangkan untuk spesimen dengan variasi

satu tingkat merupakan disain optimal untuk SEA dan CFE sebesar 5,24 J/gr dan 47,67 %.

  Kata kunci: crashworthiness, crush initiator, kuasi statik, disain optimal

  1. Pendahuluan

  Dalam era modern saat ini, berbagai macam disain dan teknologi yang berkembang sangat cepat khususnya dibidang industri otomotif. Berbagai inovasi dimunculkan untuk dapat bersaing dengan produk lainya. Konsumen menuntut mobil didisain semakin bertenaga, irit, ramah lingkungan dan beban yang semakin ringan. Selain itu konsumen juga menginginkan fitur standar keamanan yang menunjang keselamatan penumpang khususnya pada kendaraan roda empat. Sebuah teknologi yang dinamakan dengan crashworthiness merupakan salah satu pencapaian terbesar dalam dunia transportasi terkini, khususnya pada transportasi darat seperti mobil dan kereta. Dalam istilah teknik, crashworthiness adalah kemampuan struktur dari sebuah kendaraan untuk mengurangi dampak cidera yang dialami oleh penumpang akibat terjadinya sebuah peristiwa tabrakan ( crush). Untuk mencari kriteria crashworthiness yang diinginkan, dilakukan sebuah perlakuan terhadap spesimen yang disebut dengan crush intiator.

  

Crush initiator adalah suatu perlakuan pada sebuah spesimen yang sengaja dibuat dengan tujuan untuk

dapat mengatur perilaku struktur tabung saat diberikan beban tumbukan.

  Abramowicz dan Jones [10] meneliti proses transisi dari general buckling ke progressive buckling pada tabung. Salah satu langkah mudah dapat dilakukan adalah dengan membuat geometrical

  

imperfection pada tabung yang berupa crush initiators. Abramowicz [11] juga melakukan perancangan

  pada komponen struktur dalam transportasi yang dikenal dengan komponen berdinding tipis. Saat kecelakaan, beberapa komponen mengalami kerusakan yang mempunyai fungsi untuk menghilangkan beban tumbukan dan mengurangi kecepatan kendaraan yang mengarah batas safety. Cho et al [12] melakukan optimasi disain pada frame depan kendaraan dengan variasi hole-type dan dent-type saat diberikan beban aksial. Selain dari pada itu, Istiyanto et al [13] melakukan eksperimental dan numerikal simulasi pada tabung persegi berdinding tipis yang diberikan crush intiator berbentuk lubang dimana memberikan pengaruh yang siginfikan pada gaya tumbukan maksimum dengan memberikan beban secara kuasi statik. Subramaniyan et al [14] juga melakukan investigasi mengenai karakteristik _{SENTRA 2016}

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

  crashworthiness dan penyerapan energi pada circular tube yang diberikan lubang sebagai crush intiator dimana mempunyai variasi penempatan lubang dengan 3 kategori yang berbeda.

  Nia et al [15] melakukan penelitian dengan metode simulasi numerik dan eksperimental pada tabung silinder dengan variasi radius dari concentric tabung dimana sepsimen tesebut diberikan beban aksial dinamik dan kuasi statik. Istiyanto et al [16] meneliti pengaruh crush initiator berbentuk lubang lingkaran dengan variasi diameter pada hollow berbentuk persegi yang bdiberikan beban quasi dinamik secara aksial dengan bantuan perangkat lunak ANSYS/LS-DYNA. Selain dari pengaruh diameter, Istiyanto et al [17] juga meneliti tentang pengaruh sudut crush initiator berbentuk lubang lingkaran pada tabung persegi berdinding tipis yang diberikan beban aksial dinamik dengan bantuan numerikal simulasi PAM-Crash.

  Rezvani et al [18] melakukan penelitian secara simulasi numerik dan eksperimental tentang efek dari desain initiators dan material pada kinerja crashworthiness pada tabung silinder berdinding tipis yang diisi foam poli-urethane dan tabung tersebut dilakukan penipisan ketebalan dinding dengan bentuk cincin annular sebagai crush initiator. Dionisius et al [19] juga melakukan pengembangan pengujian

  

crashworthiness pada kolom persegi berdinding tipis dengan menggunakan model impact

transferability. Pengujian ini dilakukan dengan simulasi numerik PAM-Crash dan kolom diberikan beban

  aksial secara kuasi dinamik. Estrada et al [20] juga melakukan penelitian pada hollow aluminium persegi yang diberikan lubang untuk mengetahui perilaku crashworthiness dengan metode simulasi numerik dengan bantuan perangkat lunak ABAQUS.

  Paper ini membahas tentang pengaruh crush initiators terhadap kriteria crasworthiness pada spesimen tabung persegi berdinding tipis. Kriteria crasworthiness yang ingin diketahui adalah gaya _max tumbukan maksimum (F ), penyerapan energi spesifik (SEA) dan efisiensi gaya tumbukan (CFE dengan pembebanan aksial secara kuasi statik. Pengujian ini akan menentukan desain variasi crush

  

initiator yang terbaik untuk setiap kriteria crashworthiness. Adapun eksperimen yang telah dilakukan

  banyak peneliti mengenai crush initiator, maka paper ini menggunakan crush initiator berbentuk lubang lingkaran dengan pola bertingkat. Spesimen yang digunakan adalah tabung berdinding tipis dengan penampang berbentuk persegi. Tabung yang digunakan memiliki tebal 0.85 mm dengan penampang 35 x 35 x 200 (mm). Variasi desain dari penelitian ini menggunakan dua buah crush initiators berbentuk lingkaran dengan diameter 6.5 mm dengan tinggi jarak 10 mm pada setiap kelipatannya hingga empat tingkatan lubang. Metode penelitian dilakukan dengan menggunakan eksperimen pada pembebanan aksial secara kuasi statik dengan kecepatan 30 mm/m [13].

2. Metode Penelitian

  2.1. Diagram Alir Penelitian

  Diagram alir yang digunakan dalam penelitian ini yaitu untuk tahapan yang dilakukan sebagai panduan dalam penelitian ini untuk mengetahui pengaruh variasi tingkatan crush initiator terhadap kriteria crashworthiness pada tabung persegi berdinding tipis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

  2.2. Spesimen

  Dalam dunia automotif khususnya kendaraan darat, komponen struktur ( chassis) yang umum dipakai pada kendaraan beroda empat adalah chassis dengan jenis monokok. Keuntungan menggunakan chassis jenis monokok selain menghemat bahan bakar, karena mampu direduksi berkat

  

bobot yang ringan, keunggulan lain yaitu proses produksi mobil menjadi lebih singkat, karena tidak

perlu membuat sasis tambahan. Selain itu, dapat membuat ruang kabin lebih aman saat terjadi

benturan [21]. Chasis monokok yang ringan menjadi acuan dalam memilih tabung berdinding tipis

  sebagai spesimen uji. Oleh karena itu spesimen maupun model geometri yang digunakan dalam penelitian ini adalah tabung berdindng tipis berbentuk persegi. Harga yang lebih ekonomis dan mudah ditemukan dipasaran juga menjadi pertimbangan dalam memilih spesimen tabung berbentuk persegi berdindig tipis untuk dijadikan sebagai objek dari penelitian ini.

  SENTRA 2016

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 _Mulai eISSN (Online) 2527-6050 _{Uji komposisi kimia} Tinjauan Pustaka _{dan uji tarik} Data komposisi kimia & _{Grafik Strain vs Stress Pengujian Crashworthiness} Eksperimental _{Hasil Tidak Analisa} ?? _Ya Kesimpulan _Selesai

  

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

  Tabung yang digunakan memiliki tebal 0.85 mm dengan penampang 35 x 35 x 200 (mm). Variasi desain dari penelitian ini menggunakan dua buah crush initiator berbentuk lingkaran dengan diameter 6.5 mm dengan tinggi jarak 10 mm pada setiap kelipatannya hingga empat tingkatan lubang. Tabung persegi secara bertahap dengan kode variasi seperti pada Gambar 2 dan sebuah tabung tanpa crush

  initiator sebagai pembandingnya.

  M S S S S

  1

  1

  2

  3

  4 Gambar 2. Disain Spesimen _{SENTRA 2016}

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

2.3. Komposisi Kimia Uji komposisi kimia yaitu untuk mengetahui komposisi yang terkandung pada spesimen tabung.

  

9 Wolfram/Tungsten ( W ) 0.001

  

Engineering Stress-Strain dan True Stress-Strain seperti pada Gambar 3. Tabel 2 menunjukkan data

yield strength, tensile strength, elongation melalui grafik pengujian tarik.

  Dari proses pengujian tersebut didapat kurva gaya terhadap ekstension dan diolah menjadi

  Uji tarik dilakukan untuk mengetahui sifat mekanis dan pada spesimen yang akan diuji. Spesimen yang akan diuji memiliki standar ukuran tersendiri untuk proses pengujian tariknya. Pada pengujian tarik ini menggunakan standar ASTM E8/E8M [23]. Uji tarik menggunakan mesin uji Universal Testing Machine (UTM) Hung Ta dengan kapasitas 25 ton.

  

Gambar 3. Grafik hasil pengujian Tarik

  Dari hasil Tabel 1 menunjukkan bahwa spesimen tabung yang digunakan untuk pengujian, dapat diklasifikasikan sebagai low carbon steel dimana kandungan karbon di bawah 0,25 % [22].

  

14 Ferro/Iron ( Fe ) 99.715

  

13 Antimony ( Sb ) 0.001

  

12 Aluminium ( Al ) 0.027

  

11 Tin ( Sn ) 0.001

  

10 Titanium ( Ti ) 0.002

  

8 Copper ( Cu ) 0.006

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

  0.02

  7 Chromium ( Cr )

  0.01

  6 Nickel ( Ni )

  

5 Manganese ( Mn ) 0.129

  

4 Phosporus ( P ) 0.016

  

3 Sulfur ( S ) 0.002

  

2 Silikon ( Si ) 0.038

  

1 Carbon ( C ) 0.046

  

Tabel 1. Hasil uji komposisi kimia

No. Unsur Element Nilai

  Pengujian komposisi tersebut dilakukan dengan menggunakan mesin uji ARL 3400 Optical Emission Spectrometer dengan kapasitas 20 unsur.

2.4. Uji Tarik

  SENTRA 2016

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

Tabel 2. Data hasil uji tarik

Dimensi Luas Panjang Ukur Kuat Tarik Batas Luluh Regangan

  (Size Dimension) (Area) (Gage Length) (Tensile Strength) (Yield Strength) (Elongation) mm mm mm MPa MPa % t= 0.85

  11.13

  50 67.58 192.8

  41.01

  w= 13.1

Gambar 4. Konsep Pengujian Quasi-Statik

  2.5. Konsep Pengujian

  Pengujian ini menggunakan metode eksperimen dengan menggunakan alat Universal Testing

  Machine (UTM) dengan kapasitas 25 ton seperti pada

  Gambar 4 dengan pembebanan secara kuasi statik dan gaya tekan yang diberikan secara aksial pada sepesimen dengan kecepatan konstan 30 mm/min [13]. Pengujian ini akan menghasilkan kurva gaya terhadap displacement dimana penekanan dilakukan dari awal tabrakan hingga 100 m.

  2.6. Kriteria Crashworthiness

  Pada umumnya, parameter yang digunakan dalam menentukan kriteria crashworthiness berupa kriteria kuantitatif seperti penyerapan energi ( energy absorption, EA) dan gaya tumbukan _max maksimum ( peak crushing force, F ) [24]. Penyerapan energi dapat diformulasikan pada Persamaan di bawah ini :

  ( ) = ( ) (1) (∆)

  (2) _{rata-rata ( )} =

  F ( ) = ∫

  (3) (∆)

  = 100% (4) Hasil CFE yang diharapkan saat terjadinya tabrakan adalah 1 [25].

3. Hasil Penelitian dan Pembahasan

  Variasi yang dilakukan pada spesimen adalah crush initiator berbentuk lubang lingkaran dengan pola bertingkat. Bentuk dari hasil pengujian ini yang didapat dari mesin Universal Testing Machine (UTM) berupa grafik gaya tumbukan terhadap displacement seperti pada Gambar 5. Gambar tersebut menunjukkan beberapa lipatan dari awal tumbukan hingga mengalami displacement sebesar 100 mm seperti yang dilakukan Istiyanto et al [13] sebesar 6 lipatan yang dinamakan dengan fenomena _{SENTRA 2016}

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

progressive buckling seperti yang ditunjukan pada Gambar 6. Fenomena tersebut berlangsung selama

  3,33 menit dimana kecepatan dari stroke pada UTM sebesar 30 mm/menit. Dengan membandingkan ketiga hubungan tersebut diantaranya displacement, kecepatan dan waktu, mempunyai persamaan kinematik yaitu gerak lurus beraturan (GLB) [26].

  Lipatan

  

Gambar 5. Grafik gaya tumbukan yang terjadi terhadap displacement

  t = 80 s t = 40 s t = 0 s t = 200 s t = 160 s t = 120 s

  

Gambar 6. Fenomena Progressive Buckling

  Data dari hasil pengujian tersebut diolah dengan menggunakan persamaan 1 sampai 4 untuk mengetahui kriteria crashworthiness. Disain terbaik untuk setiap kriteria crashworthiness antara lain gaya tumbukan maksimum yang paling kecil, penyerapan energi spesifik dan efisiensi gaya tumbukan _{SENTRA 2016}

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

  yang paling besar. Kriteria ini dapat dilihat pada Tabel 3 dan Gambar 7 dimana jika dilihat tabung dengan

  

crush initiator mempunyai kecenderungan gaya maksimum yang rendah dibandingkan tanpa crush

initiator. Semakin banyak tingkatan dari crush initiator, nilai dari tumbukan puncaknya semakin rendah.

  Selain daripada itu, gaya maksimum terkecil ada pada disain S4 sebesar 19283,09 N, penyerapan energi spesifik (SEA) maksimum ada pada disain S1 sebesar 5,24 J/gr, sedangkan efisiensi gaya tumbukan maksimum ada pada disain S1 sebesar 47,67%.

  

Gambar 7. Hasil Kriteria Crashworthiness

  4. Kesimpulan

  Dari hasil penelitian yang dilakukan pada Gambar 7 diketahui bahwa crush initiator _max berpengaruh terhadap nilai gaya tumbukan puncak (F ), nilai gaya tumbukan yang paling optimal adalah nilai gaya tumbukan terendah dimana penurunan gaya tumbukan puncak yang signifikan dialami oleh spesimen dengan kode variasi S4 dengan nilai tumbukan puncak 19283.09 N, sedangkan nilai CFE dan SEA yang paling optimal adalah nilai CFE dan SEA yang tertinggi dimana nilai tersebut dimiliki oleh spesimen dengan disain S1 sebesar 5.24 J/gr dan 47.67 %.

  

Tabel 3. Hasil Kriteria Crashworthiness

_max

Disain F CFE SEA

  N % J/gr M 20297.43

  43.26

  5.02 S1 19656.55

  47.67

  5.24 S2 19829.11

  42.35

  4.98 S3 19649.15

  43.39

  5.02 S4 19283.09

  43.21

  5.11 Catatan : M = Tanpa crush initiator

  5. Daftar Notasi

  EA : Penyerapan energi F(x) : Fungsi gaya terhadap displacement SEA : Penyerapan energi spesifik CFE : Efisiensi gaya tumbukan _max F : Gaya tumbukan puncak

  Referensi:

  [1] W. Abramowicz and N. Jones, "Transition from initial global bending to progressive buckling of tubes loaded statically and dynamically," International Journal of Impact Engineering, vol. 19, no. 5-6, pp. 415-437, 1997. _{SENTRA 2016}

  Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2017

  ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050

  [2] W. Abramowicz, "Thin-walled structures as impact energy absorbers," Thin-Walled Structures, vol. 41, no. 2-3, pp. 91-107, 2003. [3] Y.-B. Cho, C.-H. Bae, M.-W. Suh and H.-C. Sin, "A Vehicle Front Fame Crash Design

  Optimization using Hole-Type and Dent-Type Crush initiator," Thin-Walled Structure, vol. 44, no. 4, pp. 415-428, April 2006. [4] J. Istiyanto, S. Hakiman, D. A. Sumarsono, G. Kiswanto, A. S. Baskoro and S. Supriadi,

  "Experiment And Numerical Study - Effect of Crush initiators Under Quasi-Static Axial Load of Thin Wall Square Tube," Applied Mechanics and Materials, vol. 660, pp. 628-632, 2014. [5] S. K. Subramaniyan, A. K. Kananasan, M. R. Yunus, S. Mahzan and M. I. Ghazali, "Crush

  Characteristics and Energy Absorption of Thin-Walled Tubes with Through-Hole Crush initiators," Applied Mechanics and Materials, vol. 606, pp. 181-185, 2014. [6]

  A. A. Nia and H. Khodabakash, "The effect of radial distance of concentric thin-walled tubes on their energy absorption capability under axial dynamic and quasi-static loading," Thin-Walled Structures, vol. 93, pp. 188-197, 2015. [7] J. Istiyanto, F. Dionisius, M. Yudha, M. Malawad and S. Hakiman, "Pengaruh Diameter Crush initiator Terhadap Crashworthiness Pada Tabung," in Seminar Nasional Teknologi dan

  Rekayasa (SENTRA) 2016, Malang, 2016. [8] J. Istiyanto and F. Dionisius, "Pengaruh Sudut Crush initiator Berbentuk Lubang Lingkaran

  Terhadap Kriteria Crashworthiness Pada Tabung Persegi Berdinding Tipis," in Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) XV, Bandung, 2016. [9] M. J. Rezvani and A. Jahan, "Effect of initiator,design, and material on crashworthiness performance of thin-walled cylindrical tubes : A primary multi-criteria analysis in lightweight design," Thin-Walled Structures, vol. 96, pp. 169-182, November 2015. [10]

  F. Dionisius, J. Istiyanto, Suliono and Y. N. Rohmat, "Pengembangan Pengujian Crashworthiness dengan Simulasi Numerik Menggunakan Model Impact Transferability," Jurnal Teknologi Terapan (JTT), vol. 3, no. 1, pp. 12-17, 2017.

  [11] Q. Estrada, D. Szwedowicz, J. Silva-Aceves, T. Majewski, J. Vergara-Vazquez and A.

  Rodriguez-Mendez, "Crashworthiness behavior of aluminum profiles with holes considering damage criteria and damage evolution," International Journal of Mechanical Sciences, Vols. 131-132, pp. 776-791, 2017. [12] J. A. Ambrosio, Crashworthiness Energy Management and Occupant Protection, C. Tasso, Ed., New York: Springer-Verlag Wien GmbH, 2001. [13] W. D. Callister and D. G. Rethwisch, Fundamental of Material Science and Engineering : An Integrated Approach, River Street: John Wiley & Sons, Inc, 2012. [14] ASTM E8/E8M, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM. [15] Z. Xiao, J. Fang, G. Sun and Q. Li, "Crashworthiness design for functionally graded foam-filled bumper beam," Advances in Engineering Software, vol. 85, pp. 81-95, 2015. [16] Z. Tang, S. Liu and Z. Zhang, "Analysis of energy absorption characteristics of cylindrical multi- cell columns," Thin-Walled Structures, vol. 62, pp. 75-84, 2013. [17]

  D. C. Giancoli, Physics for Scientist & Engineeers with Modern Physics, Upper Saddle River: Pearson Education, Inc., 2008.

  SENTRA 2016