1,2Departemen Teknik Mesin, Universitas Hasanuddin Gowa, Sulawesi Selatan
*Email: [email protected]
Abstrak
Penggunaan komponen struktur tabung persegi berdinding tipis sangat banyak digunakan dalam dunia industri antara lain otomotif, penerbangan, pelayaran dan konstruksi.. Salah satu strategi optimasi yang digunakan yakni dengan memberi variasi bentuk inisiator pada tabungpersegi berdinding tipis dan menghitung moment inersia penampang untuk mentukan gaya kritis serta tegangan. Jenis variasi inisiator yang digunakan adalah tanpavariasi inisiator, variasi inisiator lingkaran, variasi inisiator segitiga sama sisi, variasi inisiator segitiga sama kaki, variasi inisiator bujur sangkar. Pada penelitian ini, tabung persegi berdinding tipis yang di gunakan memeiliki tebal 0,8 mm dengan panjang sisi 40 x40 x200 (mm) dan jarak variasi inisiator 20 mm dari ujung spesimen. Analisis penyerapan energi pada tabung persegi berdinding tipis akan dianalisa menggunakan software untuk mengetahui desain tabung persegi berdinding tipis mana yang memiliki daya serap energi terbaik diantara lima desain tersebut dan membandingkan nilai tegangan hasil uji teori dengan uji simulasi sehingga bisa diketahui berapa besar perbandingan nilai selisihnya kemudian di dapatkan daya serap energi terbaik pada tabung persegi berdinding tipis tanpa variasi inisiator dengan nilai daya serap energi 1,104711645 KJ. Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa variasi inisiator pada desain tabung persegi berdinding tipis sangat berpengaruh pada nilai daya serap energinya, karena masing-masing variasi inisiator memiliki luas ukuran yang berbeda, semakin besar luas variasi inisiatornya maka semakin kecil pula daya serap energinya.
1. Pendahuluan
Penggunaan komponen struktur berdinding tipis sangat banyak digunakan dalam dunia industri antara lain otomotif, penerbangan, pelayaran dan konstruksi. Beberapa keunggulan komponen tersebut diantaranya sangat banyak tersedia di pasaran, ekonomis dan mampu menyerap energi khususnya sistem keselamatan penumpang saat tabrakan yang dikenal dengan
crashworthinessdan perkembangan mobil
penumpang selalu meningkat dari tahun ke tahun. Ini dapat dibuktikan dari data yang dikeluarkan oleh Badan Pusat Statistik dimana pada tahun 2016 mencapai sekitar 14,5 juta yang pada sebelumya di tahun 2015 sebesar 13,4 juta Badan Pusat Statistik (2018). Produksi kendaraan tersebut harus memenuhi standar keselamatan penumpang jika terjadikecelakaan yang dikenal dengan crashworthiness. Struktur berdinding tipis digunakan sebagai komponen dalam crashworthiness dimana terletak pada daerah crumple zone yang dikenal dengan front rail. Struktur front rail tidak diperbolehkan mempunyai kekakuan yang terlalu lemah dikarenakan dapat mengenai penumpang dan jika terlalu kuat dapat membawa penumpang terlempar Dionisius, dkk. (2017). Selain dari pada itu, front rail yang pada umumnya
berbentuk tabung juga dapat menyerap energi kinetik sebesar 40% saat terjadi tabrakan dari depan yang (frontal) Istiyanto, dkk. (2014). Istiyanto melakukan investigasi mengenai pengaruh variasi diameter Istiyanto, dkk. (2016) dan sudut crush initiator. Penelitian tersebut menunjukkan bahwa dengan crush initiator dapat mempengaruhi kriteria crashworthiness antara lain gaya tumbukan maksimum, penyerapan energi spesifik dan efisiensi gaya tumbukan. Salah satu cara untuk mengurangi dampak pada penumpang saat terjadi kecelakaan serta meningkatkan kriteria crashworthinhess dengan penggunaan crush initiatorpada komponen struktural. Abramowicz dan Jones (1997) menggunakan crush initiator untuk mengetahui proses transisi yang mengakibatkan fenomena general bucklingke progressive buckling pada tabung dengan aplikasi general imperfections. Browne dan Johnson, (2005) melakukan analisa pengaruh crush initiatorpada tabung rol dibungkus komposit pada saat diberikan beban aksial dengan proses drop test. Cho, dkk. (2006) juga melakukan optimasi desain frame depan kendaraan dengan menggunakan hole-type dan dent-type crush initiator saat diberikan beban aksial. Eren dan Aksoy (2009)melakukan analisa komputasi eksplisit
Prosiding SNTTM UH, 24 November 2020 ISBN : 978-979-18011-4-0
105 tidak linier pada desain baru crush initiator
pada tabung bujur sangkar berdinding tipis dengan bantuan program ANSYS/LS-DYNA. Zhang, Tian dan Yu (2009a) menambah buckling inisiator pada tabung bundar untuk mendapatkan hasil beban tumbukan puncak saat diberikan beban aksial. Bagian atas tabung diberikan inisiator dengan menghubungkan 3 titik dengan sudut yang sama pada bagian atas tabung. Kemudian Zhang dkk. (2009b) juga mempelajari pengaruh buckling inisiator pada bagian atas tabung persegi untuk mendapakan beban tumbukan puncak dan penyerapan energi selama diberikan beban aksial. Yuen dan Nurick (2009) mempelajari karakteristik crashworthiness dari tabung persegi secara eksperimen dan simulasi numerik dengan menggunakan blast induced imperfectionssaat diberikan beban aksial. Gumruk dan Karadeniz (2009) menggunakan desain trigger pada semi-circular untuk mendapatakan beban tumbukan puncak dan penyerapan energi. Pengaruh ini dibahas dengan menggunakan metode simulasi LSDYNA. Rezvani dan Jahan (2015) juga mempelajari tentang pengaruh kriteria crashworthiness dengan variasi crush initiatordan massa pada tabung silinder. Analisis keputusan multikriteria digunakan untuk mencari desain optimal pada tabung silinder. Konsep crush initiator diteliti juga oleh Suci Hakiman (2014) dimana dengan penggunaan crush initiator dapat memberikan pengaruh yang signifikan terhadap gaya tumbukan puncak saat mengalami beban aksial secara kuasi statik dan dinamik. Perwira (2015) juga sudah meneliti pengaruh crush initiator
menggunakan bentuk lingkaran pada tabung bujur sangkar dengan variasi diameter dan posisi dengan metode elemen hingga ANSYS/LS-DYNA. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh crush initiator jika dilakukan variasi sudut crush initiator antara titik tengah dari garis penghubung 2 lubang inisiator dengan garis tegak lurus pada setiap panel spesimen dengan garis tegak lurus terhadap beban aksial. Dua inisiator ini akan diterapkan pada setiap dari spesimen. Dengan mengetahui pengaruh tersebut, dapat juga diketahui nilai terbaik setiap kriteria crashworthiness yang dapat dijadikan rekomendasi desain.
2. Metode Penelitian
Penelitian ini lebih fokus menggunakan simulasi dengan komputer. Material yang digunakan adalah AA7003-T7. Penelitian ini
juga menggunakan material isotropik
berdasarkan penelitian sebelumnya, dengan material properties yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 sifat mekanik dari bahan.
Pemodelan Elemen Hingga Untuk
pemodelan digunakan tabung dengan
penampang segi empat yang dapat dilihat pada Gambar 1 dan 2.
Prosiding SNTTM UH, 24 November 2020 ISBN : 978-979-18011-4-0
106 Hasil analisis dengan teori untuk nilai tegangan
dan gaya kritis atau gaya maksimum pada tabung persegi berdinding tipis dengan variasi bentuk inisiator dapat kita lihat pada grafik. Dari grafik dibawah dapat kita lihat hasil tegangan dan gaya kritis atau gaya maksimum pada variasi tabung persegi tanpa inisiator, inisiator lingkaran, inisiator segitiga sama sisi, inisiator segitiga sama kaki, inisiator bujur sangkar. Untuk tegangan dapat dikatakan bahwa variasi inisiator pada tabung persegi berdinding tipis sangat berpengaruh terhadap nilai tegangan. Begitu pula dengan gaya kritis atau gaya maksimum sangat berpengaruh. Untuk tabung persegi berdinding tipis tanpa inisiator memiliki nilai tegangan yang paling besar yakni 36.057 N/mm² dibandingkan dengan tabung persegi berdinding tipis degan variasi inisiator lingkaran yang hanya memiliki tegangan sebesar 29.251 N/mm². Begitu pula dengan nilai gaya kritis atau gaya maksimum pada tabung persegi berdinding tipis
tanpa variasi inisiator memiliki nilai yang lebih besar yakni 57.692 kN dibandingkan dengan tabung persegi berdinding tipis dengan variasi inisiator lingkaran yakni 46.802 kN. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan variasi inisiator. Namun variasi diatas hanyalah perbandingan untuk mengetahui nilai tegangan dan gaya kritis atau gaya maksimum pada tabung persegi berdinding tipis, dan dapat disimpulkan bahwa dari kelima tabung persegi berdinding tipis tersebut, tabung
persegi berdinding tipis tanpa variasi
inisiatorlah yang paling tinggi nilai tegangan dan gaya kritisnya
Gambar. Grafik nilai Tegangan dan Gaya kritis atau Gaya maksimum Uji Teori
Dari hasil penelitian diatas maka didapatkan hasil tabung persegi berdinding tipis yang paling baik penyerapan energinya adalah tabung persegi tanpa variasi inisiator, dikarenakan nilai daya serap energinya tinggi
Dibandingkan dengan tabung persegi berdinding tipis yang menggunakan variasi inisiator, Hal ini terjadi karena adanya perbedaan variasi inisiator. Namun variasi diatas hanyalah perbandingan untuk mengetahui nilai daya serap energinya.
Prosiding SNTTM UH, 24 November 2020 ISBN : 978-979-18011-4-0
107 Grafik nilai daya serap energi pada tabung
persegiberdinding tipis dengan variasi bentuk inisiator Uji Simulasi
Inti dari penelitian ini terdapat pada variasi bentuk inisiatornya dimana model inisiatornya berbentuk lingkaran, segitiga sama sisi, segitiga sama kaki, dan bujur sangkar sangat berpengaruh terhadap daya serap energi tabung persegi berdinding tipis tersebut. Maka dapat di simpulkan dari hasil simulasi yang telah diteliti, daya serap energi yang paling baik adalah tabung persegiberdinding tipis tanpa variasi inisiator dengan nilai daya serap energi 1,104711645 KJ. Hal ini terjadi karena perbedaan bentuk inisiator sangat berpengaruh pada tabung persegi berdinding tipis.
Perbandingan uji Teori dan uji Software Abaqus Dari hasil pengujian teori dengan software Abaqus CAE v 6.14, didapatkan hasil seperti berikut ini :
Grafik hasil perbandingan gaya kritis uji Teori dan uji simulasi Software Abaqus CAE v 6.14 Dari data diatas bisa kita lihat perbandingan antara nilai tegangan uji teori dengan uji Software Abaqus CAE v 6.14 untuk tabung persegi berdinding tipis dengan bentuk variasi inisiator, momen inersia setiap benda uji tabung persegi berdinding tipis dengan bentuk variasi inisiator ini tidak sama, hal ini dikarenakan setiap benda uji memiliki variasi bentuk inisiator yang berbeda satu sama lainnya. Semakin besar ukuran atau luas variasi inisiatornyasemakin kecil nilai tegangannya Hasil perbandingan nilai tegangan di atas tidak lebih dari 10%, dimana selisih
terbesar diantara nilai tegangan tersebut yaitu pada tabung persegi berdinding tipis tanpa variasi inisiator dengan selisih sebesar 9,58% dan selisih terkecil yaitu pada pada tabung
persegi berdinding tipis dengan variasi inisiator lingkaran dengan
selisih sebesar 5,71%. Hal ini menunjukkan bahwa validitas data yang dihasilkan oleh uji simulasi adalah benar dan dapat dijadikan acuan dalam proses pembelajaran. Dapat disimpulakan bahwa data diatas memiliki nilai validitas yang baik dikarenakan besarnya nilai selisihnya adalah 5,71% - 9,58%.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian secara uji simulasi maka didapatkan daya serap energi paling baik adalah tabung persegi berdinding tipis tanpa bentuk variasi inisiator, maka kita dapat melihat data dari tabel di atas, didapatkan nilai daya serap energi yang paling baik yakni 1,104711645 KJ.
Setelah menganalisis tabung persegi berdinding tipis, maka dapat disimpulkan bahwa semakin besar ukuran atau luas variasi inisiatornya semakin kecil nilai tegangannya.
Hasil nilai perbandingan tegangan uji teori dengan uji simulasi, besarnya nilai gaya kritis pada material tabung persegi berdinding tipis di pengaruhi oleh bentuk variasi inisiator yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
F. Dionisius, J. Istiyanto, Suliono and Y. N.
Rohmat, "PengembanganPengujian
Crashworthiness dengan Simulasi Numerik Menggunakan Model Impact Transferability," Jurnal Teknologi Terapan (JTT), vol. 3, no. 1, pp. 12-17,
2017.
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.
J. Istiyanto, F. Dionisius, M. Yudha, M. Malawad and S. Hakiman, "Pengaruh
Diameter Crush initiator Terhadap Crashworthiness Pada Hollow Box
Beam," in Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2016, Malang, 2016.
Prosiding SNTTM UH, 24 November 2020 ISBN : 978-979-18011-4-0
108 W. Abramowicz and N. Jones, Transtition from
initial global bending to progressive buckling of tubes loaded statically anddynamically," International Journal of Impact Engineering, vol. 19, no. 56, pp. 415-437,
May-July 1997.
Yong-Bum Cho, Chul-Ho Bae, Myung-Won Suh, and Hyo-Chol Sin, "A Vehicle Front Fame Crash Design Optimization using Hole-Type and Dent-Type Crush Initiator," ThinWalled Structure, vol. 44, no. 4, pp. 415-428, April 2006.
Alan L. Browne and Nancy L. Johnson, "Dynamic Axial Crush Test of Roll
Wrapped Tubes : Plug vs. Non-Plug Crush
Initaitors," ASME 2005 International
Mechanical Engineering Congress and
Exposition, pp. 317-325, November 2005. I. Eren, Y. Gur, and Z. Aksoy, "Finite Element analysis of Collapse of Front Side Rails with New Types of Crush Intiator," International Journal of Automotive Technology, vol. 10, no. 451-457, 2009.
X. W. Zhang, H. Su, and T. X. Yu, "Energy Absorption of An axially Crushed
Square Tube With A Buckling Initiator," International Journal of Impact
Engineering,vol. 36, no. 3, pp. 402-417, March 2009.
Prosiding SNTTM UH, 24 November 2020 ISBN : 978-979-18011-4-0
109