PERANCANGAN TURBIN MIKROHIDRO TIPE PROPELER VANES KAPASITAS 1000 WATT
M. Dwi Trisno 1) , Muhammad Firdausi 2) , Dahmir Dahlan 3)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Simulasi Pembebanan
Untuk mengetahui besarnya tegangan aplikasi yang dihasilkan pada plat, pada simulasi ini dilakukan proses pembebanan arah axial sebesar 85 Mpa pada plat sebelum dikenai proses cold expansion hole. Gambar 9 memberikan visualisasi hasil simulasi pembebanan axial.
Gambar 9. Contour distribusi tegangan pada plat ber- lubang akibat pembebanan axial sumbu X
Dalam simulasi ini tegangan yang terjadi bervariasi mulai dari tegangan kecil dan besar, dapat dilihat dari gambar tersebut terjadi konsentrasi tegangan disekitar lubang. Warna merah pada gambar menunjukan tegangan tarik yang terjadi pada pelat, nilai terbesar terjadi disisi lubang pada arah paralel sumbu Y dengan besar tegangannya 259,49 Mpa. Pada daerah inilah biasanya retak awal material akan dimulai sehingga tegangan ke arah inilah yang akan dianalisa. Setelah terjadi pemusatan tegangan di sisi lubang kearah sumbu Y warna merah ini akan memudar menjadi warna hijau bila semakin jauh dari lubang, hal ini menunjukkan bahwa tegangan yang terjadi juga semakin turun. Sedangkan daerah berwarna biru menggambarkan terjadinya tegangan sisa tekan pada plat yang dikenai beban tarik. Gambar 10 menunjukkan distribusi tegangan yang diplot dalam grafik besar tegangan terhadap jarak dari lubang sambungan.
Gambar 10. Grafik hubungan jarak lubang dengan tegangan akibat pembebanan
Dari hasil simulasi pembebanan axial ini dapat diketahui bahwa terjadi konsentrasi tegangan pada daerah sekitar lubang. Konsentrasi tegangan ini dikarenakan adanya keti- dakteraturan dimensi pada plat. Hal ini tentunya akan sangat membahayakan komponen struktur tersebut waktu diguna- kan sehingga sangat diperlukan estimasi perhitungan desain yang cermat. Karena pada daerah tersebut akan terjadi deformasi plastis lokal dengan tegangan tarik yang dapat memicu timbulnya retak awal material, sehingga pada daerah tersebut perlu dilakukan perlakuan khusus sebelum peren- canaan komponen struktur dilakukan
Hasil Simulasi Cold Expansion Hole
Dari simulasi cold expansion hole yang telah dilakukan didapatkan hasil distribusi tegangan sisa yang beragam yang terjadi pada plat mulai daerah sekitar hole sampai daerah tepi terluar plat. Hal ini dapat dilihat pada contour warna yang berbeda pada variasi kecepatan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, 2 m/s yang diperlihatkan pada gambar 11. Dari contour warna inilah dapat dilihat bahwa variasi kecepatan juga berpengaruh terhadap besarnya tegangan sisa yang terjadi. Jika diamati
contour warna pada plat yang telah dikenai proses cold
expansion hole, maka dapat dilihat terdapat warna biru di sekitar lubang yang menandakan bahwa di sekitar hole telah terjadi tegangan sisa tekan (compressive residual stress).
Semakin menjauh dari hole, warna biru tersebut secara granual berangsur-angsur akan berubah warnanya menjadi merah yang menandakan bahwa semakin menjauhi hole, tegangan sisa tekan (compressive residual stress) akan bertransisi
menjadi tegangan sisa tarik (tensile residual stress). Tes Model
Start
Pengumpulan Data Cold Expansion Hole
Finish
Proses simulasi dengan variasi kecepatan
Compare dengan Eksperimen sebelumnya
(a) 0,6 m/s
(b) 0,9 m/s
(c) 1 m/s
Gambar 11. Distribusi tegangan pada plat setelah proses
cold expansion hole.
Dari gambar tersebut secara visual dapat dilihat bahwa tegangan sisa tekan yang terjadi di sekitar hole pada plat yang ditandai dengan warna biru pada masing-masing variasi kecepatan mengalami perbedaan. Semakin besar kecepatan
maka warna biru di sekitar hole warnanya akan semakin tua
yang menunjukkan tegangan sisa tekan besar dan daerahnya lebih luas. Hasil tersebut ditampilkan dalam gambar 12 berupa grafik hubungan antara tegangan sisa dan jarak dengan kecepatan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, dan 2 m/s.
Gambar 12. Grafik distribusi tegangan sisa pada variasi
kecepatan mandrel pada daerah entry face
Semakin tinggi kecepatan maka tegangan sisa tekan semakin meningkat, dimana energi yang digunakan untuk mendeformasi plastis material juga semakin besar. Dengan kecepatan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, dan 2 m/s dihasilkan tegangan sisa tekan maksimum sebesar -89,36 MPa, -354,82 MPa, -426,4 MPa dan -271,19 MPa. Pada kecepatan yang semakin tinggi yaitu 2 m/s didapat tegangan sisa yang lebih rendah, yang disebabkan strain limit material yang sudah maksimum.
Transisi tegangan sisa tekan – tegangan sisa tarik
Gambar 13 menunjukkan jarak transisi tegangan dari tegangan sisa tekan menjadi tegangan sisa tarik yang terjadi
pada plat setelah proses Cold Expansion Holes.
Gambar 13. Jarak transisi tegangan sisa
Pada variasi kecepatan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, 2 m/s didapatkan jarak transisi dari tegangan sisa tekan menuju tegangan sisa tarik pada jarak 2 mm, 4 mm, 4 mm, dan 5 mm. Hasil ini dapat dipakai sebagai dalam mendesain suatu
struktur yang menggunakan Cold Expansion Process,
dimana pada jarak setelah titik transisi tersebut memerlukan perhatian khusus, mengingat tegangan yang dihasilkan sudah menjadi tegangan sisa tarik yang merugikan. Tegangan sisa tarik ini akan menambah tegangan material pada saat material tersebut dibebani pada waktu aplikasi.
Tegangan sisa maksimum dan minimum
Gambar 14 menunjukkan tegangan sisa tekan minimum dan tarik maksimum dari berbagai variasi kecepatan. Bila diamati dari berbagai variasi yang berbeda maka tegangan maksimum yang dihasilkan juga berbeda. Semakin besar kecepatan mandrel yang digunakan maka semakin besar pula tegangan sisa tekan yang terbentuk mulai dari tepi lubang.
Gambar 14. Grafik tegangan sisa ekstrim pada daerah entry face
Dari uraian daerah transisi dan tegangan sisa ekstrem yang terjadi tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa parameter
kecepatan pada mandrel yang digunakan dalam Cold
Expansion Process perlu diperhatikan. Pemilihan kecepatan
mandrel pada Cold Expansion Process perlu disesuaikan
supaya tegangan sisa tekan yang terjadi semaksimal mungkin serta tidak menghasilkan tegangan sisa tarik yang terlalu besar.
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
Superposisi Tegangan Sisa dengan Tegangan Aplikasi
Hasil ini diperoleh dengan menjumlahkan tegangan sisa yang terjadi dengan tegangan akibat pembebanan. Dari hasil superposisi inilah seberapa besar pengaruh distribusi tegangan sisa tehadap tegangan akibat pembebanan dapat diketahui. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada plot grafik pada Gambar 15.
Gambar 15. Grafik hubungan antara jarak dan tegangan sisa super posisi pada proses cold expansion hole Walaupun plat berlubang yang diekspansi diberi beban axial sebesar 85 MPa, di sekitar lubang sambungan tidak terjadi konsentrasi tegangan seperti pada plat yang tidak
diberi perlakuan Cold Expansion Hole. Sebagai contoh pada
variasi kecepatan 0,6 m/s bila tidak diekspansi, tegangan
yang terjadi di tepi lubang adalah 259.49 MPa sedangkan yang telah diekspansi terlebih dahulu adalah 170,13 MPa.
Hal ini sangat sesuai harapan bahwa proses Cold Expansion
Hole bertujuan untuk menurunkan konsentrasi tegangan
pada area sekitar lubang sambungan yang mengakibatkan terjadinya inisisasi retak pada komponen struktur.
Pembahasan
Hasil plot regangan plastis yang terjadi pada material
setelah proses Cold Expansion Hole dengan berbagai variasi
kecepatan dapat dilihat pada gambar 16.
V = 0,6 m/s V = 0,9 m/s
V = 1 m/s V = 2 m/s
Gambar 16. Distribusi regangan plastis setelah proses Cold Expansion Hole
Dari plot tersebut dapat dilihat regangan plastis yang terjadi hanya terjadi di sekitar lubang, hal ini diindikasikan dengan warna biru muda yang menggambarkan regangan plastis pada sisi dekat lubang sambungan plat berlubang
setelah proses Cold Expansion Holes. Sedangkan pada jarak
yang lebih jauh dari sisi lubang yang terlihat sebagai warna biru tua, tidak terjadi deformasi plastis pada material. Sehingga tegangan sisa pada material akan berubah menjadi tegangan sisa tarik. Tegangan ini terbentuk karena adanya
reyielding material yang tidak mengalami deformasi plastis.
Gambar 17. Grafik distribusi regangan plastis pada variasi kecepatan mandrel yang berbeda
Gambar 17 menggambarkan distribusi regangan plastis yang terjadi pada material setelah dilakukan proses Cold Expansion Hole yang dilakukan pada variasi kecepatan. Dengan kecepatan yang lebih besar maka deformasi plastis yang terjadi pada material juga semakin besar. Dapat dilihat setelah jarak mulai 7 mm regangan plastis sudah cenderung bernilai sama dengan nol. Hal ini menggambarkan bahwa deformasi plastis yang terjadi maksimum terjadi pada jarak 6 mm dari tepi lubang.