HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2 Hasil Simulasi Kekuatan Struktur
Simulasi kekuatan struktur pada bilah inverse taper bermaterial kayu pinus dilakukan terhadap tiga variasi pembebanan yang diberikan yakni sebesar 53,6135 N, 271,20 N, dan 356,936 N. Hasil dari simulasi tersebut adalah dapat diketahuinya parameter-parameter kekuatan struktur kayu pinus yakni sebagai berikut:
1. Von Mises Stress
Tegangan von misses adalah tegangan statik yang dihitung berdasarkan pembebanan yang diberikan. Hasil untuk tegangan von misses maksimum ditunjukkan dengan gardien warna merah. Pada pembebanan 53,6135 N dan 271,20 N, tegangan von misses maksimum yang diperoleh sebesar 6,481 x 106 N/m2 dan 3,273 x 107 N/m2. Area terjadinya tegangan maksimum pada pembebanan pertama dan kedua terletak di sekitar elemen dekat pangkal bilah. Sedangkan hasil untuk tegangan von misses minimum ditunjukkan dengan warna biru. Pada pembebanan 53,6135 N dan 271,20 N, tegangan von misses minimum yang diperoleh sebesar
62
pembebanan pertama dan kedua terletak di sekitar elemen yang menuju bagian ujung bilah. Berdasarkan tegangan luluh material bilah yang digunakan yaitu kayu pinus sebesar 4,1 x 107 N/m2 dapat dipastikan bahwa rancangan tersebut mampu untuk menahan beban yang diberikan. Karena tegangan maksimum yang didapat tidak melebihi tegangan luluh material yang digunakan.
Gambar 4.5 Stress akibat pembebanan pertama
Gambar 4.6 Stress akibat pembebanan kedua
Sedangkan pada pembebanan ketiga memberikan hasil yang berbanding terbalik dengan pembebanan pertama dan pembebanan kedua. Hasil tegangan von
63
misses maksimum dengan pembebanan 356,936 N adalah sebesar 4,315 x 107 N/m2 dan tegangan von misses minimum adalah sebesar 7,147 x 10-6 N/m2. Karena tegangan maksimum yang diperoleh melebihi tegangan luluh material kayu pinus, maka dapat dipastikan bahwa rancangan tersebut tidak mampu untuk menahan beban yang diberikan.
Gambar 4.7 Stress akibat pembebanan ketiga
Gambar 4.8 Grafik stress maksimum terhadap variasi pembebanan
6481000
64
Gambar 4.9 Grafik stress minimum terhadap variasi pembebanan
Dari hasil analisa tegangan von misses dapat disimpulkan bahwa bilah inverse taper bermaterial kayu pinus memiliki kekuatan yang cukup baik karena mampu menahan beban hingga 271,2 N. Sedangkan pengaruh beban terhadap tegangan yang dihasilkan menunjukkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada bilah maka tegangan yang dihasilkan juga semakin besar.
2. Diplacement
Hasil analisa diplacement ditunjukkan pada daerah yang mengalami perubahan bentuk akibat gaya yang diterima. Area yang mengalami diplacement maksimum ditunjukkan dengan gradien warna merah sedangkan area mengalami diplacement minimum ditunjukkan dengan gradien warna biru. Pada pembebanan 53,6135 N, 271,20 N, dan 356,936 N diplacement maksimum yang diperoleh adalah sebesar 15,49 mm, 78,23 mm, dan 103,1 mm. Area terjadinya diplacement maksimum pada pembebanan tersebut terletak di sekitar ujung bilah.
Berdasarkan data yang diperoleh, bilah dengan material kayu memiliki potensi terjadinya defleksi cukup besar. Hal ini sesuai dengan penelitian M. Shuwa et.al [45], mengenai investigasi kesesuaian material yaitu alumunium dan kayu pantai untuk turbin angin sumbu horizontal. Hasilnya menunjukkan bahwa alumunium mengalami
0,000001073
65
defleksi lebih kecil yakni sebesar 49 mm daripada defleksi yang dihasilkan kayu pantai sebesar 98 mm. Potensi terjadinya defleksi yang besar pada kayu disebabkan karena material kayu memiliki kepadatan dan kekakuan yang cukup rendah.
Akibatnya, menurut Atmadi dan Fitroh [41] defleksi tersebut dapat mengakibatkan terjadinya perubahan sudut puntir yang dapat mempengaruhi kinerja turbin angin.
Sedangkan untuk displacement minimum yang dihasilkan bilah inverse taper pada pembebanan 53,6135 N, 271,20 N, dan 356,936 N adalah sebesar 0 mm. Area terjadinya diplacement minimum adalah pada bagian pangkal bilah yang jaraknya dekat dengan area tumpuan (fixed geometry). Menurut Handoko [12], bagian bilah yang semakin menjauhi pangkal, memiliki nilai diplacement yang lebih besar dibandingkan bagian lainnya. Sehingga, bagian bilah yang berada di dekat area tumpuan masih aman dalam menahan terjadinya defleksi.
Gambar 4.10 Diplacement akibat pembebanan pertama
66
Gambar 4.11 Diplacement akibat pembebanan kedua
Gambar 4.12 Diplacement akibat pembebanan ketiga
Sehingga, dari hasil analisa diplacement ini dapat disimpulkan bahwa bilah inverse taper bermaterial kayu pinus mengalami diplacement yang berbeda seiring variasi pembebanan yang berbeda juga. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada bilah akan menyebabkan diplacement yang terjadi juga semakin besar.
67
Gambar 4.13 Grafik diplacement maksimum terhadap variasi pembebanan 3. Factor of Safety
Safety factor pada plot ini mengacu pada kekuatan material dari model dalam menanggung tegangan yang dialami setelah beban diberikan. Dengan membandingkan tegangan luluh material dan tegangan von misses maksimum yang ada, maka akan diperoleh distribusi Factor Of Safety (FOS) pada seluruh bagian model [46]. Dalam analisa FOS, warna biru menyatakan bahwa tingkat keamanan desain yang dirancang sangat tinggi. Berdasarkan hasil analisa, dominasi FOS ditunjukkan oleh area dengan gradien warna merah. Pada pembebanan 53,6135 N dan 271,20 N nilai faktor keamanan diperoleh sebesar 6,3 dan 1,3. Angka keamanan tersebut terjadi pada bagian seluruh bilah yang diberikan gaya. Berdasarkan teori, FOS yang dihasilkan sesuai karena bernilai lebih dari 1,2. Waluyo [47] melakukan penelitian analisis struktur pada bilah dengan material kayu balsa, nilai faktor keamanan yang diperoleh adalah sebesar 1,6 pada pembebanan 5 N. Hal ini menunjukkan bahwa bilah dengan material kayu memiliki tingkat keamanan yang baik. Sehingga, dapat dipastikan bilah inverse taper bermaterial kayu pinus aman dalam menahan beban yang diberikan.
15,49
68
Gambar 4.14 Factor of safety akibat pembebanan pertama
Gambar 4.15 Factor of safety akibat pembebanan kedua
Sedangkan pada pembebanan ketiga memberikan hasil yang berbanding terbalik dengam pembebanan pertama dan pembebanan kedua. Pada pembebanan 356,936 N menghasilkan nilai faktor keamanan sebesar 0,9502. Dalam hal ini, bilah inverse taper dinyatakan tidak aman untuk menahan beban yang diberikan karena nilai FOS berada di bawah standarnya. Menurut Awwaluddin et.al [48], apabila faktor keamanan sangat rendah maka kemungkinan kegagalan yang terjadi tinggi dan
69
karena itu desain strukturnya tidak dapat diterima. Kegagalan dapat berarti patah atau rusak pada suatu struktur.
Gambar 4.16 Factor of safety akibat pembebanan ketiga
Dari hasil analisa FOS, dapat disimpulkan bahwa bilah inverse taper bermaterial kayu pinus dinyatakan aman dalam menerima beban maksimal hingga 271,20 N. Sedangkan besarnya FOS yang dihasilkan menunjukkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada bilah maka factor of safety yang dihasilkan semakin kecil.
Gambar 4.17 Grafik factor of safety terhadap variasi pembebanan
6,3
1,3 0,95
0 1 2 3 4 5 6 7
53,613 271,2 356,936
Faktor Of Safety
Beban (N)
Factor of Safety Terhadap Variasi Beban
70
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Setelah dilakukan perancangan dan simulasi bilah inverse taper, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Bilah inverse taper memiliki performa yang baik di antaranya memiliki thrust optimal sebesar 161 N pada kecepatan putar 716 rpm, memiliki torsi optimal sebesar 23 Nm pada kecepatan putar 358 rpm, memiliki daya output optimal sebesar 1025 Watt pada kecepatan putar 573 rpm, dan mampu menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 49%.
2. Bilah inverse taper bermaterial kayu pinus memiliki kekuatan struktur yang baik. Pertama, ditinjau dari hasil tegangan, bilah dinyatakan aman dalam menerima pembebanan hingga 271,20 N karena stress maksimum yang dihasilkan (32,73 MPa) tidak melebihi tegangan luluh material kayu pinus (41 Mpa). Kedua, bilah memiliki nilai diplacement yang bervariasi pada setiap pembebanan; pada pembebanan 53,613 N terjadi diplacement sebesar 15,49 mm, pada pembebanan 271,20 N terjadi diplacement sebesar 78,23 mm, dan pada pembebanan 356,936 N terjadi diplacement sebesar 103,1 mm. Ketiga, bilah memiliki tingkat keamanan yang tinggi pada pembebanan 53,613 N dengan nilai faktor keamanan sebesar 6,3 dan masih cukup aman dalam menerima pembebanan sebesar 271,20 N karena nilai faktor keamanan yang dihasilkan adalah sebesar 1,3. Nilai tersebut masih berada di atas standar faktor keamanan yang ditetapkan (1,2). Namun, bilah inverse taper tidak mampu menerima beban sebesar 356,936 N karena nilai tegangan yang dihasilkan (43,15 MPa) telah melebihi tegangan luluh material kayu pinus serta nilai faktor keamanan yang dihasilkannya rendah yakni 0,95, dimana nilai tersebut berada di bawah standar yang ditetapkan.
71 5.2 Saran
Adapun saran yang direkomendasikan oleh penulis untuk para peneliti yang ingin meneliti tentang kekuatan struktur material pada perancangan bilah turbin angin adalah perlu dilakukan analisis lebih banyak terhadap jenis-jenis airfoil selain NACA, agar dapat mengetahui performa terbaiknya. Selain itu, perlu dilakukan analisis fatigue atau kekuatan lelah untuk mengetahui seberapa lama bilah dapat beroperasi.
72
