TINJAUAN PUSTAKA
2.6 Simulasi Kekuatan Struktur
2.6.3 Parameter Simulasi Kekuatan Struktur
Setelah dilakukan proses simulasi kekuatan struktur menggunakan perangkat lunak SolidWorks, maka akan diperoleh beberapa hasil yang menunjukkan perilaku dari desain objek yang dirancang. Sehingga dapat diketahui validitas dari desain tersebut. Hasil data dari simulasi struktur tersebut di antaranya berkaitan dengan:
1. Tegangan
Tegangan atau stress yang dalam ilmu fisika dilambangkan dengan π dan satuannya ditulis dengan N/m2. Tegangan diartikan sebagai intensitas gaya dan arahnya yang bekerja dari titik ke titik untuk menentukan kemampuan suatu material dalam menerima beban. Konsep dasar tegangan biasanya digambarkan dengan sebuah batang prismatis yang diberikan gaya aksial. Batang prismatis adalah sebuah elemen struktur lurus yang mempunyai penampang konstan di seluruh panjangnya, sedangkan gaya aksial adalah beban yang mempunyai arah yang sama dengan sumbu elemen sehingga mengakibatkan terjadinya tarikan atau tekanan pada batang.
Tegangan yang terjadi pada suatu benda dirumuskan sebagai berikut [33]:
π = πΉ
π΄ (2.10)
Secara umum, tegangan terbagi menjadi dua yaitu tegangan normal atau aksial dan tegangan geser. Tegangan normal adalah tegangan yang intensitas gayanya bekerja tegak lurus terhadap permukaan benda. Sedangkan tegangan geser yaitu
26
tegangan yang intensitas gayanya bekerja sejajar terhadap permukaan benda [15].
Tegangan normal menghasilkan tegangan tarik dan tegangan tekan dimana tegangan tarik adalah tegangan yang bekerja pada batang akibat adanya gaya tarik aksial yang menyebabkan benda menjadi bertambah panjang, sedangkan tegangan tekan adalah tegangan yang bekerja pada batang akibat adanya gaya tekan aksial yang menyebabkan benda mengalami pengurangan panjang atau memendek [26].
Tegangan pada suatu benda dapat menyebabkan terjadinya regangan. Regangan dapat berarti benda yang diuji tersebut memanjang, memendek, membesar, mengecil, dan sebagainya. Hal tersebut terjadi karena beban aksial yang bekerja pada benda.
Sama halnya dengan tegangan, regangan juga mengalami tekanan dan tarikan. Benda yang mengalami tarikan disebut sebagai regangan tarik yang ditandai dengan terjadinya perpanjangan pada benda. Sedangkan benda yang mengalami tekanan disebut sebagai regangan tekan yang ditandai dengan pemendekan pada benda.
Regangan dapat dirumuskan sebagai berikut [33]:
π = βπΏ
πΏ (2.11)
2. Diplacement
Pembebanan pada suatu benda dapat menyebabkan benda mengalami perubahan baik bentuk maupun ukuran, keadaan ini disebut sebagai deformasi (diplacement). Perubahan ukuran ditandai dengan terjadinya pertambahan panjang yang disebut sebagai elongasi dan pemendekan atau konstraksi. Ketika benda mengalami proses deformasi maka benda akan menyerap sejumlah energi. Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan deformasi bentuk dan dimensinya. Deformasi terbagi menjadi dua yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis [33]. Deformasi elastis adalah deformasi yang ditandai dengan perubahan yang terjadi ketika beban tarik ditiadakan maka material akan kembali ke semula. Sedangkan deformasi plastis adalah deformasi yang ditandai dengan perubahan yang terjadi k terjadi ketika beban
27
tarik dilepaskan maka material tersebut tidak akan kembali ke semula. Keadaan deformasi tersebut erat kaitannya dengan elastisitas bahan yang sering disebut modulus Young yang dirumuskan sebagai berikut [34]:
πΈ = π
π (2.12)
3. Faktor Keamanan
Faktor keamanan diartikan sebagai nilai perbandingan antara kekuatan sebenarnya dari material dengan kekuatan yang dibutuhkan. Suatu desain dinyatakan aman apabila memiliki nilai faktor keamanan diatas 1,0. Nilai dengan minimal 1,0 menunjukkan bahwa desain yang dirancang mampu untuk menghindari suatu kegagalan atau keruntuhan struktur materialnya. Sehingga, tujuan dari penentuan faktor keamanan pada suatu produk ialah untuk menentukan produk tersebut layak atau tidak untuk diimplementasikan. Nilai faktor keamanan dirumuskan sebagai berikut [15]:
πΉπππ‘ππ ππ πππππ‘π¦ (π) = πππππ ππ‘πππππ‘β
ππππππππ πππ π’ππππ’βππ¦π (π) (2.13)
Kekuatan struktur material akan menghasilkan nilai faktor keamanan dibawah 1,0 apabila nilai tegangan yang dibutuhkannya lebih besar dibandingkan nilai kekuatan materialnya. Hal tersebut dapat menyebabkan bahan tidak layak digunakan karena deformasi yang terjadi telah melewati harga batas. Oleh karena itu, agar produk yang dirancang dinyatakan aman, maka nilai minimum faktor keamanan yang harus dicapai adalah sebesar 1,2. Adapun tingkat faktor keamanan dari suatu struktur ditetapkan sebagai berikut [15]:
28
1. n = 1,25 sampai dengan 2,0 ditetapkan pada perancangan struktur yang menerima pembebanan statis dengan tingkat kepercayaan yang tinggi untuk semua data perancangan yang dibuat.
2. n = 2,0 sampai dengan 2,5 ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen-elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan tingkat kepercayaan rata-rata untuk semua data perancangan yang dibuat.
3. n = 2,5 sampai dengan 4,0 ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen-elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan tingkat ketidakpastian mengenai beban, sifat-sifat bahan analisis tegangan, atau lingkungan.
4. n = 4,0 atau lebih ditetapkan pada perancangan struktur statis atau elemen-elemen mesin yang menerima pembebanan dinamis dengan ketidakpastian mengenai beberapa kombinasi beban, sifat-sifat bahan, analisis tegangan, atau lingkungan.
Apabila nilai minimal faktor keamanan suatu produk yang dirancang mencapai 3 digit atau lebih, maka produk tersebut dipastikan memiliki tingkat keamanan sangat tinggi, memiliki kualitas sangat baik, berharga sangat mahal, dan cenderung berbobot besar karena material yang digunakan banyak [35]. Adapun, harga faktor keamanan untuk beberapa material ditinjau dari steady load, live load, dan shock load. Saat diberikan steady load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 5-6, wronght iron sebesar 4, steel sebesar 4, soft material dan alloys sebesar 6, leather sebesar 6, dan timber sebesar 7. Lalu, pada saat diberikan live load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 8-12, wronght iron sebesar 7, steel sebesar 8, soft material dan alloys sebesar 9, leather sebesar 12, dan timber sebesar 10-15. Sedangkan apabila diberikan shock load, besarnya faktor keamanan pada material cost iron adalah sebesar 16-20, wronght iron sebesar 10-15, steel sebesar 12-16, soft material dan alloys sebesar 15, leather sebesar 15, dan timber sebesar 20. Perbedaan nilai faktor keamanan tersebut bergantung pada jenis bahan,
29
jenis material, proses pembuatan, jenis tegangan, bentuk komponen, dan sebagainya [36].
2.7 Qblade
QBlade adalah perangkat lunak kalkulasi open source yang menggunakan Metode Blade Element Momentum (BEM) dan merupakan perangkat lunak simulasi untuk turbin angin vertikal dan horizontal. Software ini terintegrasi dengan XFOIL yaitu sebuah perangkat untuk desain dan analisis airfoil. Software Qblade mampu melakukan perancangan airfoil, pembuatan desain dan optimasi bilah, pengomputasian performa turbin angin hingga tahap simulasi turbin angin [12].
QBlade menawarkan fungsionalitas untuk komputasi BEM dan desain blade yaitu sebagai berikut [37]:
1. Ekstrapolasi XFoil yang dihasilkan polar data kutub dalam bentuk 3600 AoA (Angel of Attack)
2. Optimalisasi desain bilah dalam bentuk visualisasi 3D
3. Pendefinisian turbin (bilah rotor, kontrol turbin, tipe generator)
4. Perhitungan BEM pada rentang rasio kecepatan TSR atau kecepatan angin 5. Fungsionalitas ekspor geometri bilah
6. Penyimpanan hasil proyek, rotor, turbin, airfoil, dan simulasi dalam database runtime
7. Perhitungan lebih dari 30 variabel rotor yang relevan
Kombinasi kode BEM dan XFoil memungkinkan pengguna dapat dengan cepat merancang custom airfoils dan menghitung polarnya, mengekstrapolasi data polar pada kisaran 3600 AoA, dan langsung mengintegrasikannya ke dalam simulasi rotor turbin angin. Modul-modul pada QBlade terdiri atas [37]:
1. Airfoil design and analysis. Modul analisis ini memungkinkan untuk mengimpor airfoil dan untuk menghitung data koefisien lift dan drag pada berbagai sudut serangan.
30
2. Lift and drag polar extrapolation. Modul ini memungkinkan polar yang sebelumnya dibuat dapat diekstrapolasi menjadi sudut serang 3600. Sebuah airfoil polar diekstrapolasi karena koefisien lift dan drag yang terbatas dari hasil XFoil pada sudut sebelum dan sesudah stall.
3. Blade design and optimization. Modul ini memungkinkan bilah dapat dirancang dengan menggunakan airfoil dan ektrapolasi polar 360ΒΊ. Bilah rotor ditentukan dengan mendistribusikan airfoil ke berbagai bagian bilah seperti jumlah bilah, radius hub, panjang chord, sudut puntir, twist, dan lain-lain. Parameter tersebut dimasukkan ke dalam opsi desain bilah lanjutan.
4. Turbine definition and simulation. Modul ini memungkinkan untuk melakukan simulasi dengan menentukan dengan parameter seperti pengaturan daya, kecepatan putar, kecepatan cut in dan cut out, atau efisiensi generator.
Gambar 2.9 Modul Qblade [37]
Secara sederhana, proses perancangan bilah menggunakan perangkat lunak Qblade diawali dengan menggunakan modul airfoil design and analysis. Airfoil yang dipilih akan mempresentasikan karakteristik aerodinamik berupa kurva koefisien lift (Cl), koefisien drag (Cd), dan koefisien momentum (Cm). Kemudian dianalisis pada modul polar ekstrapolation untuk mengetahui nilai Cl dan Cd pada sudut serang yang lebih tinggi dan lebih rendah. Jika performanya baik maka dilakukan input parameter untuk pemodelan bilah pada modul blade design and optimization. Setelah itu, dilakukan simulasi.
31
Gambar 2.10 Pemodelan bilah pada Qblade 2.8 SolidWorks 2018
Software SolidWorks 2018 adalah sebuah software program rancang bangun yang banyak digunakan untuk mengerjakan desain berbagai macam produk baik 2D atau 3D. Software SolidWorks merupakan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga (Finite Element Analysis Program) yang dilengkapi dengan tool untuk menganalisis hasil desain [33]. Terdapat tiga template utama dalam perangkat lunak ini untuk pembuatan gambar di antaranya part, assembly, dan drawing. Pada bagian part, kita dapat merakit desain dalam bentuk 2D atau 3D dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDPRT. Selanjutnya, pada bagian assembly kita dapat menggunakan fitur pemodelan dengan parts, features, dan assembly lain secara bersamaan dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDASM. Dan yang terakhir adalah bagian drawing yang dapat digunakan untuk membuat model 2D dengan ekstensi file yang tersimpan ialah SLDDRW. [38].
SolidWorks simulation merupakan tool yang dapat digunakan untuk menganalisis kekuatan struktur. Kehadiran tool simulation ini sangat membantu
32
untuk mengurangi kesalahan dalam membuat desain karena memberikan validasi yang cukup baik sehingga perancang dapat mengukur akurat atau tidaknya desain yang dibuat [38]. Dengan informasi yang dipresentasikan oleh software ini tentunya mampu memprediksi dampak dari suatu desain sejak awal [39].
Secara sederhana, proses analisis desain diawali dengan memilih jenis material yang akan digunakan pada objek. Langkah berikutnya adalah menentukan letak geometry atau tumpuan sebagai acuan statis ketika objek diberikan. Setelah itu, menentukan arah gaya yang akan diberikan dan melakukan input besarnya pembebanan. Pada tahap akhjr, dilakukan proses meshing secara computing untuk menghasilkan data analisis berupa diplacement, stress, dan Factor Of Safety (FOS).
Berikut salah satu output analisis kekuatan struktur berupa FOS dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2018.
Gambar 2.11 Analisis struktur pada SolidWorks
33
