SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET SEPEDA
MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Tekni k
PRADIPTA SIGIT SAELAN NIM. 090401078
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan kekuatan selain dari-Nya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, atas izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih diambil dari mata kuliah Proses Produksi
Non-Logam, yaitu “SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET
SEPEDA MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT”.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Prayit Sarwinto,SE dan Ibunda
Susilawaty.br.Saragi,SH serta adik dan abang tersayang (Thirza Thamara dan
Angga Kim Prapta) atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung jawab
yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar
biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing Skripsi
yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran
yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.
3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Ir.Syahril Gultom, MT selaku
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.
Bapak Ir.Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi.
4. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal
pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai
5. Teman satu tim (Sukardi) yang telah bersama-sama menyelesaikan seluruh
penelitian dengan kerja tim yang baik.
6. Abang dan Kakak Mahasiswa Magister Teknik Mesin (Ade Irwan, Mahadi,
Ria Dini) anggota tim komposit busa polimer yang telah banyak meluangkan
tenaga, waktu dan pikiran dalam membimbing penulis.
7. Bapak Nuzuli Fitriadi, ST dan Zulfikar, ST, MT sebagai asisten Laboratorium
IFRC yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam
membimbing penulis.
8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009, khususnya (Chabib
Muhammad, Indro Pramono, Harri Rusadi, Adryan Guruh, Irvin, Vinsensius,
Zuhdi, Andri, Frans Dinata, Adi Surya, Randy, Eky, Rinaldi Aulia, Cevi
Octora dan Raflintar) yang telah memberi dukungan kepada penulis dalam
menyusun skripsi ini baik berupa tenaga, waktu, pikiran maupun motivasi.
9. Kerabat dekat (Veny Desi Arti dan Adhie Ghumara) yang telah banyak
mendukung dan memotivasi penulis.
10. Adik-adik stambuk 2011 khususnya (Sugito, Indra, Teguh, Kin, Abdul Hadi,
dan Kahar) yang sedikit banyak ikut membantu.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai
pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat
kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini
sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan
dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir
kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
seluruh kalangan yang membacanya. Amin Ya Rabbal Alamin.
Medan, 4 Maret 2014
Penulis,
ABSTRAK
Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital manusia yaitu kepala dari benturan yang berbahaya. Desain helmet sepeda berbeda dari helmet sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam. Pada umumnya
beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi samping dan
belakang. Untuk mengetahui distribusi tegangan dan regangan perlu dilakukan simulasi dan verifikasi simulasi pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan eksperimental uji impak jatuh bebas. Penelitian ini melakukan simulasi pembebanan impak pada helmet sepeda. Helmet dimodel dengan menggunakan
Solidwork 2013 dan disimulasi menggunakan software ANSYS 14.0 Workbench
yang berbasis Finite Element Method (FEM) untuk dibandingkan dengan helmet yang diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet pada ketinggian 1 m dan kecepatan 4429 mm/s diperoleh tegangan maksimum 1,405 Mpa dan tegangan pada sisi samping adalah 0,938 MPa, untuk sisi belakang dengan tinggi dan waktu yang sama diperoleh tegangan maksimum 0,905 Mpa sementara tegangan pada sisi belakang helmet adalag 0,603 MPa. Regangan maksimum yang diperoleh pada simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet adalah 0,04, untuk sisi belakang helmet diperoleh regangan maksimum 0,043. Dari pengujian impak jatuh bebas diperoleh tegangan sisi samping 1,029 MPa, dan untuk sisi belakang diperoleh 0,683 MPa. Dengan membandingkan tegangan hasil simulasi dan hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi samping selisih 0,091 MPa atau 9,73%, sedangkan untuk sisi belakang diperoleh selisih 0,08 MPa atau 13,26%.
ABSTRACT
Helmet is a tool that is used as a protector of a vital part of human’s head from a dangerous collision . Bicycle helmet design is different from a motorcycle helmet, speed for bike is only about 15 km / hour . In general, the impact loads on a bike helmet occurs on the side and rear . To determine the stress and strain, impact testing needs to be done with the simulation and verification of the simulation in free fall impact testing conducted with an experimental free-fall impact test . This study simulating the impact loading on a bicycle helmet . Helmet modeled by using Solidwork 2013 and simulated using ANSYS 14.0 Workbench software -based Finite Element Method ( FEM ) for comparison with the helmet is tested experimentally . In this study , results found that the results of the simulation of free-fall impact test on the side of the helmet height of 1 m and a speed of 4429 mm / s obtained at 1.405 MPa maximum stress and 0.938 MPa on the side helmet, to the rear side of the same height and time of maximum stress obtained 0.938 Mpa and 0.603 MPa on the rear helmet . The maximum strain obtained in simulated free-fall impact test side helmet is 0.04 , the back side of the helmet for maximum strain obtained 0.043. The free fall impact test from left side helmet obtained at 1.029 MPa stress and for the rear side obtained at 0.683 MPa comparing the stress that occurs in the simulation results and experimental results of free fall impact test side obtained by the difference of 0.091 MPa or 9.73% , while the back side is obtained for the difference 0.08 MPa or 13.26 % .
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
1.6 Sistematika Penulisan ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pendahuluan ... 6
2.1.1 Standarisasi Helmet Sepeda ... 8
2.2 Komposit Busa Polimer ... 9
2.2.1 Material Komposit ... 12
2.3 Komposisi Material Komposit yang Digunakan ... 12
2.4 Impak Jatuh Bebas ... 15
2.4.1 Benda Jatuh Bebas ... 17
2.4.2 Persamaan Gerak Lurus ... 18
2.4.3 Teori Momentum dan Impuls... 20
2.4.4 Gaya dan Energi Impak ... 21
2.4.5 Tegangan ... 22
2.4.6 Teori Regangan Normal Maksimum ... 25
2.4.7 Teori Tegangan Geser ... 26
2.5. Simulasi Numerik... 28
3.1 Waktu dan Tempat ... 29
3.1.1 Waktu ... 29
3.1.2 Tempat ... 29
3.2 Desain Helmet Sepeda ... 29
3.3 Simulasi Komputer Impak Jatuh Bebas ... 31
3.4 Diagram Alir Penelitian... 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41
4.1 Pendahuluan ... 41
4.2 Simulasi Impak Menggunakan Software ANSYS 14.0 ... 42
4.2.1 Simulasi Pembebanan Sisi Samping Helmet ... 42
4.2.2 Simulasi Pembebanan Sisi Belakang Helmet ... 51
4.3 Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Secara Eksperimental . 58 4.3.1 Pengujian Pada Sisi Samping Helmet ... 58
4.3.2 Pengujian Pada Sisi Belakang Helmet ... 59
4.4 Perbandingan Hasil Tegangan Simulasi dengan Eksperimental ... 60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 63
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Helmet sepeda yang digunakan atlet ... 6
Gambar 2.2. Komponen Hemet Sepeda ... 8
Gambar 2.3. Klasifikasi bahan komposit ... 12
Gambar 2.4. Perbandingan densitas ... 13
Gambar 2.5. Perbandingan modulus elastisitas ... 14
Gambar 2.6. Perbandingan kekuatan tarik ... 14
Gambar 2.7. Perbandingan kekuatan tekan ... 15
Gambar 2.8. Alat uji impak jatuh bebas ... 16
Gambar 2.9. Grafik hubungan v-t ... 18
Gambar 2.10. Diagram kecepatan-waktu ... 19
Gambar 2.11. Elemen tegangan tiga dimensi ... 22
Gambar 2.12. Lingkaran Mohr untuk kasus beban triaksial ... 24
Gambar 2.13. Komponen-komponen regangan xy dalam bidang xy... 24
Gambar 3.1. Desain helmet sepeda sederhana ... 31
Gambar 3.2. Geometry helmet sepeda yang berhasil masuk ke ANSYS ... 33
Gambar 3.3. (a) dimensi anvil rata yang digunakan, (b) posisi anvil terhadap helmet sepeda ... 35
Gambar 3.4. (a) mengubah nama geometri, (b) detail dari material ... 35
Gambar 3.5. MESH spesimen 3-dimensi ... 36
Gambar 3.6. Posisi fixed support ... 37
Gambar 3.7. Pemberian Velocity ... 37
Gambar 3.8. Solusi yang akan dicari ... 38
Gambar 3.9. Diagram alir penelitian ... 40
Gambar 4.1. Sisi helmet yang mengalami benturan ... 41
Gambar 4.2. Hasil simulasi tegangan uji impak jatuh bebas sisi samping helmet dengan ketinggian 1 meter ... 43
Gambar 4.3. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 44
Gambar 4.4. Distribusi tegangan pada sisi kanan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 45
Gambar 4.5. Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 45
Gambar 4.6. Gambar 4.6. Titik terjadinya tegangan maksimum ... 46
Gambar 4.7 Grafik equivalent stress ... 46
Gambar 4.8. Distribusi tengan normal pada sumbu-x... 47
Gambar 4.9. Distribusi tengan normal pada sumbu-y... 47
Gambar 4.11. Distribusi regangan uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 48
Gambar 4.12. Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 49
Gambar 4.13. Distribusi regangan pada sisi kanan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 49
Gambar 4.14. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet ... 50
Gambar 4.15 Grafik equivalent elastic strain ... 50
Gambar 4.16 Posisi Helmet saat dibenturkan ... 51
Gambar 4.17. Distribusi tegangan uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 52
Gambar 4.18. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 52
Gambar 4.19. Distribusi tegangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 53
Gambar 4.20. Gambar 4.6. Titik terjadinya tegangan maksimum ... 53
Gambar 4.21. Grafik equivalent stress ... 54
Gambar 4.22. Distribusi tengan normal pada sumbu-x... 54
Gambar 4.23. Distribusi tengan normal pada sumbu-y... 55
Gambar 4.24. Distribusi tengan normal pada sumbu-z ... 55
Gambar 4.25. Distribusi regangan uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 56
Gambar 4.26. Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 57
Gambar 4.27. Distribusi regangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet ... 57
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh ... 11
Tabel 2.2. Tipikal tandan kosong kelapa sawit per kg ... 11
Tabel 2.3. Komposisi material ... 13
Tabel 2.4. Waktu dan kecepatan benda jatuh ... 17
Tabel 3.1. Lokasi aktivitas penelitian ... 29
Tabel 4.1. Hasil pengujian titik samping helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada ketinggian 1 m ... 59
Tabel 4.2. Pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1 m ... 59
Tabel 4.3. Hasil analisa MEH dengan ansys dan eksperimental ... 60
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
σ Tegangan MPa
A Luas penampang mm2
F Gaya Newton
ε Regangan
ΔL Perpanjangan mm
L0 Panjang mula-mula mm
ρ Densitas g/cm3
σy Tegangan mulur MPa
σu Tegangan tarik MPa
σf Tegangan patah MPa
E Modulus Young MPa
ν Poisson Ratio
h Ketinggian m
ABSTRAK
Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital manusia yaitu kepala dari benturan yang berbahaya. Desain helmet sepeda berbeda dari helmet sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam. Pada umumnya
beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi samping dan
belakang. Untuk mengetahui distribusi tegangan dan regangan perlu dilakukan simulasi dan verifikasi simulasi pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan eksperimental uji impak jatuh bebas. Penelitian ini melakukan simulasi pembebanan impak pada helmet sepeda. Helmet dimodel dengan menggunakan
Solidwork 2013 dan disimulasi menggunakan software ANSYS 14.0 Workbench
yang berbasis Finite Element Method (FEM) untuk dibandingkan dengan helmet yang diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet pada ketinggian 1 m dan kecepatan 4429 mm/s diperoleh tegangan maksimum 1,405 Mpa dan tegangan pada sisi samping adalah 0,938 MPa, untuk sisi belakang dengan tinggi dan waktu yang sama diperoleh tegangan maksimum 0,905 Mpa sementara tegangan pada sisi belakang helmet adalag 0,603 MPa. Regangan maksimum yang diperoleh pada simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet adalah 0,04, untuk sisi belakang helmet diperoleh regangan maksimum 0,043. Dari pengujian impak jatuh bebas diperoleh tegangan sisi samping 1,029 MPa, dan untuk sisi belakang diperoleh 0,683 MPa. Dengan membandingkan tegangan hasil simulasi dan hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi samping selisih 0,091 MPa atau 9,73%, sedangkan untuk sisi belakang diperoleh selisih 0,08 MPa atau 13,26%.
ABSTRACT
Helmet is a tool that is used as a protector of a vital part of human’s head from a dangerous collision . Bicycle helmet design is different from a motorcycle helmet, speed for bike is only about 15 km / hour . In general, the impact loads on a bike helmet occurs on the side and rear . To determine the stress and strain, impact testing needs to be done with the simulation and verification of the simulation in free fall impact testing conducted with an experimental free-fall impact test . This study simulating the impact loading on a bicycle helmet . Helmet modeled by using Solidwork 2013 and simulated using ANSYS 14.0 Workbench software -based Finite Element Method ( FEM ) for comparison with the helmet is tested experimentally . In this study , results found that the results of the simulation of free-fall impact test on the side of the helmet height of 1 m and a speed of 4429 mm / s obtained at 1.405 MPa maximum stress and 0.938 MPa on the side helmet, to the rear side of the same height and time of maximum stress obtained 0.938 Mpa and 0.603 MPa on the rear helmet . The maximum strain obtained in simulated free-fall impact test side helmet is 0.04 , the back side of the helmet for maximum strain obtained 0.043. The free fall impact test from left side helmet obtained at 1.029 MPa stress and for the rear side obtained at 0.683 MPa comparing the stress that occurs in the simulation results and experimental results of free fall impact test side obtained by the difference of 0.091 MPa or 9.73% , while the back side is obtained for the difference 0.08 MPa or 13.26 % .
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Penggunaan material komposit busa polimer sangat luas
pengaplikasiannya, diantaranya yaitu pada material insulasi panas, lightweight
construction, peradam getaran dan suara, serta peredam impak.
Keunggulan komposit busa polimer untuk mengurangi berat menjadi nilai
tambah. Sejak penggunaan blowing agent konvensional seperti mono fluoro
trichloro methane (R11) dan difluoro dichloro methane (R12) dinyatakan
mengakibatkan penipisan ozon, penggunaan blowing agent yang ramah
lingkungan dalam rekayasa material busa polimer menjadi isu yang penting. Pada
penelitian ini digunakan blowing agent berupa sodium bikarbonat dan asam asetat
yang biasanya digunakan dalam industry makanan dan tentu aman bagi
lingkungan dan kesehatan. Serat penguat polimer yang umum digunakan ialah
serat karbon, kevlar dan serat kaca. Namun harga jenis-jenis serat tersebut masih
relatif mahal. Sehingga berimbas kepada tingginya harga jual. Salah satu solusi
yang sudah lama coba dikembangkan oleh banyak ahli material ialah penggunaan
serat alam karena melimpahnya ketersediaan serat alam itu sendiri. Diantara serat
alam tersebut ialah serat dari tandan kosong kelapa sawit (TKKS) yang telah
diteliti di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sejak tahun 2009. Serat
TKKS merupakan serat alam yang diolah dari tandan kosong kelapa sawit sisa
Berdasarkan penelitian–penelitian sebelumnya serat alam dari tandan
kosong kelapa sawit (TKKS) diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan
menjadi material altematif yang hemat energy dan ramah lingkungan. TKKS
merupakan limbah dari pengolahan kelapa sawit yang selama ini hanya dibuang
begitu saja atau dimanfaatkan sebagai pupuk alam atau dibakar untuk
menghasilkan abu gosok. Pemanfaatan limbah TKKS ini menjadi produk yang
berdaya guna sudah dilakukan dewasa ini, diantaranya marka kerucut lalu lintas,
bumper parking, bola golf, pipa dan papan partikel. Pengembangan material ini
sebagai material penguat komposit dengan matriks berasal dari material-material
polimer baru masih jarang ditemukan.
Helmet sepeda sudah pernah dikembangkan sebelumnya dengan komposit
busa polimer namun blowing agent yang digunakan yaitu poliuretan dinyatakan
tidak ramah lingkungan sehingga helmet sepeda dengan material yang ramah
lingkungan layak untuk dikembangkan. Material yang digunakan untuk membuat
helmet sepeda ini sangat baru, sehingga harus ditemukan dulu proses dan cara
pembuatannya serta mengetahui komposisi yang tepat. Disisi lain apabila berhasil,
helmet sepeda ini akan memiliki nilai ekonomis yang tinggi.
1.2. Rumusan Masalah
Benturan yang terjadi pada kepala dapat menimbulkan cedera pada
jaringan kulit, tulang maupun struktur dikepala dan otak. Resiko benturan akibat
Beberapa standard dan aturan hukum telah mewajibkan semua pengendara
kendaraan menggunakan helmet sebagai alat pelindung diri (APD).
Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi
pada sisi samping dan belakang. Untuk mengetahui besarnya tegangan dan
regangan serta total deformasi tersebut perlu dilakukan pengujian impak jatuh
bebas dengan simulasi dan verifikasi simulasi pengujian impak jatuh bebas
dilakukan dengan eksperimental uji impak jatuh bebas.
Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan
simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan.
Dalam penelitian ini akan digunakan Software SOLIDWORK 2013 dan ANSYS
Workbench 14.0. Software ANSYS Workbench 14.0 adalah perangkat lunak
untuk menganalisa tegangan dan regangan dari struktur dan komponen mekanika.
Untuk membuat modelnya digunakan software SOLIDWORK 2013 dengan
pemodelan yang mendekati bentuk helmet sepeda sebenarnya.
Sehingga dengan simulasi tersebut dapat diamati tegangan dan regangan
pada seluruh permukaan helmet sepeda. Setelah pengujian eksperimental uji
impak jatuh bebas dilakukan, hasilnya akan dibandingkan dengan hasil simulasi
uji impak jatuh bebas.
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini untuk dapat menganalisa struktur helmet
1.3.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus pada penelitian ini yaitu:
1. Mendapatkan distribusi tegangan dan regangan helmet sepeda komposit
busa polimer diperkuat serat TKKS dengan simulasi ANSYS 14.0.
2. Membandingkan hasil tegangan yang diperoleh dari simulasi menggunakan
ANSYS 14.0 dengan hasil yang diperoleh pada uji eksperimental jatuh bebas.
1.4. Batasan Masalah
Diperlukan batasan masalah yang meliputi antara lain:
1. Simulasi numerik menggunakan software Ansys untuk mengetahui distribusi
tegangan pada helmet sepeda.
2. Helmet sepeda yang disimulasikan hanya 1 komposisi.
3. Helmet sepeda disimulasikan jatuh dari ketinggian 1 meter.
4. Titik pembebanan impak yang disimulasikan pada sisi samping dan belakang.
5. Hasil yang ingin diketahui adalah distribusi tegangan dan regangan.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah:
a. Bagi peneliti dapat menambah pengetahuan, wawasan dan pengalaman tentang
amaterial komposit.
b. Bagi akademik, penelitian ini dapat digunakan sebagai referensi tambahan
1.6. Sistematika Penulisan
Pada penelitian ini akan berisikan:
BAB 1. PENDAHULUAN
Bab ini membahas latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas literatur dan referensi yang diperlukan berkenaan dengan masalah yang dikaji dalam penelitian mengenai uji komposisi, uji kekerasan, uji metalografi, uji tarik, dan software Ansys.
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi urutan dan cara yang dilakukan. Dimulai dari alat, bahan, dan proses yang dilaksanakan.
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menampilkan data-data yang diperoleh dari penelitian dan hasil pengujian berupa tabel-tabel maupun hasil pengamatan mikro dan pengamatan makro.
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari semua hasil analisa pengamatan serta perhitungan.
6. DAFTAR PUSTAKA
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan
Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital
manusia yaitu kepala dari benturan yang berbahaya. Helmet yang digunakan oleh
pengguna
sepeda hanya sekitar 15 km/jam.
Walaupun di Indonesia belum diwajibkan untuk menggunakan helm
sepeda tetapi sudah banyak digunakan oleh masyarakat dalam kegiatan bersepeda
santai di hari libur, tetapi pada
berikut.
Inti mekanisme perlindungan Helm adalah penyerapan energi momentum
yang diterima ke seluruh bagian helm. Oleh karenanya mes
bentuk helm bentuk dan struktur nya mempertimbangkan kemampuannya
menyerap energi tabrakan. Ukuran dan beratnya juga merupakan pertimbangan
lain sebab ukuran yang lebih besar juga meningkatkan risiko terhadap pengguna.
Adapun konstruksi helmet secara garis besar terdiri atas:
1. Lapisan luar yang keras (hard outer shell)
Didesain untuk dapat pecah jika mengalami benturan untuk mengurangi
dampak tekanan sebelum sampai ke kepala. Lapisan ini biasanya
terbuat dari bahan plastic, fiberglass, polycarbonate dan lain-lain.
2. Lapisan dalam yang tebal (inside shell or liner)
Di sebelah dalam dari lapisan luar adalah lapisan yang sama pentingnya
untuk dampak pelapis penyangga. Biasanya dibuat dari bahan
polystyrene (styrofoam). Lapisan tebal ini memberikan bantalan yang
berfungsi menahan goncangan sewaktu helmet terbentur benda keras
sementara kepala masih bergerak.
3. Lapisan dalam yang lunak (comfort padding)
Merupakan bagian dalam yang terdiri dari bahan lunak dan kain untuk
4. Tali Pengikat
Bagian penting lainnya dalam helm ada tali pengikat helm. Helm tidak
akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi atau tidak
mengikatkan tali pengikatnya. Komponen Helmet Sepeda dapat dilihat
pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Komponen Helmet Sepeda
2.1.1. Standarisasi Helmet Sepeda
Helmet yang digunakan oleh masyarakat di negara maju pada umumnya
sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh
pemerintahnya. Diantara standar-standar helmet sepeda yang dikenal luas dan
banyak menjadi referensi antara lain Australia Standard (EN 397. AS/NZS
1801.SS98), European EN helmetstandard (EN 1078.1990) dan lain-lain. Inside shell Comfort
padding outer shell
Untuk masing-masing standar memiliki klasifikasi yang berbeda
berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. ANSI mengelompokkan
dalam dua tipe:
1. Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebas dari ketinggian tertentu umumnya digunakan oleh pekerja
konstruksi, sedangkan.
2. Helmet yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh
bebas juga dari benda yang datang dari arah lateral baik dari arah
depan, samping dan belakang umumnya digunakan oleh petugas
pemadam kebakaran.
2.2. Komposit Busa Polimer
Komposit adalah penggabungan dari bahan yang dipilih berdasarkan
kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan
material baru dengan sifat yang baru dan unik dibandingkan sifat material dasar
sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material
penyusunnya.
Material komposit terdiri dari dua bagian utama yaitu matriks dan penguat
(reinforcement). Pada desain struktur dilakukan pemilihan matriks dan penguat,
hal ini dilalilkan untuk memastikan kemampuan material sesuai dengan produk
yang akan dihasilkan.
Penggabungan dua material atau lebih dapat di bedakan menjadi makro
dibedakan secara langsung dengan cara melihat, penggabungannya lebih secara
fisis dan mekanis, penggabungannya dapat dipisahkan secara fisis ataupun secara
mekanis, contoh : Kevlar, Glass Fiber Reinforced Plastic ( GFRP ).
Dari penjelasan di atas dapat kita ketahui bahwa material komposit dibuat
dengan penggabungan secara makro. Karena material komposit merupakan
material gabungan secara makro, maka material komposit dapat didefinisikan
sebagai “ suatu sistem material yang tersusun dari campuran / kombinasi dua atau
lebih unsur – unsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau
komposisi material dan pada dasarnya tidak dapat dipisahkan.
Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat bahan pembentuknya
serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
a. Bahan ringan, kuat dan kaku.
b. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
c. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan yaitu kekuatan yang
tinggi, keras, ringan serta tahan terhadap impak.
Dalam desain struktur pada penelitian ini, jenis matriks yang akan
digunakan adalah Polyester resin tak jenuh dan penguat serat TKKS. Matriks ini
tergolong jenis polimer thermoset yang memiliki sifat dapat mengeras pada suhu
kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses
pembentukannya. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh dapat dilihat
Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh
Berdasarkan penelitian sebelumnya [Nuryanto,E] diketahui bahwa parameter
tipikal tandan kosong kelapa sawit per kg dapat dilihat pada table 2.2.
Tabel 2.2. Tipikal tandan kosong kelapa sawit per kg
2.2.1. Material Komposit
Skema struktur komposit dapat dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini.
Gambar 2.3. Klasifikasi bahan komposit
Komposit berdasakan jenis penguatnya terbagi menjadi 3, yaitu:
1. Particle Reinforced /Particulate composite adalah komposit dengan
material penguatnya berbentuk partikel.
2. Komposit Serat (Fibre composite) adalah komposit dengan material
penguatnya berbentuk serat.
3. Komposit Struktur (Structural composite)/ struktur Laminat adalah
komposit yang terdiri dari dua bahan yang berlainan (laminat) .
2.3. Komposisi material yang digunakan
Material yang dikembangkan pada penelitian ini yaitu komposit busa
polimer diperkuat serat TKKS sebagai bahan teknik alternatif. Komposit ini
menggunakan unsaturated polyester resin (UPR) sebagai matrik dan serat TKKS
sodium bikarbonat yang digunakan sebagai blowing agent direaksikan dengan
asam asetat serta diberi panas, setelah proses curing diperoleh komposit busa
polimer dengan densiti rendah.
Dari material diatas dibuat dalam beberapa spesimen uji yang divariasikan
ke dalam tiga komposisi seperti diperlihatkan pada tabel 2.3.
Tabel 2.3. Komposisi spesimen
Spesimen Resin
Seperti diperlihatkan pada gambar 2.4 dari hasil uji densitas diketahui bahwa
peningkatan densitas berbanding lurus dengan penambahan massa serat TKKS.
Harga Modulus elastisitas untuk masing-masing komposisi seperti
diperlihatkan pada gambar 2.5. Dimana modulus elastisitas material berbanding
terbalik dengan penambahan serat TKKS.
Gambar 2.5. Perbandingan Modulus Elastisitas Antar Komposisi
Selain Modulus elastisitas, diperoleh pula kekuatan tarik material seperti
diperlihatkan pada gambar 2.6.
Dari uji tekan statik diketahui bahwa penambahan serat berbanding
terbalik terhadap kekuatan tekan material, seperti diperlihatkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.7. Perbandingan Kekuatan Tekan Antar Komposisi
Material yang akan digunakan ada material spesimen A. Karena lebih
tingginya kekuatan tekan material yang diperoleh bila dibandingkan dengan
kekuatan tariknya, mengindikasikan bahwa material ini memiliki sifat mekanik
yang getas.
2.4. Impak Jatuh Bebas
Selama ini helm industri diuji menggunakan standar teknik jatuh bebas.
Menggunakart alat ini, helm yang akah diuji ditempatkan di atas sebuah head
form dan dihantam dengan striker dan ketinggian tertentu dengan cara jatuh
helm dalam menyerap energi impak (impact energy test), Selain itu uji standar
juga bertujuan meneliti kepatahan rusak helm (penetration test) yang
memungkinkan merusak lapisan cangkang helm. Alat uji impak yang digunakan
diperlihatkan pada gambar 2.8.
Gambar 2.8. Alat uji impak jatuh bebas
Keterangan gambar: 1. Frame base
2. Support table
3. Load cell
4. Teflon base
5. Bottom base
6. Ball end penetrator
7. Anvil support
8. Anvil
9. Helmet
10. Test rig
2.4.1. Benda Jatuh Bebas
Sebuah benda jatuh bebas dari keadaan semula berhenti mengalami
pertambahan kecepatan selama benda tersebut jatuh. Jika benda jatuh ke bumi dari
ketinggian tertentu relatif lebih kecil dibandingkan dengan jari-jari bumi, maka
benda mengalami pertambahan kecepatan dengan harga yang sama setiap detik.
Hal ini berarti bahwa percepatan ke bawah benda bertambah dengan harga yang
sama dan jika sebuah benda tersebut ditembakkan keatas kecepatannya berkurang
dengan harga yang sama setiap detik dengan perlambatan kebawahnya seragam.
Menurut Khurmi R.S, untuk menentukan kecepatan benda jatuh setiap
detik akan diperoleh harga pendekatan seperti terlihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4. Waktu dan kecepatan benda jatuh
Waktu t
(s) 0 1 2 3 4 5
Kecepatan
v (m/s) 0 9,8 19,6 29,4 39,2 49
Dari data Tabel 2.4 dapat digambarkan sebuah grafik hubungan antara
kecepatan dan waktu yang juga merupakan sebuah persamaan garis lurus seperti
pada Gambar 2.9. Jadi percepatan seragam dapat diperoleh dengan persamaan
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu
3.1.1. Tempat
Kegiatan penelitian dilaksanakan pada beberapa tempat yang bertujuan
untuk menjawab permasalahan selama penelitian berlangsung. Tempat dan
aktifitas penelitian diperlihatkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Lokasi dan Aktifitas Penelitian
No. Aktifitas Lokasi Penelitian Keterangan
1. Pembuatan model
gambar 3D helm
2. Simulasi Komputer
Sumatera Utara
Software Ansys V.14.0
3.1.2. Waktu
Waktu penelitian diperkirakan selama 5 bulan dimulai pada bulan
September 2013 hingga Januari 2014.
3.2. Desain helmet sepeda
Desain helmet sepeda digambar dengan software solidwork 2013. Desain
helmet dibuat sederhana. Struktur helmet sepeda yang dijadikan objek penelitian
lingkar kepala 540 s.d 580 mm. Desain helmet sepeda yang telah selesai dapat
dilihat pada gambar 3.1.
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.1. Desain helmet sepeda sederhana; (a) pandangan samping;
(d)
Keterangan gambar: (a) Pandangan samping helmet (b) Pandangan belakang helmet (c) Pandangan depan helmet (d) Pandangan atas helmet
Gambar lanjutan 3.1. Desain helmet sepeda sederhana; (d) pandangan atas helmet
3.3. Metode Penelitian
3.3.1. Simulasi Komputer Impak Jatuh Bebas
Software yang digunakan adalah ANSYS 14 Workbench dengan basis
Metode Elemen Hingga (MEH). Langkah simulasi dengan menggunakan program
ANSYS Workbench dapat dilakukan dalam 3 golongan proses pengerjaan yaitu
Preprocessing, Solution, Post Processing. Untuk penjelasan langkah lebih lanjut
melalui 8 langkah, yaitu:
1. ANSYS Workbench
Aktifkan menu ANSYS Workbench dengan klik icon ANSYS
(ANSYS) dari toolbox, dan double klik Explicit Dynamic
, lalu double klik pada project name dan
beri judul sesuai dengan apa yang akan disimulasikan. Dalam simulasi
ini diberi nama Helmet Sepeda Polymeric foam serat TKKS.
2. Engineering Data
Engineering data material dapat diedit sesuai dengan masukan data
yang kita inginkan dengan double klik pada Engineering Data
atau dengan klik kanan pada bagian engineering data
dan select edit . Dalam mengisi spesifikasi
engineering data material double kilik pada “click here to add a new
material” dan tulis nama material
barunya seperti ini . Pada Toolbox
sebelah kiri, double klik pada Physical Properties ,
kemudian double klik pada density lalu isikan
nilai density materialnya. Selanjutnya pada toolbox sebelah kiri, double
klik pada Linier Elatic , dan double klik
pada Isotropic Elasticity dan isikan juga
lalu beri tanda “√” dengan klik pada kolom E lalu save.
Setelah itu klik Icon “Return to Project” pada main menu.
3. ANSYS Design Modeler
Edit “Geometry” pada schematic project dengan double klik pada
Geometry icon atau dengan klik kanan pada Geometry
icon, pilih Import Geometry dan pilih menu Brows
. Lalu pilih file name helmet dalam bentuk
file standard IGES, lalu pilih Edit pada Sketching Toolboxes
. Setelah itu pilih satuan yang akan
digunakan dan terakhir Klik icon Generate
pada modeling Tab. Geometry helmet sepeda yang
berhasil masuk ke ANSYS dapat dilihat pada gambar 3.2.
4. Membuat Anvil Rata
Langkah ini dimulai dari new plane dengan
tujuan untuk mengarahkan sumbu x,y,z plane ke arah sisi samping
helmet, cara yang digunakan kali ini ada dengan metode from face yaitu
dengan klik from face kemudian klik pada
bidang dan sisi yang akan dibenturkan ke anvil
setelah itu klik apply. Posisi titik sudah
ditentukan namun titik masih menempel pada bidang helmet, sedangkan
explicit dynamic harus diberi sedikit jarak agar simulasi benturan dapat
terjadi, sehingga titik harus dinaikkan sedikit dengan cara klik
transform 1 dan dilanjutkan klik offset Z
kemudian isikan nilai jaraknya . Tahap
terakhir adalah jangan lupa untuk selalu klik generate .
Dari new plane tersebut mulailah menggambar anvil. Adapun ukuran
anvil rata dan posisi anvil rata new plane yang terpasang seperti
(a) (b)
Gambar 3.3. (a) dimensi anvil rata yang digunakan, (b) posisi anvil
terhadap helmet sepeda
5. ANSYS Mechanical
Masuk ke ANSYS mechanical dengan cara double klik pada “model”
pada project schematic. Untuk memilih data
material, pilih created solid dan ubah namanya sesuai benda
masing-masing yaitu helmet dan anvil dan pilih material yang diinginkan dari
“Detail of solid” window dapat dilihat pada gambar 3.4.
.
(a) (b)
Pada detail material, stiffness behavior untuk helmet tetap flexible
sementara anvil diubah menjadi rigid. Langkah selanjutnya, pada
connections klik insert dan pilih manual contact region
untuk menentukan bagian
mana yang akan dibenturkan, untuk helmet pilih seluruh face helmet
sementara pada anvil klik bagian atas permukaan saja. Menentukan
spesifikasi ukuran elemen dengan cara pilih Mesh dari “outline” tree
view lalu klik kanan pada Mesh dan pilih Generate Mesh
. Besar ukuran mesh akan diukur secara
otomatis dan hasil yang didapat diperlihatkan pada gambar 3.5.
Langkah selanjutnya adalah penentuan kondisi batas atau “Boundary
Conditon”, klik fixed support dan klik pada
bidang sisi bawah anvil seperti gambar 3.6.
Gambar 3.6. posisi fixed support
Langkah selanjutnya adalah pemberian gaya pada spesimen project
dengan klik kanan initial condition pada “outline” tree view, pilih
insert dan klik Velocity
dan klik pada bidang sisi tengah helmet dan masukkan nilai velocity
yang diinginkan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.7.
6. ANSYS Solution
Pada tahap ini adalah untuk memilih hasil apa saja yang akan didapat pada
simulasi yang akan dilakukan. Dimulai dengan klik kanan pada solution
dan klik insert dan kemudian pilih
hasil yang ingin dicari dari menu solution pada gambar 3.8.
Gambar 3.8. Solusi yang akan dicari
7. ANSYS Solver
Langkah selanjutnya adalah klik solver icon pada toolbar
8. ANSYS Post-Processor
Langkah selanjutnya adalah melihat besarnya deformasi yang terjadi pada
spesimen project dengan klik kanan pada Solution
Insert pilih Deformation. Untuk mengetahui besar tegangan dan regangan
yang terjadi dapat dilakukan juga dengan langkah klik kanan Solution
“outline” tree view Insert pilih Equivalent Elastic Strain dan Equivalent
Pada penelitian kali ini terdapat variabel-variabel penting yang meliputi:
1. Variabel Terikat
Variabel terikat adalah variabel yang sudah ditetapkan dan akan berubah
bila variabel bebas berubah, antara lain:
a. Tegangan (σ).
b. Regangan (ε).
2. Variabel Bebas
Variabel bebas adalah variabel yang jika berubah maka akan
mempengaruhi variabel terikat, yaitu:
a. Kecepatan (v).
b. Massa jenis (ρ).
c. Modulus elastisitas (E).
d. Poisson ratio ( ).
e. Kekakuan material .
3.4. Diagram Alir Penelitian
Diagram alir adalah sebuah diagram yang menyatakan sebuah aliran atau
BAB IV
PEMBAHASAN
4.1. Pendahuluan
Pada bab ini akan dibahas tentang hasil dari simulasi pembebanan struktur
helmet sepeda bahan polymeric foam diperkuat serat TKKS dengan menggunakan
ANSYS 14 Workbench. Struktur helmet sepeda yang dijadikan objek penelitian
mempunyai dimensi panjang 265 mm, lebar 210 mm, dan tinggi 145 mm dengan
lingkar kepala 540 s.d 580 mm. Sedangkan massa dari helmet sepeda berkisar
antara 650 s/d 725 gr.
Pembebanan pada pengujian impak jatuh bebas diberikan pada bagian
samping dan belakang dari struktur helmet sepeda. Ini dikarenakan bagian tersebut
merupakan bagian yang memiliki kemungkinan terbesar mengalami benturan.
Data hasil simulasi akan dibandingkan dengan hasil pengujian impak jatuh
bebas. Pengujian impak jatuh bebas ini digolongkan pada pengujian impak
kecepatan rendah. Alat uji impak jatuh bebas menggunakan sensor cahaya yang
diletakkan dengan ketinggian 1 m. Ketinggian helmet sepeda yang diuji impak
jatuh bebas dihitung dengan menggunakan rumus pada persamaan (2.4).
Dengan asumsi bahwa kecepatan maksimum bersepeda diperkirakan
sekitar 15 km/jam, maka tinggi maksimum uji impak jatuh bebas ialah 1 m.
Alat yang digunakan untuk mengukur beban impak jatuh bebas
menggunakan load cell. Data yang diperoleh load cell berupa data analog
ditampilkan dan direkam oleh komputer. Data yang ditampilkan adalah data
pengukuran gaya impak dan waktu impak.
4.2. Simulasi Impak Menggunakan ANSYS 14.0 Workbench
Pada penelitian ini analisa struktur helmet sepeda bahan polymeric foam
diperkuat serat TKKS akibat beban impak jatuh bebas dilakukan dengan simulasi.
Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui besar tegangan dan regangan yang
diterima oleh helmet sepeda. Selanjutnya hasil pengujian secara simulasi
dibandingkan dengan pengujian yang dilakukan secara eksperimental. Pada
pengujian simulasi ini menggunakan software ANSYS Workbench 14.0.
4.2.1. Simulasi Pembebanan Pada Sisi Samping Helmet Sepeda
Distribusi tegangan dan regangan pada sisi samping dari helmet sepeda
dengan ketinggian 1 meter diperlu data-data engineering yang di ambil dari data
pengujian eksperimental. Adapun data simulasi yang diperlukan meliputi:
1. Massa jenisnya adalah 665 kg/m3.
2. young’s modulus 37.859 Mpa.
3. poisson ratio 0.33.
4. Kecepatan awal (v) 4429 mm/s.
5. Anvil material structural steel.
Gambar 4.1. Sisi helmet yang mengalami benturan
Maka dengan memberikan nilai-nilai tersebut dengan posisi seperti pada
gambar 4.1 diperoleh hasil tegangan seperti pada gambar 4.2.
.
Gambar 4.2. Distribusi tegangan uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet
V
Pada gambar 4.2 yaitu pada sisi kiri yang mengalami impak jatuh bebas,
dapat dilihat hasil distribusi tergangan dari simulasi didapat bahwa tegangan
maksimum sebesar 1,40 MPa, sementara untuk daerah impak tegangan yang
terjadi adalah sebesar 0,938 MPa. Tegangan terbesar terjadi pada arah sumbu-z.
Pada titik tegangan maksimum terjadi konsentrasi tegangan, pada daerah inilah
berpotensi terjadinya keretakan pertama kali.
Selain distribusi tegangan pada sisi kiri yang mengalami impak jatuh
bebas, juga dapat diamati distribusi tegangan yang terjadi pada sisi depan, sisi
kanan dan sisi belakang helmet yang mana dapat dilihat secara berurut pada
gambar 4.3, 4.4, dan 4.5.
Gambar 4.4. Distribusi tegangan pada sisi kanan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet
Gambar 4.5. Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet
Dari gambar 4.3, 4.4, dan 4.5 dapat dilihat bahwa tegangan yang terjadi
Titik terjadinya tegangan maksimum adalah pada Node ID : 258 yaitu pada
koordinat (100,5 , 15,122 , -121,11 ) dan dapat dilihat pada gambar 4.6.
Gambar 4.6. Titik terjadinya tegangan maksimum
Secara grafik besarnya nilai tegangan dari simulasi uji impak jatuh bebas
sisi samping helmet diperlihatkan pada gambar 4.7.
Gambar 4.7 Grafik equivalent stress
Pada gambar 4.7 menunjukkan grafik tegangan terhadap waktu dan
Untuk distribusi tegangan normal pada sumbu-x, sumbu-y, dan sumbu-z
dari simulasi uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet diperoleh distribusi tegangan
yang dapat dilihat secara berurut pada gambar 4.8, 4.9, dan 4.10.
Gambar 4.8. Distribusi tengan normal pada sumbu-x
Gambar 4.10. Distribusi tengan normal pada sumbu-z
Distribusi tegangan normal pada sumbu-x yaitu pada gambar 4.8
memperlihatkan tegangan maksimum yang terjadi adalah sebesar 0,203 MPa.
Sementara pada gambar 4.9 memperlihatkan distribusi tegangan normal pada
sumbu-y yang mana tegangan maksimum adalah sebesar 0,286 MPa. Untuk
distribusi tegangan normal pada sumbu-z yaitu pada gambar 4.10, tegangan
maksimum adalah sebesar 1,366 MPa.
Selain tegangan, dari simulasi juga didapatkan hasil distribusi regangan
Dari gambar 4.11 diperoleh regangan maksimum sebesar 0,04 dan
regangan maksimum terjadi pada daerah impak. Selain distribusi regangan pada
sisi kiri yang mengalami impak jatuh bebas, juga dapat diamati distribusi
regangan yang terjadi pada sisi depan, sisi kanan dan sisi belakang helmet yang
mana dapat dilihat secara berurut pada gambar 4.12, 4.13, dan 4.14.
Gambar 4.12. Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet
Gambar 4.14. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet
Dari gambar 4.12 dapat dilihat distribusi regangan pada sisi depan terbagi
menjadi dua daerah yaitu kiri dan kanan, untuk sisi kiri regangan yang terjadi
adalah 0,013-0,018, dan kanan sebesar 0-0,009. Distribusi regangan untuk sisi
kanan dan belakang dilihat pada gambar 4.13 dan 4.14 mayoritas adalah regangan
minimum berkisar antara 0-0,009. Secara grafik besar nilai regangan dari simulasi
uji impak jatuh bebas sisi samping helmet dapat dilihat pada gambar 4.15.
Gambar 4.15. Grafik equivalent elastic strain
Pada gambar 4.15 menunjukkan grafik regangan terhadap waktu dan
4.2.2. Simulasi Pembebanan Pada Sisi Belakang Helmet Sepeda
Distribusi tegangan dan regangan pada sisi belakang dari helmet sepeda
dengan ketinggian 1 meter diperlukan data-data engineering yang di ambil dari
data pengujian eksperimental.
Adapun data pengujian eksperimental yang diperlukan yaitu sama dengan
data yang digunakan saat simulasi sisi samping helmet, karena helmet yang
digunakan sejenis dan ketinggiannya tetap pada 1 meter.
Posisi helmet saat simulasi uji impak jatuh bebas sisi belakang dapat
dilihat pada gambar 4.16.
Gambar 4.16. Posisi helmet saat dibenturkan
Maka dengan memasukkan nilai-nilai engineering data yang diperlukan
.
Gambar 4.17. Distribusi tegangan uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet
Pada gambar 4.17 dapat dilihat hasil distribusi tegangan dari simulasi
didapat bahwa tegangan maksimum sebesar 1,905 MPa, sementara untuk daerah
impak tegangan yang terjadi adalah sebesar 0,603 MPa. Tegangan terbesar terjadi
arah sumbu-x. Pada kontur berwarna merah merupakan konsentrasi tegangan,
pada daerah ini berpotensi terjadi keretakan pertama kali. Selain distribusi
tegangan pada sisi belakang, dapat diamati distribusi tegangan pada sisi depan dan
sisi samping helmet dapat dilihat secara berurut pada gambar 4.18, dan 4.19.
Gambar 4.18. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet
Gambar 4.19. Distribusi tegangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet
Distribusi tegangan pada sisi depan dan samping pada gambar 4.18 dan
4.19 memperlihatkan bagian bawah helmet mengalami tegangan minimum.
Titik terjadinya tegangan maksimum adalah pada Node ID : 1053 yaitu
pada koordinat (-54,777 , 151,55 , -208,86 ) dan dapat dilihat pada gambar 4.20.
Secara grafik besarnya nilai tegangan dari simulasi uji impak jatuh bebas
sisi belakang helmet diperlihatkan pada gambar 4.21.
Gambar 4.21. Grafik equivalent stress
Pada gambar 4.21 menunjukkan grafik tegangan terhadap waktu dan
tegangan maksimum yang terjadi yaitu sebesar 0,905 MPa pada waktu 2,5 ms.
Untuk distribusi tegangan normal pada sumbu-x, sumbu-y, dan sumbu-z
dari simulasi uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet diperoleh distribusi
tegangan yang dapat dilihat secara berurut pada gambar 4.22, 4.23, dan 4.24.
Gambar 4.23. Distribusi tengan normal pada sumbu-y
Gambar 4.24. Distribusi tengan normal pada sumbu-z
Distribusi tegangan normal pada sumbu-x yaitu pada gambar 4.22
memperlihatkan tegangan maksimum yang terjadi adalah sebesar 0,365 MPa.
sumbu-y yang mana tegangan maksimum adalah sebesar 0,103 MPa. Untuk
distribusi tegangan normal pada sumbu-z yaitu pada gambar 4.24, tegangan
maksimum adalah sebesar 0,308 MPa.
Untuk hasil regangan yang didapat dari simulasi dapat dilihat pada gambar
4.25 sebagai berikut.
Gambar 4.25. Distribusi regangan uji impak jatuh bebas sisi belakang
helmet
Dari gambar 4.25 diperoleh regangan maksimum sebesar 0,043 dan
regangan maksimum terjadi di sebelah kiri dan kanan daerah impak. Selain
distribusi regangan pada sisi belakang yang mengalami impak jatuh bebas, juga
dapat diamati distribusi regangan yang terjadi pada sisi depan dan sisi samping
Gambar 4.26. Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh
bebas sisi belakang helmet
Gambar 4.27. Distribusi regangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh
bebas sisi belakang helmet
Distribusi regangan pada sisi depan dan samping pada gambar 4.26 dan
Secara grafik besarnya nilai regangan dari simulasi uji impak jatuh bebas
sisi samping helmet dapat dilihat pada gambar 4.28.
Gambar 4.28. Grafik equivalent elastic strain
Pada gambar 4.28 menunjukkan grafik regangan terhadap waktu dan
regangan maksimum yang terjadi yaitu sebesar 0,043 pada waktu 5 ms.
4.3. Kumpulan data hasil pengujian jatuh bebas secara eksperimental
4.3.1. Pengujian Pada Sisi Samping Helmet Sepeda
Pengujian impak jatuh bebas terhadap sisi samping helmet sepeda pada
ketinggian 1 meter diperoleh data-data dapat dilihat pada tabel 4.1, antara lain:
a. Besar gaya rata-rata adalah 257,33 N.
b. Luas area impak 250 mm2.
Tabel: 4.1. Hasil pengujian titik samping helmet sepeda dengan impak jatuh
bebas pada ketinggian 1 m.
Sisi
4.3.2. Pengujian Pada Sisi Belakang Helmet Sepeda
Pengujian impak jatuh bebas terhadap sisi belakang helmet sepeda pada
ketinggian 1 meter diperoleh data-data yang dapat dilihat pada tabel 4.2 , antara
lain:
a. Besar gaya rata-rata adalah 239 N.
b. Luas area impak 350 mm2.
c. Tegangan yang terjadi adalah 0,683 MPa.
Tabel: 4.2. Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1 m
4.4. Perbandingan Tegangan Simulasi dengan Uji Eksperimental
Dari hasil simulasi ANSYS Workbench 14.0 akibat impak jatuh bebas sisi
samping helmet diperoleh tegangan maksimum Solid Von Mises pada helmet
sepeda adalah 1,405 MPa, regangan maksimum 0,040. Sementara tegangan yang
terjadi pada sisi samping adalah 0,938 MPa. Perbandingan antara simulasi dengan
hasil experimental dapat ditunjukkan pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3. Perbandingan hasil analisa MEH dengan ansys dan eksperimental
Tegangan (MPa) Regangan (m/m)
ANSYS Eksperimental ANSYS Eksperimental
0,938 1,029 0,040 -
Hasil yang didapat dari membandingkan tegangan adalah selisih antara tegangan
hasil simulasi dengan eksperimental adalah 0,091 MPa atau berbeda 9,73%.
Dari hasil simulasi ANSYS Workbench 14.0 akibat impak jatuh bebas sisi
belakang helmet diperoleh tegangan maksimum Solid Von Mises adalah 0,905
MPa, regangan maksimum 0,043. Sementara tegangan pada sisi belakang helmet
adalah 0,603 MPa. Perbandingan antara simulasi dengan hasil experimental dapat
ditunjukkan pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4. Perbandingan hasil analisa MEH dengan ansys dan eksperimental
Tegangan (MPa) Regangan (m/m)
Experimental ANSYS Experimental ANSYS
Hasil yang didapat dari membandingkan tegangan hasil simulasi dengan
eksperimental uji impak jatuh bebas adalah diperoleh selisih 0,08 MPa atau
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Setelah seluruh penelitian dilaksanakan serta menganilasi seluruh hasil,
maka didapat kesimpulan sebagai berikut:
1. Dari hasil simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet dengan
ketinggian 1 meter dan kecepatan 4429 mm/s diperoleh tegangan
maksimum 1,405 MPa dan tegangan pada sisi samping 0,938 MPa,
untuk sisi belakang dengan tinggi dan waktu yang sama diperoleh
tegangan maksimum 0,905 MPa dan tegangan pada sisi belakang
0,603 MPa. Dari simulasi juga didapat distribusi regangan dan
regangan maksimum yang diperoleh pada simulasi uji impak jatuh
bebas sisi samping helmet adalah 0,04, sedangkan untuk sisi belakang
helmet diperoleh regangan maksimum 0,043.
2. Dengan membandingkan tegangan yang terjadi pada hasil simulasi dan
hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi samping diperoleh
tegangan hasil simulasi 0,938 MPa dan hasil eksperimental 1,029 MPa
maka diperoleh selisih 0,091 MPa atau berbeda 9,73%, sedangkan
untuk sisi belakang diperoleh tegangan hasil simulasi 0,603 MPa
sedangkan hasil eksperimental 0,683 MPa maka diperoleh selisih 0,08
5.2. Saran
Saran yang bisa penulis berikan bila penelitian ini ingin dikembangkan
dikemudian hari antara lain:
1. Komposisi komposit busa polimer yang ramah lingkungan harus diteliti
dan dikembangkan lagi agar menghasilkan material yang lebih baik.
2. Ketelitian memasukkan data-data yang diperlukan untuk simulasi sangat
diperlukan agar tidak terjadi error.
3. Studi literatur sangat penting dilakukan untuk melaksanakan penelitian.
4. Beberapa parameter pengujian seperti temperatur, cacat material,
kerapatan yang tidak homogen dan sebagainya merupakan faktor yang
menyebabkan terjadinya perbedaan hasil simulasi menggunakan software
ANSYS 14.0 dengan hasil eksperimental uji impak jatuh bebas. Beberapa
DAFTAR PUSTAKA
Chawla, K.K. 1987. Composite materials, First Ed. Berlin: Springer-Verlag New
York Inc.
Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I. Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday and Resnick. 1991. Fisika Jilid I. Jakarta : Penerbit Erlangga.
Hashim, J. 2003. Pemprosesan Bahan, Edisi Pertama, Johor Bahru: Cetak Ratu
Sdn. Bhd.
Khurmi R.S. AN ISO 9001 : 2000 Company., A Text Book of Mechanical
Engineering, S.
Chand & Company Ltd., Ram – Nagar, New Delhi – 110055.
Kwei Nam Law, et al. 2007. Morphological and Chemical Nature of Fibre
Strands of
Oil Palm Empty Fruit Bunch (OPEFB). Bio Resorrces 2(3), 351-362.
Mhd Daud Pinem. 2013. ANALISIS SISTEM MEKANIK ANSYS. Bandung :
Wahana
Ilmu Kita.
Nuryanto, E. Pemanfaatan Tandan Kosong Kelapa Sawit Sebagai Sumber Bahan
Kimia.
Warta PPKS : 137-144. 2004.
Parlindungan S.Pasaribu, Simulasi Komputer Distribusi Tegangan pada Helm
Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa (Foam)
terhadap Beban Impak Kecepatan Tiiggi Menggunakan MSC/Nastran 4. 5,
USU,2009.
Rahmat K.S. 2011. Pengukuran Helmet Sepeda Motor Yang Dikenai Beban
Impak
Menggunakan Metode Jatuh Bebas, Tesis Master, USU.
Zulfikar. 2010. Pembuatan dan Penyelidikan Perilaku Mekanik Material
Polymeric Foam
Diperkuat Serat TKKS Akibat Beban Statik dan Impak. Program Magister
Teknik
Mesin USU.
