ANALISA KEKUATAN IMPAK HELM SEPEDA MOTOR SNI
AKIBAT PEMBERIAN BEBAN IMPAK JATUH BEBAS DAN
SIMULASI DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS
WORKBENCH V 12.1
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
HENDRA PUTRA BUANA SEMBIRING 070401085
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini ialah untuk mendapatkan tegangan, regangan dan juga energi potensial yang mampu diserap oleh helm standar SNI tersebut. Pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna. Helm yang diuji diletakkan pada test rig yang dapat diatur ketinggian jatuhnya. Untuk mengetahui waktu impak, maka pada alat uji dilengkapi dengan 8 buah sensor proximity jenis induktif. Helm akan jatuh dan menabrak dudukan alas uji yang disebut dengan istilah anvil. Gaya yang dihasilkan akan diukur dengan menggunakan alat sensor pengukuran beban yang disebut dengan loadcell yang diletakkan dibawah anvil. Data akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistim data akusisi yang berfungsi untuk merubah bentuk sinyal analog ke bentuk sinyal digital. Akhirnya data akan disimpan dalam PC sebagai gaya (N) dan waktu (ms). Setelah itu dilakukan simulasi dengan menggunakan software ansys dengan cara mendesign model menyerupai bentuk spesimen aslinya, dan memberikan perlakuan yang sama sesuai dengan pengujian secara eskperimental. Dari hasil pengujian dengan cara eksperimental didapat tegangan maksimum dengan menggunakan anvil plat datar 3,677 MPa pada sisi atas dan 4,251 MPa pada sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi tegangan maksimum yang didapat sebesar 3,534 MPa pada sisi atas dan 3,946 MPa pada sisi samping helm. Sedangkan tegangan yang diterima helm dengan menggunakan anvil peluru, besarnya tegangan yang diterima helm melalui pengujian secara eksperimental sebesar 8,267 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi diperoleh tegangan maskimum sebesar 8,259 MPa dan 9,287 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Tegangan maksimum yang diterima helm dengan menggunakan anvil jenis setengah lingkaran diperoleh tegangan sebesar 4,078 MPa dan 3,331 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm dengan cara eksperimental. Sedangkan dengan cara simulasi diperoleh tegangan maksimum sebesar 4,218 MPa untuk sisi atas dan 3,474 MPa untuk sisi samping helm.
ABSTRACT
The purpose of this study was to obtain stress, strain and potential energy that can be absorbed by the SNI standard helmet. Free fall impact test is done using a multipurpose test equipment free fall. Helmets are tested is placed on the test rig can be set altitude fall. To determine the impact of time, then the tester is equipped with 8 pieces of type inductive proximity sensors. Helm will fall and hit the seat pad test called the anvil. The force generated will be measured using a device called a load sensor measures the loadcell placed under the anvil. Data will be transferred from the load cell to a system data acquisition that works to change the form of an analog signal into digital signal form. Finally, the data will be stored in a PC as force (N) and time (ms). After that is done simulation using ANSYS software by designing a model resembling the original specimen, and provide equal treatment in accordance with the testing experimental. From the experimental results obtained by testing the maximum stress by using anvil flat plate on the top 3.677 MPa and 4.251 MPa at the side of the helmet. For testing by simulating the maximum voltage obtained at 3.534 MPa to 3.946 MPa the top and side of the helmet on. While the voltage received by using anvil bullet helmet, helmet magnitude of the voltage received through experimental testing at 8.267 MPa for the top and side of the helmet. To test the voltage obtained by simulation maskimum at 8.259 MPa and 9.287 MPa for the top and side of the helmet. Maximum voltage received the helmet by using anvil type semicircle obtained voltage of 4.078 MPa and 3.331 MPa for the top and side of the helmet by experimental means. While the simulation is obtained by the maximum voltage of 4.218 MPa to 3.474 MPa and the upper side to side of the helmet.
Keywords: SNI standard helmet, tool-free drop test, Ansys V12.1, impact stress
Puji syukur saya ucapkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan dan kesempatan sehingga saya dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan judul “Analisa Kekuatan Impak Helm Sepeda Motor SNI Akibat Pemberian Beban Impak Jatuh Bebas dan Simulasi Dengan
Menggunakan Software Ansys Workbench V 12.1”. Tugas sarjana ini merupakan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin – Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini saya menyampaikan ucapan terimakasih sebesar-besarnya kepada ,
1. Kedua orangtua saya, Ayahanda Agus Rizal Sembiring dan Ibunda Affriyetti Koto yang telah memberikan, do’a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga kakak dan adik-adik saya Rima Melinda, Sevtiani Amelia dan Ilham Rinaldi Sembiring yang selalu memberi saya semangat dan memberikan motivasi selama pembuatan tugas sarjana ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku dosen pembimbing Tugas sarjana yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan serta motivasi dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, yang telah memberikan bantuan selama saya mengikuti pendidikan di Program Strata 1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 5. Seluruh teman – teman stambuk 2007 dan mahasiswa Program Studi
Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini.
Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saya sangat mengharapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian demi kesempurnaan skrispi ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, September 2012
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... . i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.Latar belakang ………... 1
1.2. Perumusan Masalah ……… 3
1.3. Tujuan Penelitian ……….. 4
1.3.1. Tujuan umum ………. 4
1.3.2. Tujuan khusus ……… 4
1.4. Manfaat Penelitian ………. 5
1.5. Sistematika Penulisan ……….. 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan ... 7
2.2. Gerak Jatuh Bebas... 7
2.3. Beban Impak ... 9
2.3.1. Momentum dan Impuls ... 9
2.3.2. Hukum Gerakan Newton ... 11
2.4. Tegangan Normal ... 11
2.5. Energi Mekanik ... 14
2.6. Pengukuran Kekuatan Helm ... 15
2.7. Ansys Workbench V 12.1 ... 15
2.8. Helm Standar Nasional Indonesia (SNI) ... 15
BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu ... 18
3.1.1. Tempat ... 18
3.1.2. Waktu ... 18
3.2. Bahan dan Alat ... ... 19
3.2.1. Bahan ... 19
3.2.2. Peralatan ... 20
3.2.2.1. Daq Labjack U3-LV ... 29
3.2.2.2. Komputer ... 31
3.2.3. Metode ... 23
3.2.3.1. Pembuatan Alat Uji Jatuh Bebas ... 23
3.2.3.2. Alat Pengukur Beban Dan Gaya Impak ... 30
3.3. Variabel Penelitian ... 31
3.4. Akusisi Data ... 31
3.5. Prosedur Pengujian ... 32
3.6. Distribusi Tegangan Akibat Beban Dinamik Melalui Simulasi Komputer ... 35
3.7. Kerangka Kegiatan ... 42
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pendahuluan ... 44
4.2.Pengukuran Beban Impak dan Respon Tegangan Secara Eksperimental ... 45
4.2.1. Anvil Plat Datar ... 46
4.2.2. Anvil Setengah lingkaran ... 50
4.2.3. Anvil Peluru ... 54
4.3. Penyerapan Energi Impak ... 59
4.3.1. Anvil Plat Datar ... 59
4.3.2. Anvil Setengah Lingkaran ... 61
4.4.Simulasi Ansys... 64
4.4.1. Anvil Plat Datar ... 65
4.4.2. Anvil Peluru ... 68
4.4.3. Anvil Setengah Lingkaran ... 72
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 79
5.2. Saran ... 80
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor di Indonesia.
1 4.1. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda
motor SNI dengan anvil jenis plat datar.
47 4.2. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji
impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil plat datar.
49 4.3. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda
motor SNI dengan anvil setengah lingkaran.
52 4.4. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji
impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil setengah lingkaran.
53
4.5. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil jenis peluru.
56 4.6. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji
impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil peluru.
58 4.7. Energi potensial terjadi pada uji impak jatuh bebas helm
SNI dengan anvil plat datar.
61 4.8. Energi potensial yang terjadi pada uji impak jatuh bebas
helm SNI dengan anvil setengah lingkaran.
62
4.9. Energi potensial yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil peluru.
DAFTAR GAMBAR
Nomor judul halaman
2.1. Batang Prismatik yang Dibebani Gaya Aksial ... 12
2.2. Logo SNI pada helm ... 16
3.1. Helm Sepeda Motor SNI ... 19
3.2. Perangkat Alat Uji Jatuh Bebas ... 21
3.3. Rangka Bawah ... 21
3.4. Rangka Atas ... 22
3.5. Katrol ... 22
3.6. Pipa Penyangga ... 23
3.7. Pipa Luncur ... 23
3.8. Pegas Peredam ... 24
3.9. Test Rig ... 24
3.10. Landasan ... 25
3.11. Loadcell ... 26
3.12. Ball end Penetrator ... 26
3.13. Anvil Support ... 26
3.14. Ring Stopper ... 27
3.15. Posisi Peletakan Anvil Support dan Loadcell ... 28
3.16. Teplon Base ... 28
3.17. Bottom Base ... 28
3.18. Sensor ... 29
3.19. Pemegang Sensor ... 29
3.20. Daq Labjack U3-LV ... 30
3.21. Komputer ... 30
3.22. Pemasangan Loadcell dan Anvil Support ... 32
3.23. Anvil ... 33
3.24. Posisi Helm Pada Test Rig ... 33
3.25. Posisi jarak Ketinggian dan Sensor Proximity ... 33
3.26. Setup Alat Uji Jatuh Bebas ... 35
3.27. Langkah Membuat Gambar/Import Gambar ... 36
3.28. Gambar Model ... 37
3.30. Jenis Material Model ... ... 38
3.31. Mesh ... 38
3.32. Hasil Mesh ... 39
3.33. Analysis Setting ... 39
3.34. Fixed Support ... 40
3.35. Pemberian Velocity ... 40
3.36. Solusi yang Diinginkan ... 41
3.37. Kerangka Kegiatan Pengujian ... 43
4.1. Luas Daerah Impak ... 45
4.2. Hasil uji impak dengan anvil datar posisi atas helm tidak rusak ... 46
4.3. Hasil uji impak dengan anvil datar posisi samping helm tidak rusak ... 47
4.4. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat datar, Posisi atas helm ... 48
4.5. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat datar, Posisi samping helm ... 49
4.6. Grafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas Helm sepeda motor SNI dengan anvil plat datar ... 50
4.7. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran posisi Atas helm, tidak rusak ... 51
4.8. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran posisi samping helm, tidak rusak ... 51
4.9. Tegangan yang dihasilkan anvil setengah lingkaran, posisi Atas helm ... 52
4.10. Tegangan yang dihasilkan anvil setengah lingkaran, posisi Samping helm ... 53
4.11. Gafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas Helm sepeda motor SNI dengan anvil setengah lingkaran ... 54
Rusak ... 55
4.14. Kerusakan helm SNI dengan menggunakan anvil peluru ... 56
4.15. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat peluru, Posisi atas helm ... 57
4.16. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil peluru, posisi Samping helm ... 58
4.17. Grafik gaya dana waktu impak pada uji jatuh bebas helm Sepeda motor SNI dengan anvil peluru ... 59
4.18. Energi yang diterima helm dengan anvil datar, posisi Atas helm ... 60
4.19. Energi yang diterima helm dengan anvil datar, posisi Samping helm ... 60
4.20. Energi yang diterima helm dengan anvil setengah lingkaran Posisi atas helm ... 61
4.21. Energi yang diterima helm dengan anvil setengah lingkaran Posisi samping helm ... 62
4.22. Energi yang diterima helm dengan anvil peluru, posisi Atas helm ... 63
4.23. Energi yang diterima helm dengan anvil peluru, posisi Samping helm ... 63
4.24. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas ... 65
4.25. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas ... 66
4.26. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas ... 66
4.27. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping ... 67
4.28. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping ... 67
4.29. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi samping ... 68
4.30. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas ... 69
4.31. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas ... 69
4.32. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas ... 69
4.33. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping ... 70
4.34. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping ... 71
4.36. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas ... 72
4.37. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas ... 73
4.38. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas ... 73
4.39. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping ... 74
4.40. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping ... 74
4.41. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi samping ... 75
4.42. Diagram tegangan impak, sisi atas ... 78
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini ialah untuk mendapatkan tegangan, regangan dan juga energi potensial yang mampu diserap oleh helm standar SNI tersebut. Pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna. Helm yang diuji diletakkan pada test rig yang dapat diatur ketinggian jatuhnya. Untuk mengetahui waktu impak, maka pada alat uji dilengkapi dengan 8 buah sensor proximity jenis induktif. Helm akan jatuh dan menabrak dudukan alas uji yang disebut dengan istilah anvil. Gaya yang dihasilkan akan diukur dengan menggunakan alat sensor pengukuran beban yang disebut dengan loadcell yang diletakkan dibawah anvil. Data akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistim data akusisi yang berfungsi untuk merubah bentuk sinyal analog ke bentuk sinyal digital. Akhirnya data akan disimpan dalam PC sebagai gaya (N) dan waktu (ms). Setelah itu dilakukan simulasi dengan menggunakan software ansys dengan cara mendesign model menyerupai bentuk spesimen aslinya, dan memberikan perlakuan yang sama sesuai dengan pengujian secara eskperimental. Dari hasil pengujian dengan cara eksperimental didapat tegangan maksimum dengan menggunakan anvil plat datar 3,677 MPa pada sisi atas dan 4,251 MPa pada sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi tegangan maksimum yang didapat sebesar 3,534 MPa pada sisi atas dan 3,946 MPa pada sisi samping helm. Sedangkan tegangan yang diterima helm dengan menggunakan anvil peluru, besarnya tegangan yang diterima helm melalui pengujian secara eksperimental sebesar 8,267 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi diperoleh tegangan maskimum sebesar 8,259 MPa dan 9,287 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Tegangan maksimum yang diterima helm dengan menggunakan anvil jenis setengah lingkaran diperoleh tegangan sebesar 4,078 MPa dan 3,331 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm dengan cara eksperimental. Sedangkan dengan cara simulasi diperoleh tegangan maksimum sebesar 4,218 MPa untuk sisi atas dan 3,474 MPa untuk sisi samping helm.
ABSTRACT
The purpose of this study was to obtain stress, strain and potential energy that can be absorbed by the SNI standard helmet. Free fall impact test is done using a multipurpose test equipment free fall. Helmets are tested is placed on the test rig can be set altitude fall. To determine the impact of time, then the tester is equipped with 8 pieces of type inductive proximity sensors. Helm will fall and hit the seat pad test called the anvil. The force generated will be measured using a device called a load sensor measures the loadcell placed under the anvil. Data will be transferred from the load cell to a system data acquisition that works to change the form of an analog signal into digital signal form. Finally, the data will be stored in a PC as force (N) and time (ms). After that is done simulation using ANSYS software by designing a model resembling the original specimen, and provide equal treatment in accordance with the testing experimental. From the experimental results obtained by testing the maximum stress by using anvil flat plate on the top 3.677 MPa and 4.251 MPa at the side of the helmet. For testing by simulating the maximum voltage obtained at 3.534 MPa to 3.946 MPa the top and side of the helmet on. While the voltage received by using anvil bullet helmet, helmet magnitude of the voltage received through experimental testing at 8.267 MPa for the top and side of the helmet. To test the voltage obtained by simulation maskimum at 8.259 MPa and 9.287 MPa for the top and side of the helmet. Maximum voltage received the helmet by using anvil type semicircle obtained voltage of 4.078 MPa and 3.331 MPa for the top and side of the helmet by experimental means. While the simulation is obtained by the maximum voltage of 4.218 MPa to 3.474 MPa and the upper side to side of the helmet.
Keywords: SNI standard helmet, tool-free drop test, Ansys V12.1, impact stress
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Di Indonesia khususnya di kota Medan, sepeda motor merupakan alat transportasi yang sangat banyak penggunanya. Alasan masyarakat lebih memilih menggunakan sepeda motor dibandingkan dengan menggunakan alat transportasi yang lainnya dikarenakan sepeda motor lebih murah dari alat transportasi lainnya dan juga irit bahan bakar. Selain itu sepeda motor juga bebas dari kemacetan karena memiliki bentuk yang kecil dari alat transportasi lainnya. Jumlah penggunakan sepeda motor sangat tinggi dan dapat dilihat pada tabel 1.1.
Tabel 1.1. Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor di Indonesia
Tahun Mobil penumpang
Bis Truk Sepeda
motor
jumlah
2000 3 038 913 666 280 1 707 134 13 563 017 18 975 344
2001 3 189 319 680 550 1 777 293 15 275 073 20 922 235
2002 3 403 433 714 222 1 865 398 17 002 130 22 985 183
2003 3 792 510 798 079 2 047 022 19 976 376 26 613 987
2004 4 231 901 933 251 2 315 781 23 061 021 30 541 954
2005 5 076 230 1 110 255 2 875 116 28 561 831 37 623 432
2006 6 035 291 1 350 047 3 398 956 32 528 758 43 313 052
2007 6 877 229 1 736 087 4 234 236 41 955 128 54 802 680
2008 7 489 852 2 059 187 4 452 343 47 683 681 61 685 063
2009 7 910 407 2 160 973 4 498 171 52 767 093 67 336 644
2010 8 891 041 2 250 109 4 687 789 61 078 188 76 907 127
penelitian menunjukkan bahwa 88% kecelakaan sepeda motor terjadi pada bagian kepala. Hal ini menunjukkan pemakaian helm sebagai alat pelindung kepala sangatlah penting. Oleh karena itu pemerintah mengeluarkan undang-undang untuk mewajibkan pengguna sepeda motor untuk menggunakan helm sebagai alat pelindung saat berkendara.
menjadi masalah bagi pemakainya. Suatu helm dikatakan lulus standar SNI apabila telah melalui tahapan-tahapan yang telah ditentukan oleh Badan Standardisasi Nasional.
Dengan dilandasi latar belakang di atas peneliti mengajukan satu usulan penelitian untuk mengetahui berapa besar kekuatan helm sepeda motor Standar Nasional Indonesia (SNI) dengan pemberian beban impak dengan menggunakan alat uji jatuh bebas sebagai syarat yang harus dipenuhi dalam menyelesaikan studi pada Program Studi Strata Satu Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.2. Perumusan Masalah
Permasalahan yang ditinjau di sini adalah kecelakaan yang sering terjadi pada pengendara sepeda motor yang jatuh dari kendaraan atau mengalami benturan mengenai kepala yang memakai helm sepeda motor SNI. Disini peneliti menguji di 3 titik yang berbeda, yaitu dibagian atas, samping dan belakang helm karena ini merupakan titik yang paling sering terjadi benturan. Dari kejadian tersebut perlu diketahui seberapa besar:
a. Tegangan yang diterima pada titik pengimpakan b. Distribusi tegangan yang terjadi dipermukaan helm
c. Besar impak yang menyebabkan terjadinya keretakan pada helmet.
Medan. Alat uji jatuh bebas ini memiliki ketinggian jatuh 4 meter dan kecepatan sekitar 8,9 m/det.
Pada penelitian dengan menggunakan metode impak jatuh bebas ini helm yang akan diuji adalah helm sepeda motor Standar Nasional Indonesia (SNI) dengan merek BQZ yang dapat di beli di toko. Masalah yang perlu diketahui adalah seberapa besar kekuatan dan berapa besar tegangan yang timbul pada lokasi pengimpakan helm SNI yang dikenai beban impak dengan metode jatuh bebas kecepatan rendah, sehingga helm tersebut dinyatakan sebagai helm dengan Standar Nasional Indonesia (SNI).
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan Umum
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan seberapa besar kekuatan impak helm sepeda motor yang dikenai beban impak menggunakan metode jatuh bebas.
1.3.2 Tujuan Khusus
1. Penggunaan metode jatuh bebas untuk pengukuran beban impak 2. respon tegangan pada helm sepeda motor SNI
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini diharapkan adalah:
1. Memberi informasi tentang pengujian helm sepeda motor SNI yang dikenai beban impak menggunakan metode jatuh bebas.
2. Memberi informasi perbandingan pengujian helm sepeda motor SNI dengan beban impak kecepatan tinggi dibandingkan dengan beban impak metode jatuh bebas.
3. Memberi informasi pada dunia industri dan pemerintah tentang kekuatan helm sepeda motor SNI yang ada sekarang ini terhadap beban impak menggunakan metode jatuh bebas.
1.5. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan disusun sedemikian rupa sehingga konsep penulisan proposal maenjadi berurutan dalam kerangka alur pemikiran yang mudah dan prektis. Sistematika tersebut disusun dalam bentuk bab-bab yang saling berkaitan satu sama lain yang terdiri dari 5 bab.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan
Metode pengujian impak yang dilakukan yaitu metode yang menggunakan test rig jatuh bebas yang dalam penelitian ini akan digunakan alat uji impak jatuh
bebas. Metode pengujian ini mengacu pada standar ASTM E23, ISO 148 dan EN10045-1. Helm yang digunakan dalam pengujian ini adalah helm SNI yang dapat dibeli di toko helm. Helm ini dipilih karena helm ini telah berlebel SNI dan telah banyak digunakan oleh pengendara sepeda motor khususnya di kota Medan. Dengan melakukan pengujian ini, maka dapat diketahui seberapa besar kekuatan impak yang dimiliki oleh helm SNI tersebut.
2.2. Gerak Jatuh Bebas
Dua buah benda dengan berat yang berbeda bila dijatuhkan tanpa kecepatan awal dari ketinggian dan waktu yang sama, maka percepatan yang dialami oleh kedua benda tersebut adalah sama yakni sama dengan percepatan gravitasi bumi yang besarnya g = 9,81 m/s. Gerak jatuh bebas adalah gerak jatuh benda pada arah vertikal dari ketinggian h tertentu tanpa kecepatan awal (v0 = 0), jadi gerak benda hanya dipengaruhi oleh gravitasi bumi.
akan jatuh dalam waktu yang bersamaan. Dalam kehidupan kita sehari-hari mungkin kejadiannya lain.
Benda yang berbeda beratnya, akan jatuh dalam waktu yang tidak bersamaan. Hal ini dapat terjadi karena adanya gesekan udara. Percobaan di dalam tabung hampa udara membuktikan bahwa sehelai bulu ayam dan satu buah koin jatuh dalam waktu yang bersamaan.
Perpindahan adalah perubahan kedudukan. Hal ini merupakan besaran vektor mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kedudukan terhadap waktu. Hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan waktu.
Katakan V0 kecepatan awal, v kecepatan akhir, a percepatan, t waktu dan s perpindahan kecepatan pertengahan = perpindahan/waktu
... (2.1) Perpindahan digambarkan dengan luas daerah di bawah grafik kecepatan
waktu: a
t v = ∆ ∆ t t v v v ∆ ∆ +
= 0 ∴v=v0 +at
Penggantian (v0 + at) untuk v didalam persamaan (2.1.),
2 0 2 1 at t v
s = +
Penggatian (v – v0)/a untuk t didalam persamaam (2.1.), as
as
v
=
2
bila a = g dan s = H maka:gH
v
=
2
... (2.2)2.3. Beban Impak
Beban impak sering didefinisikan sebagai beban yang bekerja pada struktur dalam waktu yang sangat singkat, umumnya kurang dari 1 detik, bahkan hanya selama beberapa milidetik. Beberapa contoh beban impak adalah beban tekanan udara akibat bom, tembakan peluru, atau benturan benda pada struktur. Pada beberapa struktur, umumnya dengan alasan keamanan, struktur tersebut harus direncanakan terhadap beban impak yang mungkin terjadi selama umur rencana bangunan. Analisis struktur terhadap beban impak umumnya meliputi: prediksi besar dan lama pembebanan beban impak, analisis perilaku elemen struktur dan struktur secara keseluruhan terhadap beban impak, analisis kekuatan struktur terhadap beban impak.
2.3.1. Momentum dan Impuls
Setiap benda yang bergerak mempunyai momentum. Momentum juga dinamakan jumlah gerak yang besarnya berbanding lurus dengan massa dan kecepatan benda. Suatu benda yang bermassa m bekerja gaya F yang konstan, maka setelah waktu ∆t benda tersebut bergerak dengan kecepatan :
t
a
v
v
t=
0+
.
∆
t
m
F
v
0
.
.
.
t
m
v
m
v
F
∆
=
t−
... (2.3)Besaran F. ∆t disebut impuls sedangkan besarnya m.v yaitu hasil kali massa dengan kecepatan disebut momentum.
m.vt = momentum benda pada saat kecepatan vt m.v0 = momentum benda pada saat kecepatan vo
Momentum ialah hasil kali sebuah benda dengan kecepatan benda itu pada suatu saat. Momentum merupakan besaran vector yang arahnya searah dengan kecepatannya. Satuan dari mementum adalah kg m/det atau gram cm/det. Sedangkan impuls adalah hasil kali gaya dengan waktu yang ditempuhnya. Impuls merupakan besaran vector yang arahnya searah dengan arah gayanya. Perubahan momentum adalah akibat adanya impuls dan nilainya sama dengan impuls.
impuls = perubahan momentum ... (2.4)
Momentum sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai momentum yang dinyatakan dengan hasil kali massa benda dengan kecepatan benda.
Momentum = massa . kecepatan
v
m
M
=
.
... (2.5)Impuls sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai impuls yang dinyatakan dengan hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan waktu yang diberikan. Impuls = gaya x waktu
t
F
2.3.2. Hukum Gerakan Newton.
Hukum Pertama: “setiap benda akan memiliki kecepatan yang konstan kecuali ada gaya yang resultannya tidak nol bekerja pada benda tersebut. Berarti jika resultan gaya nol, maka pusat massa dari suatu benda tetap diam, atau bergerak dengan kecepatan konstan (tidak mengalami percepatan)”.
Dirumuskan secara matematis menjadi:
Jika ΣF = 0, maka ψ = 0 atau ψ = konstan ... (2.7) Hukum kedua : “Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dan searah dengan gaya itu dan berbanding terbalik dengan massa benda”.
Secara sistematis dirumuskan:
m F
a= ∑ atau ∑F =m.a ... (2.8)
Hukum gerakan ketiga: ”Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda kedua pun akan mengerjakan gaya terhadap benda pertama yang besarnya sam tetapi arahnya berlawanan”.
Secara sistematis dirumuskan:
... (2.9)
2.4. Tegangan Normal ( Normal Stress )
adalah intensitas gaya yang bekerja normal (tegak lurus) terhadap irisan yang mengalami tegangan, dan dilambangkan dengan σ (sigma). Bila gaya-gaya luar yang bekerja pada suatu batang sejajar terhadap sumbu utamanya dan potongan penampang batang tersebut konstan, tegangan internal yang dihasilkan adalah sejajar terhadap sumbu tersebut.
Gaya-gaya seperti itu disebut gaya aksial, dan tegangan yang timbul dikenal sebagai tegangan aksial. Konsep dasar dari tegangan dan regangan dapat diilustrasikan dengan meninjau sebuah batang prismatik yang dibebani gaya-gaya aksial (axial forces) P pada ujung-ujungnya. Sebuah batang prismatik adalah sebuah batang lurus yang memiliki penampang yang sama pada keseluruhan pajangnya. Untuk menyelidiki tegangan-tegangan internal yang ditimbulkan gaya-gaya aksial dalam batang, dibuat suatu pemotongan garis khayal pada irisan mn (Gambar 2.1.). Irisan ini diambil tegak lurus sumbu longitudinal batang. Karena itu irisan dikenal sebagai suatu penampang (cross section).
Tegangan normal dapat berbentuk: • Tegangan Tarik (Tensile Stress)
Apabila sepasang gaya tarik aksial menarik suatu batang, dan akibatnya batang ini cenderung menjadi meregang atau bertambah panjang. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tarik pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya.
• Tegangan Tekan (Compressive Stress)
Apabila sepasang gaya tekan aksial mendorong suatu batang, akibatnya batang ini cenderung untuk memperpendek atau menekan batang tersebut. Maka gaya tekan aksial tersebut menghasilkan tegangan tekan pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya.
Intensitas gaya (yakni, gaya per satuan luas) disebut tegangan (stress) dan lazimnya ditunjukkan dengan huruf Yunani σ (sigma). Dengan menganggap bahwa tegangan terdistribusi secara merata pada seluruh penampang batang, maka resultannya sama dengan intensitas σ kali luas penampang A dari batang. Selanjutnya, dari kesetimbangan benda yang diperlihatkan pada Gambar 2.1, besar resultan gayanya sama dengan beban P yang dikenakan, tetapi arahnya berlawanan. Sehingga diperoleh rumus :
...(2.10)
Dimana : = tegangan (N/m2)
2.5. Energi Mekanik
Energi mekanik pada suatu benda adalah gabungan dari energi petensial dan energi kinetik suatu benda. Energi potensial merupakan energi yang berkaitan dengan kedudukan suatu benda terhadap suatu titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan menjadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda. Secara sitematis dirumuskan:
h g m
Ep = . . ... (2.11)
dimana: Ep = energi potensial (J) m = massa benda (kg)
g = gravitasi bumi (9.8 m/s) h = tinggi jatuh benda (m)
Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerakan suatu benda. Jadi, setiap benda yang bergerak, dikatakan memiliki energi kinetik. Meski gerak suatu benda dapat dilihat sebagai suatu sikap relatif, namun penentuan kerangka acuan dari gerak harus tetap dilakukan untuk menentukan gerak itu sendiri. Persamaan energi kinetik adalah :
2 . 2 1 v m
Ek = ... (2.12)
Dimana : Ek = energi kinetik (joule)
m = massa benda (kg)
2.6. Pengukuran Kekuatan Helm
2.6.1. Uji Jatuh Bebas
Selama ini helm diuji menggunakan prosedur pengujian standard menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helm dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helm yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala lewat penetrasi.
2.7. Ansys Workbench V 12.1
Ansys Workbench merupakan aplikasi yang dapat mempermudah seorang Engineer untuk berinteraksi dengan ansys family solvers. Dengan menggunakan
aplikasi ini, dapat menghitung tekanan statis, tekanan dinamik, fluida, aerodinamik, laju aliran dan perhitungan-perhitungan lainnya yang sering dilakukan oleh seorang Engineer.
2.8. Helm Standar Nasional Indonesia ( SNI )
motor dapat dikelompokkan dalam beberapa kelompok yaitu helm separuh kepala (half face), tiga perempat (open face) dan penuh (full face).
Helm yang memberikan perlindungan yang paling baik adalah helm penuh karena seluruh kepada dilindungi dari benturan. Inti mekanisme perlindungan helm adalah penyerapan energi momentum yang diterima ke seluruh bagian helm. Oleh karenanya meski terdapat berbagai 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. Helm dikatakan SNI apabila helm tersebut telah memiliki logo SNI. Logo SNI pada helm keluaran terbaru sudah dibuat timbul, beda dengan helm dulu yang menggunakan stiker sehingga gampang di copot ataupun luntur, tetapi logo SNI yang timbul tidak bisa luntur. Logo SNI yang timbut diperlihatkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Logo SNI pada helm
BAB 3
METODE PENELITIAN
Bab ini berisikan metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini. Penelitian ini terdiri dari berberapa tahapan yaitu waktu dan tempat, alat dan bahan, prosedur pengujian dan distribusi tegangan akibat beban dinamik dengan menggunakan sofware Ansys V 12.1. Pengujian dilakukan menggunakan metode impak jatuh bebas dan simulasi dengan menggukan software Ansys V 12.1. Pada pengujian eksperimental dengan metode impak jatuh bebas menggunakan software DAQ For Helmet Impact Testing untuk mengelola data akusisi yang diperoleh dari load cell. Untuk mendapatkan data tersebut dilakukan tahapan-tahapan seperti helm dipasang pada test rig lalu diatur ketinggian yang diinginkan kemudian helm dijatuhkan ke bawah menuju anvil. Setelah helm menyentuh anvil maka gaya yang diterima oleh helm akibat beban impak tersebut terlihat pada layar komputer.
3.1. Tempat dan Waktu
3.1.1 Tempat
Penelitian ini dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
3.1.2 Waktu
3.2 Bahan dan Alat
3.2.1. Bahan
Penelitian ini menggunakan helm sepeda motor SNI yang dapat dilihat pada gambar 3.1. Helm jenis ini banyak di jual dipasaran dan digunakan oleh pengguna sepeda motor. Helm ini telah dikategorikan helm Standar Nasional Indonesia karena telah memiliki logo SNI pada bagian belakang helm. Helm yang digunakan pada pengujian ini yaitu helm jenis open face. Dikatakan helm open face karena bentuk helm ini hanya memberikan perlindungan maksimal dibagian
belakang kepala saja.
(a) (b) (c) (d)
(a) tampak depan, (b) tampak samping, (c) tampak belakang, dan (d). tampak atas Gambar 3.1. Helm sepeda motor SNI
Secara umum bahan atau material utama helm adalah polypropylene. Polypropylene merupakan salah satu polimer termoplastik yang sangat luas digunakan dalam industri moulding, synthetics fibre dan lain-lain. Kelebihan dari polypropylene adalah memiliki kemampuan tahan benturan, tahan terhadap radiasi
Polypropylene komersial merupakan isotaktik dan memiliki
menengah di antara polietilena berdensitas rendah dengan polietilena berdensitas tinggi dan modulus Young nya juga menengah. Besar dari modulus elastisitasnya yaitu berkisar antara 1,5 - 2 GPa. Melalui penggabungan partikel karet, Polypropylene bisa dibuat menjadi liat serta fleksibel, bahkan di suhu yang rendah. Hal ini membolehkan Polypropylene digunakan sebagai pengganti berbagai plastik teknik, sepertiPolypropylene memiliki permukaan yang tak rata, seringkali lebih kaku daripada beberapa plastik yang lain, lumayan ekonomis, dan bisa dibuat translusen (bening) saat tak berwarna tapi tidak setransparan buram dan/atau berwarna-warni melalui penggunaan pigmen, Polypropylene memiliki resistensi yang sangat bagus terhadap kelelahan (bahan). Polypropylene memiliki titik lebur ~160 °C (320 °F), sebagaimana yang ditentukan Differential Scanning Calorimetry (DSC).
3.2.2 Peralatan
Penelitian ini menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna yang diperlihatkan pada gambar 3.2. Pada alat uji jatuh bebas multiguna ini, terdapat sebuah loadcell yang telah dikalibrasi hingga beban sebesar 3500 kg. Pada alat uji jatuh bebas ini terdapat delapan sensor proximity yang ditempatkan pada ketinggian 0 m sampai dengan 4 m dengan jarak antara sensor sejauh 0,5 m.
Gambar 3.2. Perangkat Alat Uji Jatuh Bebas
Alat uji jatuh bebas ini terdiri dari beberapa bagian, yaitu : a. Rangka bawah
[image:36.595.119.497.87.351.2]Rangka bawah dari alat uji jatuh bebas ini diperlihatkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3. Rangka Bawah
Keterangan gambar : 1. Frame base 2. Support table 3. Loadcell 4. Teflon base 5. Bottom base
6. Ball end penetrator 7. Anvill support 8. Anvil
b. rangka atas
Rangka atas berfungsi sebagai tempat dipasangnya katrol dan juga untuk menjaga kestabilan alat uji jatuh bebas. Rangka atas diperlihatkan pda gambar 3.4.
Gambar 3.4. Rangka Atas
c. Katrol
Katrol yang digunakan pada alat uji jatuh bebas ini, terbuat dari aluminium. Fungsi dari katrol ini yaitu untuk menarik test rig hingga mencapai ketinggian yang diinginkan. Katrol tersebut dipasang pada rangka atas alat uji jatuh bebas. Katrol yang dipergunakan diperlihatkan pada gambar 3.5.
d. Pipa Penyangga
Pipa penyangga adalah sebagai tiang utama yang berfungsi untuk membuat alat uji jatuh bebas tersebut menjadi kokoh. Pipa penyangga dapat dilihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6. Pipa Penyangga e. Pipa luncur
Pipa luncur berfungsi sebagai rel ataupun tempat jalannya test rig. Pipa luncur terbuat dari bahan stainless steel. Pipa luncur tersebut dibuat sehalus mungkin yang bertujuan untuk mengurangi gesekan antara pipa luncur dengan test rig. Adapun gambar dari pipa luncur diperlihatkan pada gambar 3.7.
f. Pegas peredam
[image:39.595.231.401.494.637.2]Pegas peredam berfungsi untuk meredam hentakan pada saat pengujian berlangsung. Pegas peredam diperlihatkan pada gambar 3.8.
Gambar 3.8. Pegas Peredam
g. Test Rig
Test rig ini berfungsi sebagai tempat helm dipasangkan pada saat melakukan pengujian. Test rig dapat dilihat pada gambar 3.9.
Gambar 3.9. Test Rig h. landasan (anvil)
mengalami kecelakaan. Pada pengujian impak jatuh bebas, menggunakan tiga jenis anvil, yaitu anvil peluru, anvil plat datar dan anvil setengah lingkaran sepergti yang terlihat pada gambar 3.10.
Anvil peluru di design menyerupai bentuk batu yang runcing yang memiliki sudut yang kecil. Anvil plat datar di design menyerupai bentuk jalan yang datar, sedangkan anvil setengah lingkaran di design menyerupai batu yang memiliki ukuran yang lebih besar.
(1) (2) (3) (1) anvil peluru, (2) anvil plat datar, (3) anvil setengah lingkaran
Gambar 3.10. Landasan (anvil)
i. Loadcell (Alat Pengukur beban dan gaya Impak)
• Alat yang terlihat pada gambar 3.11. Ini berfungsi sebagai alat penerima beban dan pengukur gaya impak.
• Merupakan sebuah sensor gaya yang bekerja menggunakan strain gage full bridge dengan tahanan SG 350 ohm
• Kapasitas maksimum loadcell yang dipergunakan pada penelitian ini sebesar 30.000 kg beban statis.
• Untuk pemakaian pada program DAQ sistem dikalibrasi sebesar 3.500 kg.
Gambar 3.11. Loadcell
j. Ball End Penetrator
Ball end penetrator dapat dilihat pada gambar 3.12.
Gambar 3.12. Ball End Penetrator k. Anvil Support
Anvil support dapat dilihat pada gambar 3.13. Anvil support berfungsi sebagai tempat dipasangnya berbagai jenis anvil yang digunakan selama meakukan pengujian.
l. Ring Stopper
Ring stopper ini berfungsi untuk mengikat anvil support agar tidak bergesar bahkan sampai lepas pada saat proses pengujian berlangsung. Gambar ring stopper diperlihatkan pada gambar 3.14.
Gambar 3.14. Ring Stopper
Pada gambar 3.15 berikut ini akan diperlihatkan susunan alat pengukur beban (Loadcell), mulai dari Loadcell, karet peredam, Ball End Penetrator dan Anvil Support serta Ring Stopper.
Keterangan gambar 1. Loadcell 2. Karet peredam
1 3
2 5
3. Anvil Support 4. Ring stopper 5. Ball End Penetrator
Gambar 3.15. Posisi peletakan unvil Support dan loadcell
m.Teplon Base
Teplon Base ini berfungsi sebagai peredam, agar tidak terjadi kontak
langsung antara Loadcell dengan Bottom base. Teplon base diperlihatkan pada gambar 3.16.
Gambar 3.16. Teplon Base
n. Bottom Base
Bottom base ini berfungsi sebagai alas dasar dari perangkat alat Loadcell. Gambar bottom base diperlihatkan pada gambar 3.17.
o.Sensor
Sensor ini berfungsi untuk mendeteksi ketinggian helm saat helm bergerak menuju anvil. Pada alat uji jatuh bebas ini, sensor diletakkan pada ketinggian 0,5m, 1m, 1,5m, 2m, 2,5m, 3m, 3,5m dan 4m. Sensor yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.18.
Gambar 3.18. Sensor
p. Pemegang Sensor
Alat ini berfungsi sebagai tempat dudukan dari sensor. Alat ini dapat dilihat pada gambar 3.19.
Gambar 3.19 Pemegang Sensor
3.2.2.1 DAQ Labjack U3-LV
itu alat ini juga dapat merekam data Aqusisi dari Loadcell yang akan dirubah menjadi data di komputer, sehingga diperoleh hasil grafik dari pengujian tersebut. Signal conditioning dan programable amplifier adalah rangkaian elektronik
presisisi tinggi menggunakan IC AD524 dan AD584 untuk mengkondisikan signal elektrik dari loadcell dan diperbesar sampai 1000x. Rangkaian ini dilengkapi dengan programable Excitation voltage (2,5 volt, 5 volt dan 10 volt). Tegangan masukan untuk amplifier adalah -15 vdc, 0, +15vdc. Output amplifier 0-10 vdc.
Gambar 3.20. DAQ Labjack U3-LV 3.2.2.2 Komputer
Komputer berfungsi untuk mengolah data digital yang telah dihasilkan dari labjack menjadi data akusisi dan data dalam bentuk grafik. Gambar dari komputer ataupun laptop diperlihatkan pada gambar 3.21.
3.3 Variabel Penelitian.
Dalam penelitian helm SNI sepeda motor yang dikenai beban impak dengan menggunakan metode jatuh bebas ini, dilakukan hanya pada helmet sepeda motor standard SNI dengan variabel ketinggian yang diamati adalah sebagai berikut:
Jarak pengimpakan helm sepeda motor terhadap anvil adalah 4m.
Distribusi tegangan yang terjadi pada permukaan helm sepeda motor SNI setelah dikenai beban impak.
Besar kekuatan material helm terhadap beban impak jatuh bebas yang diberikan.
3.4 Akusisi Data
Pada loadcell terdapat strain gauge. Pada saat loadcell menerima beban maka strain gauge tersebut mengalami perubahan panjang yang dapat menghasilkan tegangan tetapi masih dalam ukuran yang sangat kecil. Tegangan tersebut diteruskan ke signal conditioning . Pada alat ini tegangan yang diterima dari loadcell diperbesar. Karena signal conditioning berfungsi untuk menguatkan tegangan. Namun tegangan yang ada diperkuat oleh signal conditioning masih berupa data analog, Oleh karena itu maka tegangan tersebut diteruskan ke analog digital convector ( ADC ) . Pada alat ini data analog tersebut diubah menjadi data
3.5 Prosedur Pengujian
Pada pengujian ini, titik impak pengujian dilakukan pada 2 titik yang berbeda, yaitu pada bagian samping dan bagian atas helm. Alasan memilih pada bagian ini, karena diasumsikan pada daerah itu lah pengendara sepeda motor sering mengalami benturan. Tetapi tidak menutup kemungkinan untuk melakukan pengujian pada titik-titik lainnya.
Prosedur pengujian pada penelitian ini secara rinci dijelaskan sebagai berikut :
• Hubungkan semua koneksi : loadcell, sensor posisi, kabel USB dan power DAQ Labjack U3-LV.
• Aktifkan software DAQ For Helmet Impact Testing dari icon yang ada di desktop.
• Persiapkan peralatan uji jatuh bebas dan pastikan bahwa loadcell dan dudukan loadcell sudah terpasang dengan baik begitu juga dengan anvil support pada gambar 3.22.
Gambar 3.22. Pemasangan Loadcell dan anvil support
Gambar 3.23. anvil
• Pasangkan helm yang akan diuji gambar 3.24. pada test rig
Gambar 3.24. Posisi helmet pada test rig
• Tentukan posisi jarak keinggian jatuh helm yang inginkan.Disini ketinggian yang kita gunakan adalah 4m dan pastikan sensor proximity berfungsi aktif pada gambar 3.25.
[image:48.595.232.392.499.715.2]• Tekan button START pada software DAQ For Helmet Impact Testing • Setelah menentukan jarak ketinggian dan memastikan bahwa sensor
proximity sudah berfungsi, maka helm akan kita jatuhkan dengan melepas tali penahan luncuran helm.
• Tekan button STOP setelah beberapa saat helm menumbuk anvil.
• Tekan button SAVE untk menyimpan data hasil uji ke dalam file berformat txt dan akan tersimpan dalam Drive C Folder DATAEXP
(data experiment).
• Lalu data hasil pengujian tersebut kita olah dengan menggunakan program software MS-Excel.
1
2
1. Komputer 2. Daq Labjack 3. Load Cell 4. Tes Rig 5. Helm 6. Sensor
Gambar 3.26. Setup Alat Uji Jatuh Bebas
3.6 Distribusi Tegangan Akibat Beban Dinamik melalui Simulasi Komputer
Penyelidikan distribusi tegangan pada helm sepeda motor SNI dilaksanakan di IC-STAR USU. Adapun software yang digunakan adalah ANSYS 12.1 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. Data-data yang dimasukkan kedalam simulasi diambil dari
data-data pengujian eksperimental. Untuk penjelasan langkah lebih lanjut sebagai berikut :
1. Ansys Workbench
Aktifkan menu ANSYS Workbench dengan klik icon ANSYS Workbench pada program ANSYS.
Select Static Structural (ANSYS) dari toolbox, dan double klik Static Structural pada icon tersebut ,lalu double klik pada project
2. Engineering Data
Engineering data material dapat diedit sesuai dengan masukan data yang diinginkan dengan double klik pada Engineering Data
atau dengan klik kanan pada bagian engineering data dan select edit. Dalam simulasi ini material yang digunakan yaitu Polypropylene. Caranya klik toolbox ‘General Materials’, kemudian pilih material Polypropylene
Setelah data diisi klik Icon “Return to Project” pada main menu.
3. Geometry
Membuat desain gambar dan geometri dilakukan dengan cara Doubleklik
pada menu geometri atau Right klik mouse untuk mengimport geometri dan gambar dari directori lain. Seperti pada gambar 3.27 dan gambar 3.28. Permodelan helm yang di import kedalam software Ansys terlebih dahulu di design dengan menggunakan software Solidwork, tujuannya untuk mempermudah
[image:51.595.171.449.474.704.2]dalam hal menggambar model helmnya.
Gambar 3.28 Gambar model
4. Mechanical
Double klik pada menu model untuk masuk dalam Ansys Workbench Mechanical atau Right klik lalu pilih edit. Lihat pada gambar 3.29 dan pilih units menu ke dalam Matric.
[image:52.595.132.482.474.718.2]Setelah itu, pilih dan tentukan jenis material dari masing-masing model tersebut seperti pada gambar 3.30.
Gambar 3.30 Jenis material model
5. Mesh
[image:53.595.165.463.509.710.2]Right klik toolbar mesh, kemudian pilih generate mesh, seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.31. Untuk hasil meshingnya diperlihatkan pada gambar 3.32.
Gambar 3.32 hasil mesh
6. Analysis Setting
Masukkan nilai waktu analisa sebesar 1E-3 detik dan minimal CFL Step = 1E-7. Lalu set solve unit ke mm,mg,ms seperti pada gambar 3.33.
[image:54.595.188.428.499.716.2]7. Menentukan Fix Support
Pilih toolbar fix support kemudian tentukan bagian yang ingin di fix support, seperti terlihat pada gambar 3.34.
Gambar 3.34 Fixed support
8. Menentukan kecepatan velocity
Menentkan kecepatan velocity dapat dilakukan pada bagian helm dengan cara klik Right Mouse di Explicit Dynamics (A5) pada bagian menu Mechanical workbench lalu pilih velocity kemudian tentukan besar velocitynya dan select/atau pilih body/gambar paling atas, kemudian Apply, lihat gambar 3.35.
9. Solution
[image:56.595.112.508.191.447.2]Untuk mendapatkan hasil simulasi maka right klik pada menu solution, kemudian pilih solusi yang ingin dicari seperti yang terlihat pada gambar 3.36.
Gambar 3.36 solusi yang diinginkan
10. Solve
Setelah memilih toolbar solve berarti keseluruhan pengerjaan analisa dinamik dengan software ANSYS telah selesai, pada tahap ini tentunya akan memakan waktu yang relatif lama oleh computer untuk melakukan komputasi perhitungan secara Finite Elemen Method (FEM).
3.7 Kerangka Kegiatan
Gambar 3.37. Kerangka Kegiatan Pengujian
kesimpulan
Uji laboratorium
Uji impak jatuh
bebas
hasil
Simulasi numerik
ansys (dinamik)
Studi literatur
Penyiapan alat dan bahan
mulai
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Pendahuluan
Pada bab ini dibahas mengenai data-data hasil pengujian impak jatuh bebas dengan objek helm sepeda motor SNI. Anvil (landasan) yang digunakan adalah anvil jenis peluru, plat datar, dan setengah lingkaran yang telah dijelaskan pada bab-bab sebelumnya. Hasil penelitian ini, diambil dari dua titik pengujian yg berbeda, yaitu pada bagian atas helm dan pada bagian samping helm. Alasan pengujian dilakukan pada dua titik tersebut karena daerah pada permukaan helm yang biasa terjadi bentukan adalah pada bagian tersebut. Selanjutnya data-data hasil pengujian yang berupa gaya dikonversikan ke dalam tegangan berdasarkan luas daerah pembebanan.
Sementara tegangan yang terjadi pada setiap pengujian bergantung kepada luas permukaan daerah pembebanan. Selain itu juga mendapatkan besarnya energi potensial yang diterima oleh helm tersebut. Energi yang diserap helm tersebut bergantung kepada posisi ketinggian jatuh helm ke anvil yang diaplikasikan.
Tegangan dan energi potensial yang terjadi akibat beban impak dapat diukur dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna yang ada pada Pusat Riset Impak dan keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
maksimum (von Mises). Selanjutnya perbandingan energi potensial yang dihasilkan pada tiap-tiap kondisi pengujian menjadi data pendukung hasil pengujian.
4.2. Pengukuran Gaya Impak dan Respon Tegangan Secara Eksperimental
Gaya atau beban impak yang diterima oleh helm setelah dikenai beban impak jatuh bebas direkam dan diperlihatkan dengan menggunakan software DAQ For Helmet Impact Testing. Sementara tegangan yang terjadi pada setiap
pengujian bergantung kepada luas permukaan daerah pembebanan. Energi yang diserap helm bergantung kepada posisi ketinggian jatuh helm ke anvil yang diaplikasikan. Sedangkan untuk besarnya luas daerah impak yaitu daerah yang bersentuhan langsung antara helm dengan anvil yang digunakan seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.1.
4.2.1 Anvil Plat Datar
Pada pengujian ini ketinggian helm yang diberikan sejauh 4 m. Pengujian ini dilakukan pada dua titik yang berbeda, yaitu pada bagian atas helm dan bagian samping helm. . Luas daerah pembebanan pada jenis anvil plat datar posisi atas helm adalah sebesar 153,86 mm2, sedangkan luas penampang posisi samping helm adalah sebesar 153,86 mm2.
[image:61.595.130.496.357.640.2]Dengan demikian, kita bisa membandingkan kekuatan helm di dua titik yang berbeda tersebut. Grafik gaya impak hasil pengujian dengan anvil plat datar ditunjukkan pada gambar 4.2 dan 4.3.
Gambar 4.3. Hasil uji impak dengan anvil plat datar, posisi samping helm tidak rusak
[image:62.595.146.482.90.328.2]Data gaya dan tegangan untuk pengujian dengan menggunakan anvil plat datar diperlihatkan pada tabel 4.1. Untuk mendapatkan besarnya tegangan yang diterima oleh helm, digunakan rumus yaitu dengan cara gaya maksimum yang diterima oleh helm dibagi dengan luas daerah impak yang terjadi pada permukaan helm.
Tabel 4.1. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil jenis plat datar.
Posisi Helm Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Tegangan (MPa)
Keterangan
samping 4 654,033 4,251 Tidak rusak
[image:63.595.127.502.420.706.2]Berdasarkan gambar 4.2 dan 4.3 serta data-data pada tabel 4.1 terlihat bahwa gaya impak yang mampu diserap helm pada dua titik pengujian dengan ketinggian impak 4m adalah berbeda . Pada pengujian di bagian samping helm, gaya impak yang diterima oleh helm lebih besar daripada pengujian di bagian atas helm. Namun tegangan yang diterima helm lebih besar pada bagian atas dikarenakan luas daerah impak pada bagian samping helm lebih besar dibanding dengan bagian atas helm. Walaupun berbeda, pada kedua pengujian tersebut tidak menyebabkan kerusakan pada helm. Untuk grafik tegangan yang terjadi pada helm tersebut dapat dilihat pada gambar 4.4 dan 4.5.
Gambar 4.5. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat datar, posisi samping helm
Untuk mendapatkan besarnya impuls yang terjadi yaitu dengan cara gaya impak yang terjadi dikalikan dengan waktu impaknya. Untuk waktu impak (∆t) dan impuls yang terjadi pada anvil plat datar ditunjukkan pada tabel 4.2 dan Grafik implusnya diperlihatkan pada gambar 4.6.
Tabel 4.2. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil plat datar.
Posisi
Ketinggian
(m) Fmaks (N) ∆t (ms) Impuls (N.s)
Atas 4 565,65 94 53,171
(a) (b)
Gambar 4.6. Grafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas helm sepeda
motor SNI dengan anvil plat datar (a) atas dan (b) samping.
4.2.2 Anvil Setengah Lingkaran
Gambar 4.7. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran, posisi atas helm,tidak rusak
Gambar 4.8. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran, posisi samping helm,tidak rusak
Data gaya dan tegangan untuk pengujian dengan menggunakan anvil setengah lingkaran diperlihatkan pada tabel 4.3. Untuk mendapatkan besarnya tegangan yang diterima oleh helm yaitu dengan cara gaya impak dibagi dengan luas penampang pembebanannya.
Posisi Helm
Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Tegangan (MPa)
Keterangan
Atas 4 627,448 4,078 Tidak rusak
samping 4 512,573 3,331 Tidak rusak
[image:67.595.126.504.408.646.2]Untuk grafik tegangan yang diterima oleh helm dengan menggunakan anvil setengah lingkaran diperlihatkan pada gambar 4.9 dan 4.10. Besarnya tegangan yang diterima helm pada bagian atas lebih besar dibandingkan dengan tegangan yang diterima helm pada bagian samping helm. Ini dipengaruhi karena luas daerah pembebanan pada bagian samping lebih besar dibandingkan pada bagian atas helm.
Gambar 4.10. Tegangan yang dihasilkan anvil setengah lingkaran, posisi samping helm
[image:68.595.143.483.89.345.2]
Data waktu dan impuls yang terjadi pada anvil jenis setengah lingkaran untuk masing-masing pengujian diperlihatkan pada tabel 4.4 dan gambar 4.10.
Tabel 4.4. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil setengah lingkaran.
Posisi Ketinggian (m) Fmaks (N) ∆t (ms) Impuls (N.s)
Atas 4 627,448 94 58,98
(a) (b)
Gambar 4.11. Grafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas helm sepeda
motor SNI dengan anvil setengah lingkaran (a) atas dan (b) samping.
4.2.3 Anvil Peluru
Gambar 4.12. Hasil uji impak dengan anvil peluru, posisi atas helm, rusak
[image:70.595.141.488.403.663.2]Gambar 4.14. kerusakan helm SNI dengan menggunakan anvil peluru
[image:71.595.193.430.110.352.2]Data gaya dan tegangan untuk pengujian dengan menggunakan anvil peluru diperlihatkan pada tabel 4.5.
Tabel 4.5. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil jenis peluru.
Posisi Helm Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Tegangan (MPa)
Keterangan
Atas 4 415,355 8,267 Rusak
samping 4 415,355 8,267 Rusak
menggunakan anvil plat datar dan anvil plat peluru, gaya impak maksimum yang diterima oleh helm relatif lebih kecil. Namun pada pengujian ini helm mengalami kerusakan. Kerusakan pada helm diakibatkan karena luas daerah impak yang terjadi dengan menggunakan anvil plat peluru lebih kecil dibandingkan dengan menggunakan anvil yang lainnya, sehingga pada pengujian dengan menggunakan anvil peluru terjadi konsentrasi ataupun pemusatan tegangan pada permukaan helm yang mengakibatkan helm mengalami kerusakan. Grafik tegangan yang terjadi pada helm dapat dilihat pada gambar 4.15 dan 4.16.
Gambar 4.16. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil peluru, posisi samping helm
Data waktu dan impuls yang terjadi pada pengujian dengan menggunakan anvil peluru yaitu sebesar 58,56 N.s dan 64,79 N.s. Untuk tabel dan grafiknya diperlihatkan pada tabel 4.6 dan gambar 4.17.
[image:73.595.147.482.90.341.2]
Tabel 4.6. Data waktu impak (∆t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil peluru.
Posisi Ketinggian (m) Fmaks (N) ∆t (ms) Impuls (N.s)
Atas 4 415,355 141 58,56
(a) (b) Gambar 4.17. Grafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas helm
sepeda
motor SNI dengan anvil peluru (a) atas dan (b) samping.
Dari hasil pengujian eksperimental, tegangan impak yang diteima helm semuanya dibawah 2,5 KN. Dimana syarat pada pengujian helm SNI, gaya impak maksimum yang diterima helm tidak boleh lebih dari 2,5 KN.
4.3. Penyerapan Energi Impak
Pada pengujian ini ketinggian helm terhadap berbagai jenis anvil sama yaitu sejauh 4m. Energi yang diterima helm berbanding lurus dengan gaya impak yang diterima oleh helm, artinya semakin besar gaya impak yang diterima helm, maka energi yang diserap helm juga besar. Jadi untuk mendapatkan besarnya energi yang diterima oleh helm yaitu besarnya gaya impak yang diterima helm dikalikan dengan ketinggian jatuhnya.
Pada pengujian dengan menggunakan anvil jenis plat datar gaya impak yang diterima oleh helm pada posisi atas dan samping yaitu 565,645 N dan 654,033 N. Besarnya engergi impak yang diterima helm dengan menggunakan jenis anvil ini diperlihatkan pada gambar 4.18 dan 4.19.
Gambar 4.18. Energi yang diterima helm dengan anvil datar, posisi atas helm
Tabel 4.7. Data energi impak (J) yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil plat datar.
Posisi Helm Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Energi (J)
atas 4 565,645 2262,58
samping 4 654,033 2616,13
4.3.2. Anvil Setengah Lingkaran
Pada pengujian dengan menggunakan anvil jenis plat setengah lingkaran gaya impak yang diterima oleh helm pada posisi atas dan samping yaitu 627,448 N dan 512,573 N. Besarnya engergi impak yang diterima helm dengan menggunakan jenis anvil ini diperlihatkan pada gambar 4.20 dan 4.21.
Gambar 4.21. Energi yang diterima helm dengan anvil setengah lingkaran, posisi samping
[image:77.595.146.480.87.324.2]Untuk data energi impak yang diterima helm dengan menggunakan anvil setengah lingkaran diperlihatkan pada tabel 4.8.
Tabel 4.8. Data energi impak (J) yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil setengah lingkaran.
Posisi Helm Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Energi (J)
atas 4 627,447 2509,79
samping 4 512,572 2050,29
Pada pengujian dengan menggunakan anvil jenis plat setengah lingkaran gaya impak yang diterima oleh helm pada posisi atas dan samping yaitu 415,355 N dan 415,355 N. Besarnya engergi impak yang diterima helm dengan menggunakan jenis anvil ini diperlihatkan pada gambar 4.22 dan 4.23.
Gambar 4.22. Energi yang diterima helm dengan anvil peluru, posisi atas helm
Untuk data energi impak yang diterima helm dengan menggunakan anvil peluru diperlihatkan pada tabel 4.9.
Tabel 4.9. Data energi impak (J) yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil peluru.
Posisi Helm Ketinggian (m)
Gaya Maksimum (N)
Energi (J)
atas 4 415,355 1661,422
samping 4 415,355 1661,422
4.4 Simulasi Ansys
Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar kekuatan impak yang diterima oleh helm selanjutnya hasil pengujian secara simulasi dibandingkan dengan pengujian yang dilakukan secara eksperimental. Pada pengujian dengan simulasi ansys ini, solusi ataupun hasil akhir simulasi yang diinginkan adalah deformasi, tujuannya untuk mengetahui permukaan helm yang mengalami perubahan bentuk yang paling besar, regangan yang bertujuan untuk mengetahui perubahan panjang yang dialami oleh helm, dan yang terakhir tegangan yang terjadi pada permukaan helm sehingga helm tersebut mengalami perubahan bentuk bahkan sampai mengalami kerusakan.
Hasil akhir yang didapat dengan menggunakan software ansys ini tidak hanya untuk mendapatkan deformasi, regangan dan tegangan saja, tetapi masih banyak lagi yang dapat dicari dengan menggunakan software ini.
Untuk mengetahui distribuasi tegangan dan regangan pada sisi atas helm SNI, yang terjadi akibat beban dinamik dapat disimulasikan dengan menggunakan program ANSYS 12.1 Workbench. Data-data yang dimasukkan pada saat melakukan simulasi ansys di ambil dari data pengujian eksperimental. Dengan memberikan nilai kecepatan gravitasi (velocity) 9 m/s, diperoleh hasil seperti pada gambar 4.24, 4.25 dan 4.26.
Gambar 4.25. Simulasi tegangan uji tekan dinamik sisi atas
Gambar 4.26. Simulasi regangan uji tekan dinamik sisi atas
Gambar 4.27. Simulasi deformasi uji tekan dinamik sisi samping
[image:82.595.152.471.399.648.2]Gambar 4.29. Simulasi regangan uji tekan dinamik sisi samping
Hasil simulasi (gambar 4.27) diperoleh total deformasi yang terjadi yaitu sebesar 9,748 mm, dan hasil tegangan maksimum pada pada sisi atas helm SNI ialah 3,946 MPa yang diperlihatkan pada gambar 4.28, dengan regangan maksimum 0,039 (gambar 4.29).
4.4.2 Anvil Plat Peluru
Gambar 4.30. Simulasi deformasi tekan dinamik sisi atas
Gambar 4.31. Simulasi tegangan tekan dinamik sisi atas
Gambar 4.32. Simulasi regangan tekan dinamik sisi atas
ialah 8,259 MPa yang diperlihatkan pada gambar 4.31, dengan regangan maksimum 1,667 (gambar 4.32).
Untuk mengetahui distribuasi tegangan pada sisi samping helm SNI, dengan memberikan nilai kecepatan gravitasi (velocity) 9 m/s, diperoleh hasil seperti pada gambar 4.33, 4.34, dan 4.35 .
Gambar 4.34. Simulasi tegangan tekan dinamik sisi samping
Hasil simulasi (gambar 4.33) diperoleh total deformasi yang terjadi yaitu sebesar 49,559 mm, dan hasil tegangan maksimum pada pada sisi atas helm SNI ialah 9,287 MPa yang diperlihatkan pada gambar 4.34, dengan regangan maksimum 1,826 (gambar 4.35).
4.4.3 Anvil Setengah Lingkaran
Untuk mengetahui distribuasi tegangan dan regangan pada sisi atas helm SNI, yang terjadi akibat beban dinamik dapat disimulasikan dengan menggunakan program ANSYS 12.1 Workbench. dengan memberikan nilai kecepatan gravitasi (velocity) 9 m/s, diperoleh hasil seperti pada gambar 4.36, 4.37, dan 4.38 .
Gambar 4.37. Simulasi tegangan tekan dinamik sisi atas
Gambar 4.38. Simulasi regangan tekan dinamik sisi atas
Untuk mengetahui distribuasi tegangan pada sisi samping helm SNI, dengan memberikan nilai kecepatan gravitasi (velocity) 9 m/s, diperoleh hasil seperti pada gambar 4.39, 4.40, dan 4.41 .
Gambar 4.39. Simulasi deformasi tekan dinamik sisi samping
Gambar 4.41. Simulasi regangan tekan dinamik sisi samping
Hasil simulasi (gambar 4.39) diperoleh total deformasi yang terjadi yaitu sebesar 12,099 mm, dan hasil tegangan maksimum pada pada sisi atas helm SNI ialah 3,4737 MPa yang diperlihatkan pada gambar 4.40, dengan regangan maksimum 0,034 (gambar 4.41).
Untuk data hasil keseluruhan pengujian secara eksperimental dan juga dengan cara simulasi dengan Ansys V.12.1 diperlihatkan pada tabel 4.10 dan 4.11. Jadi dengan tabel tersebut kita dapat membandingkan tegangan hasil pengujian secara eksperimental dengan tegangan yang dihasilkan dengan cara simulasi.
