ANALISIS SIMULASI STRUKTUR CHASSIS MOBIL MESIN
USU BERBAHAN BESI STRUKTUR TERHADAP BEBAN
STATIK DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK
ANSYS 14.5
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ARY FADILA NIM.080401077
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia yang
diberikan kepada Penulis sehingga dapat menyelesaikan laporan skripsi ini dengan
judul “ Analisis Simulasi Struktur Chassis Mobil Mesin USU Berbahan Besi Struktur Terhadap Beban Statik dengan Menggunakan Perangkat Lunak Ansys 14.5 ”.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap
mahasiswa untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Regular
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam proses
pengerjaan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi,
pengetahuan, data-data, dan lain-lain. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis
menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah banyak memberi masukan serta membina saya selama
mengerjakan penelitian ini.
Bapak Dr. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU beserta
seluruh Dosen dan Staf administrasi.
Bapak Ir. Tugiman K, MT dan Bapak Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen pembanding yang telah memberikan masukan dalam penyusunan skripsi
ini.
Seluruh teman – teman stambuk 2008, terkhusus teman – teman tim Horas yang telah jatuh bangun dan berjuang bersama dalam membuat mobil
Mesin USU.
Dan khususnya penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya
kepada Kedua orangtua penulis, Ayahanda Suryadi dan Ibunda Ila Sabirin yang
telah memberikan do’a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga
saudara-saudara penulis kakak Hera Juwita, adik Ersa Sabila, dan seluruh
keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan dan motivasi selama
Penulis sangat menyadari bahwa dalam laporan hasil penelitian ini masih
jauh dari kesempurnaan, untuk itu saran dan komentar sangat diperlukan sehingga
dapat memperbaiki penelitian ini untuk semakin membaik.
Terima kasih atas segala bantuan baik secara moril maupun materil, baik
secara langsung ataupun tidak langsung kepada semua pihak yang telah
berkontribusi dalam penulisan laporan hasil penelitian ini.
Medan, Maret 2013
Penulis,
ARY FADILA
ABSTRAK
Merancang chassis perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui kekuatan chassis pada mobil Mesin USU pada saat driver berada di dalamnya. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi chassis pada mobil Mesin USU I dan mobil Mesin USU II apabila mengalami pembebanan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu: pemodelan chassis dengan perangkat lunak SolidWorks Premium 2011 dan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5. Setelah melakukan simulasi dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 0,96 mm, defleksi ground clearence = 0,6415 mm, tegangan maksimum = 22,563 Mpa, regangan
maksimum = 11,65e-5 mm/mm. Dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU
II didapat defleksi maksimum = 3,29 mm, defleksi ground clearence = 2,236 mm,
tegangan maksimum = 53,217 Mpa, regangan maksimum = 26,71e-5 mm/mm.
Dengan beban 25 kN terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 31,542 mm, defleksi ground clearence = 21,682 mm, tegangan maksimum =
741,59 MPa, regangan maksimum = 371,12e-5 mm/mm. Dengan beban 3,8 kN
terhadap chassis Mesin USU II didapat defleksi maksimum = 17,074 mm, defleksi ground clearence = 11,582 mm, tegangan maksimum = 277,64 MPa, regangan
maksimum = 139,39e-5 mm/mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah efek dari
pembebanan chassis dapat diketahui melalui simulasi dengan perangkat lunak Ansys dengan pemodelan geometry gambar yang benar.
Kata kunci: Analisis Simulasi, defleksi maksimum, defleksi ground
ABSTRACT
Chassis designing needs to be analized by finite element simulation to get the strength of chassis on Mesin USU car actually the driver is in it. The purpose
is how to getting the simulation’s effect of chassis on Mesin USU I car and on
Mesin USU II car when both are applied loading which using Ansys 14.5 software. The research was carried out in several stages of working: the chassis modeling by software SolidWorks Premium 2011 and finite element simulation using ANSYS 14.5 software. After doing the simulation with 700 N load on chassis Mesin USU I acquired 0,96 mm maximum deflection, 0,6415 mm ground
clearence deflection, 22,563 MPa maximum stress, 11,65e-5 mm/mm maximum
strain. And 700 N load on chassis Mesin USU II acquired 3,29 mm maximum deflection, 2,236 mm ground clearence deflection, 53,217 MPa maximum stress,
26,71e-5 mm/mm maximum strain. With 25 kN load on chassis Mesin USU I
acquired 31,542 mm maximum deflection, 21,682 mm ground clearence
deflection, 741,59 MPa maximum stress, 371,12e-5 mm/mm maximum strain. And
3,8 kN load on chassis Mesin USU II acquired 17,074 mm maximum deflection,
11,582 mm ground clearence deflection, 277,64 MPa maximum stress, 139,39e-5
mm/mm maximum strain. The conclusion of this study is the effect of chassis loading can be determined through the simulations with Ansys software during the geometry modeling is correct
DAFTAR ISI
2.4.1 Transformasi Tegangan ... 15
2.4.2 Tegangan utama (principal stress) ... 18
2.4.3 Tegangan Geser maksimum ... 19
2.5 Regangan ... 20
2.5.1 Transformasi Regangan ... 20
2.5.2 Regangan Utama ... 21
2.5.3 Regangan Geser Maksimum ... 22
2.7 Momen Inersia... 22
2.7.1 Momen Inersia Penampang Hollow Segiempat ... 23
2.7.2 Momen Inersia Penampang Hollow Lingkaran ... 23
2.8 Defleksi ... 24
2.9 Perangkat Lunak Elemen Hingga ... 33
2.9.1 Ansys ... 33
2.9.2 Cara Kerja Ansys ... 33
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 35
3.1Pendahuluan ... 35
3.2Waktu dan Tempat ... 35
3.3Material yang digunakan ... 35
3.4Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU ... 36
3.4.1 Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU I ... 36
3.4.2 Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU II ... 38
3.5Simulasi ... 40
3.6Diagram Alir Simulasi ... 44
3.7Diagram Alir Penelitian ... 46
BAB 4 HASIL DAN DISKUSI ... 49
4.1Pendahuluan ... 49
4.2Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU ... 49
4.2.1 Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU I ... 49
4.2.2 Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU II ... 49
4.3Hasil Simulasi Analisis Struktur Chassis Mobil Mesin USU ... 50
4.3.1 Defleksi Chassis Mobil Mesin USU dengan Pembebanan 700 N ... 50
4.3.2 Defleksi Chassis Mobil Mesin USU dengan Beban Variasi 57 4.3.3 Tegangan dan Regangan Chassis Mobil Mesin USU ... 63
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Jenis –Jenis Reaksi Dukungan ... 14
Tabel 3.1 Karakteristik Material Chassis Besi Struktur (Structural Steel) ... 35
Tabel 4.1 Distribusi deformasi chassis Mesin USU I dengan beban 700 N .... 53
Tabel 4.2 Distribusi deformasi chassis Mesin USU II dengan beban 700 N ... 54
Tabel 4.3 Distribusi deformasi chassis Mesin USU I dengan beban 25 kN .... 58
Tabel 4.4 Distribusi deformasi chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kN .. 59
Tabel 4.5 Distribusi tegangan chassis Mesin USU I dengan beban 700 N... 63
Tabel 4.6 Distribusi regangan chassis Mesin USU I dengan beban 700 N ... 65
Tabel 4.7 Distribusi tegangan chassis Mesin USU II dengan beban 700 N .... 66
Tabel 4.8 Distribusi regangan chassis Mesin USU II dengan beban 700 N .... 67
Tabel 4.9 Distribusi tegangan chassis Mesin USU I dengan beban 25 kN... 69
Tabel 4.10 Distribusi regangan chassis Mesin USU I dengan beban 25 kN ... 70
Tabel 4.11 Distribusi tegangan chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kN . 71
Tabel 4.12 Distribusi regangan chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kN . 72
Tabel 4.13 Perbandingan Hasil Analisis struktur dengan pembebanan 700 N 73
Tabel 4.14 Perbandingan Hasil Analisis struktur dengan variasi beban ... 74
Tabel 4.3 Perbandingan sifat chassis Mesin USU I dengan chassis Mesin
DAFTAR GAMBAR
Gambar2.11 Gambar 2.11 Bidang menerima tegangan (a) segmen yang dipotong; (b) potongan segmen ... 16
Gambar 2.12 Diagram benda bebas potongan segmen ... 16
Gambar 2.13 Diagram benda bebas bidang x’-y’ ... 18
Gambar 2.14 Segitiga trignometri tegangan utama... 19
Gambar 2.15 Segitiga trignometri tegangan geser ... 20
Gambar 2.16 Regangan pada elemen (a) Regangan normal, ; (b) Regangan geser, ... 20
Gambar 2.17 Segitiga trignometri regangan utama ... 21
Gambar 2.18 Penampang rangka utama... 23
Gambar 2.19 Penampang rollbar ... 23
Gambar 2.20 Batang yang ditumpu dan diberi beban merata ... 24
Gambar 2.21 Diagram benda bebas gaya luar ... 25
Gambar 2.23 Diagram momen dan gaya geser ... 27
Gambar 2.24 Pembebanan pada rangka utama ... 29
Gambar 2.25 Pembebanan merata batang. ... 29
Gambar 2.26 Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar ... 29
Gambar 2.27 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam ... 30
Gambar 2.28 Material yang disusun dengan node ... 34
Gambar 3.1 Model besi hollow persegi 30 mm ... 37
Gambar.3.7 Jendela utama Ansys 14.5 ... 40
Gambar 3.8 Jendela engineeringdata Ansys 14.5 ... 41
Gambar 3.9 Geometri yang di input dari solidwork ... 41
Gambar 3.10 Pemberian meshing ... 42
Gambar 3.11 Parameter gravitasi Bumi ... 42
Gambar 3.12 parameter fixed support ... 43
Gambar 3.13 Parameter Pembebanan ... 43
Gambar 3.14 Menentukan variabel yang akan ditentukan ... 44
Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi Ansys 14.5 ... 45
Gambar 3.16 Diagram Alir Penelitian ... 46
Gambar 4.1 Model struktur chassis Mobil Mesin USU I ... 49
Gambar 4.2 Model struktur chassis Mobil Mesin USU II ... 50
Gambar 4.3 Beban merata batang chassis... 50
gambar 4.5 Diagram benda bebas gaya luar ... 51
Gambar 4.6 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 700 N ... 52
Gambar 4.7 Defleksi chassis Mesin USU II dengan beban 700 N ... 53
Gambar 4.8 Grafik distribusi deformasi chassis akibat beban 700 N ... 54
Gambar 4.9 Defleksi ground clearencechassis Mesin USU I dengan beban 700 N ... 55
Gambar 4.10 Pandangan kiri chassis Mesin USU I ... 55
Gambar 4.11 Defleksi ground clearencechassis Mesin USU II dengan beban 700N ... 56
Gambar 4.12 Pandangan kiri chassis Mesin USU II... 57
Gambar 4.13 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 25 kN ... 58
Gambar 4.14 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 3,8 kN ... 59
Gambar 4.15 Grafik distribusi deformasi chassis akibat beban variasi ... 60
Gambar 4.16 Defleksi ground clearencechassis Mesin USU I dengan beban 25 kN ... 60
Gambar 4.17 Pandangan kiri chassis Mesin USU I ... 61
Gambar 4.18 Defleksi ground clearencechassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kN ... 62
Gambar 4.19 Pandangan kiri chassis Mesin USU II... 62
Gambar 4.20 Tegangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 700 N ... 63
Gambar 4.21 Regangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 700 N ... 64
Gambar 4.22 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU I dengan Beban 700 N ... 65
Gambar 4.23 Tegangan maksimum chassis Mesin USU II dengan beban 700 N ... 66
700 N ... 67
Gambar 4.25 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU II dengan
beban 700 N ... 68
Gambar 4.26 Tegangan maksimum chassis Mesin USU I dengan
beban 25 kN ... 68
Gambar 4.27 Regangan maksimum chassis Mesin USU I dengan
beban 25 kN ... 69
Gambar 4.28 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU I dengan
Beban 25 kN ... 70
Gambar 4.29 Tegangan maksimum chassis Mesin USU II dengan
beban 3,8 kN ... 71
Gambar 4.30 Regangan maksimum chassis Mesin USU II dengan
beban 3,8 kN ... 72
Gambar 4.31 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU II dengan
Beban 3,8 kN ... 73
Gambar 5.1 Model struktur chassis Mobil Mesin USU I ... 75
DAFTAR NOTASI
= Gaya yang bekerja pada arah sumbu x (N)
= Gaya yang bekerja pada arah sumbu y (N)
= Gaya geser sepanjang x (N)
= Momen sepanjang x (Nm)
= Tegangan (N/m2)
= Regangan (m/m)
E = Modulus elastisitas (N/m2)
= Tegangan normal pada arah sumbu x (N)
= Tegangan normal pada arah sumbu y (N)
= Tegangan normal pada arah sumbu (N/m2)
= Luas bidang (m2)
= Tegangan geser pada bidang x - y (N/m2)
= Tegangan geser pada bidangx’-y’ (N/m2)
= Regangan normal pada arah sumbu x
= Regangan normal pada arah sumbu y
= Regangan normal pada arah sumbux’
= Regangan geser pada bidang x - y
= Regangan geser pada bidangx’-y’
I = Momen inersia luas (m4)
= Momen inersia luas pada arah sumbu x’ (m4)
ABSTRAK
Merancang chassis perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui kekuatan chassis pada mobil Mesin USU pada saat driver berada di dalamnya. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi chassis pada mobil Mesin USU I dan mobil Mesin USU II apabila mengalami pembebanan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu: pemodelan chassis dengan perangkat lunak SolidWorks Premium 2011 dan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5. Setelah melakukan simulasi dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 0,96 mm, defleksi ground clearence = 0,6415 mm, tegangan maksimum = 22,563 Mpa, regangan
maksimum = 11,65e-5 mm/mm. Dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU
II didapat defleksi maksimum = 3,29 mm, defleksi ground clearence = 2,236 mm,
tegangan maksimum = 53,217 Mpa, regangan maksimum = 26,71e-5 mm/mm.
Dengan beban 25 kN terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 31,542 mm, defleksi ground clearence = 21,682 mm, tegangan maksimum =
741,59 MPa, regangan maksimum = 371,12e-5 mm/mm. Dengan beban 3,8 kN
terhadap chassis Mesin USU II didapat defleksi maksimum = 17,074 mm, defleksi ground clearence = 11,582 mm, tegangan maksimum = 277,64 MPa, regangan
maksimum = 139,39e-5 mm/mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah efek dari
pembebanan chassis dapat diketahui melalui simulasi dengan perangkat lunak Ansys dengan pemodelan geometry gambar yang benar.
Kata kunci: Analisis Simulasi, defleksi maksimum, defleksi ground
ABSTRACT
Chassis designing needs to be analized by finite element simulation to get the strength of chassis on Mesin USU car actually the driver is in it. The purpose
is how to getting the simulation’s effect of chassis on Mesin USU I car and on
Mesin USU II car when both are applied loading which using Ansys 14.5 software. The research was carried out in several stages of working: the chassis modeling by software SolidWorks Premium 2011 and finite element simulation using ANSYS 14.5 software. After doing the simulation with 700 N load on chassis Mesin USU I acquired 0,96 mm maximum deflection, 0,6415 mm ground
clearence deflection, 22,563 MPa maximum stress, 11,65e-5 mm/mm maximum
strain. And 700 N load on chassis Mesin USU II acquired 3,29 mm maximum deflection, 2,236 mm ground clearence deflection, 53,217 MPa maximum stress,
26,71e-5 mm/mm maximum strain. With 25 kN load on chassis Mesin USU I
acquired 31,542 mm maximum deflection, 21,682 mm ground clearence
deflection, 741,59 MPa maximum stress, 371,12e-5 mm/mm maximum strain. And
3,8 kN load on chassis Mesin USU II acquired 17,074 mm maximum deflection,
11,582 mm ground clearence deflection, 277,64 MPa maximum stress, 139,39e-5
mm/mm maximum strain. The conclusion of this study is the effect of chassis loading can be determined through the simulations with Ansys software during the geometry modeling is correct
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Konsumsi energi di sektor transportasi dari tahun ke tahun telah meningkat
secara signifikan, sehingga diperlukan upaya untuk mendapatkan sistem
transportasi yang hemat energi. Dalam menyanggupi tantangan itu sebuah
kompetisi Indonesia Energy Marathon Challenge (IEMC) 2012 merupakan
kegiatan yang diadakan oleh Dikti di Surabaya yang bertujuan untuk menguji
kemampuan para mahasiswa dalam merancang dan membangun kendaraan yang
aman, irit dan ramah lingkungan dimana lomba ini setiap tim mahasiswa harus
membangun kendaraan yang mampu menempuh jarak terjauh dengan satu liter
bahan bakar minyak. Kegiatan ini bermanfaat untuk menggali kreativitas dan
potensi mahasiswa dalam peningkatan efisiensi konsumsi bahan bakar untuk
kendaraan bermotor dan mempromosikan kepedulian terhadap pelestarian
lingkungan hidup di dunia pendidikan tinggi.
Kompetisi ini bertujuan untuk mempercepat penguasaan teknologi
otomotif terbaru di Indonesia sehingga akan muncul teknologi-teknologi terbaru
di bidang otomotif yang nantinya akan dapat digunakan untuk menghemat
maupun menggunakan bahan bakar alternatif. Selain itu diharapkan dengan
adanya kompetisi kendaraan irit bahan bakar di Indonesia, nantinya wakil-wakil
Indonesia akan bisa berbicara banyak di kompetisi internasional dalam lomba
sejenis yaitu salah satunya pada kompetisi Shell Eco-Marathon Asia. Hal ini
berguna untuk mengangkat citra bangsa Indonesia di mata dunia internasional.
Oleh karena dalam pembuatan mobil ini, salah satunya adalah pembuatan
chassis merupakan bagian yang sangat fundamental dari sebuah kendaraan secara
keseluruhan. Chassis merupakan tempat pemasangan atau peletakan dari sebagian
besar komponen – komponen dasar dari kendaraan secara utuh, seperti: bodi,
engine, dan sistem transmisi. Salah satu struktural komponen dari kendaraan yang
memegang peranan utama adalah chassis. Hal ini dikarenakan chassis adalah
mesin, dan lain – lain. Konstruksi chassis yang tepat kuat akan membuat
kendaraan lebih stabil, tidak mudah rusak dan tahan lama. Untuk itu material yang
menyelimuti konstruksi suatu chassis sangat berpengaruh terhadap kekuatan
chassis, kestabilan, dan bahan bakar yang dibutuhkan.
Pembebanan merupakan faktor yang paling utama yang menentukan besar
kekuatan chassis. Pembebanan yang lebih besar akan menyebabkan chassis
mudah mengalami fatigue dan akan mempercepat umur chassis. Pendesainan
chassis mobil itu sendiri dalam menyokong bodi yang aerodinamis yang
dibutuhkan agar mencapai target yang diinginkan. Oleh karena itu bahan apa yang
digunakan dan analisis struktur yang merupakan hal utama daripada kekokohan
mobil Mesin USU dan juga yang harus disesuaikan dengan regulasi daripada rules
dari pada keikutsertaan kompetisi IEMC ini.
Dalam lomba IEMC, kendaraan diklasifikasikan dalam dua jenis. Pertama
adalah kelas prototype. Pada kelas ini dilombakan kendaraan futuristik dengan
tiga roda yang mengutamakan desain aerodinamis dan body ringan agar
pemakaian BBM sehemat mungkin. Kedua adalah kelas konsep urban dengan
empat roda yang dirancang mendekati kebutuhan kendaraan perkotaan masa kini.
Kendaraan konsep urban berbentuk city car yang lebih realistik digunakan di
dalam kota dengan memenuhi standar keamanan dan keselamatan yang
mencukupi.
Untuk memenuhi tantangan tersebut maka dibuatlah mobil dengan nama
MesinUSUuntuk kelas urban.
1.2 Perumusan Masalah
Kemungkinan terjadi defleksi yang menyebabkan terjadinya deformasi
elastis batangan besi hollow tersebut akan berpengaruh terhadap ketahanan
chassis mobil Mesin USU untuk jangka waktu kedepannya. Penelitian ini
difokuskan pada analisis struktur chassis dari batangan besi hollow yang berbahan
besi struktur dimana pada pembebanan statik yang diterapkan merupakan beban
1.3 Tujuan Penelitian
1.3.1 Tujuan Umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk mendapatkan simulasi
struktur chassis mobil Mesin USU berbahan besi struktur terhadap beban statik
yang diterima oleh chassis dengan menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5.
1.3.2 Tujuan Khusus
Terdapat beberapa tujuan khusus yang diharapkan dapat dicapai
sehubungan dengan penelitian ini, antara lain:
1. Mendapatkan desain struktur chassis mobil Mesin USU I dan mobil
Mesin USU II.
2. Untuk mengetahui defleksi maksimum dan defleksi ground clearence
yang terjadi pada chassis mobil Mesin USU I dan chassis mobil Mesin
USU II setelah terjadi pembebanan standar 700 N dan beban variasi
maksimal.
3. Untuk mengetahui tegangan maksimum dan regangan maksimum yang
terjadi pada chassis mobil Mesin USU I dan chassis mobil Mesin USU
II setelah terjadi pembebanan standar 700 N dan beban variasi
maksimal.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian diharapkan mengetahui ketahanan dan kekuatan
dari chassis mobil Mesin USU sehingga bisa dilakukan pengembangan
kedepannya, dan juga sebagai pengembangan kemampuan dalam menggunakan
software ANSYS 14.5.
1.5 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini ditetapkan beberapa batasan penelitian, antara lain:
1. Model chassis mobil Mesin USU dari bahan besi hollow yang ringan dan
kuat sesuai dengan dimensi sebenarnya.
2. Beban yang diterima berasal dari beban pengemudi.
1.6 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian yaitu:
Berisi tentang latar belakang yang menentukan pengambilan penelitian dan
dilanjutkan dengan batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan
sistematika penulisan skripsi ini.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan tentang ulasan teori-teori yang berhubungan dengan
penelitian skripsi ini baik dari teori dasar maupun teori penunjang lainnya. Dasar
teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari: buku - buku
pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-book, dan e news.
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk
menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai
langkah-langkah penelitian, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan
BAB 4 HASIL DAN DISKUSI
Bab ini akan menjelaskan hasil dari yang didapat dari dari hasil penelitian
simulasi analisis struktur chassis.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari semua penelitian yang dilakukan untuk
skripsi ini dan saran yang mendukung kedepannya.
DAFTAR PUSTAKA
Berisi seluruh referensi yang digunakan dalam penelitian untuk pembuatan tugas
akhir ini.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Chassis
Chassis adalah rangka yang berfungsi sebagai penopang berat kendaraan,
mesin serta penumpang. Biasanya chassis terbuat dari kerangka baja yang
memegang body dan engine dari sebuah kendaraan [1]. Saat proses manufaktur
body kendaraan dibentuk sesuai dengan struktur chassisnya. Chassis mobil
biasanya terbuat dari logam ataupun komposit. Material tersebut harus memiliki
kekuatan untuk menopang beban dari kendaraan. Chassis juga berfungsi untuk
menjaga agar mobil tetap rigid, kaku dan tidak mengalami bending [2].
Komponen Utama Chassis:
1. Frame
Frame adalah struktur dari beberapa batang yang dihubungkan dengan
sambungan (pin ataupun rigid joint) dimana pada frame ini terdapat variasi
gaya aksial, gaya lintang dan momen pada batang itu sendiri.
Lain halnya dengan truss yang merupakan struktur yang dibentuk dari
batangan – batangan yang pada kedua ujung masing – masing batang dihubungkan oleh pin. Pada truss ini beban terletak di titik sambungan
atau joint dimana batang hanya mampu menerima beban aksial ( batang 2
gaya).
2. Dudukan mesin
Dudukan mesin merupakan tempat yang utama dalam peletakan mesin
pada suatu kendaraan dan juga harus disesuaikan dengan model kenderaan
yang dibuat.
2.2 Jenis – Jenis Chassis
Chassis memilki beberapa jenis diantaranya:
1. Ladder frame
3. Monocoque
4. Backbone chassis
5. Aluminium space frame
2.2.1 Ladder Frame
Ladder Frame adalah dua batangan panjang yang menyokong kendaraan dan
menyediakan dukungan yang kuat dari berat beban dan umumnya berdasarkan
desain angkut. Bentuk bodi ini merupakan salah satu contoh yang bagus dari tipe
chassis. Dinamakan demikian karena kemiripannya dengan tangga, LadderFrame
adalah yang paling sederhana dan tertua dari semua desain. Ini terdiri hanya dari
dua rel simetris, atau balok, dan crossmembers menghubungkan mereka.
Ladder frame merupakan chassis paling awal yang digunakan sekitar tahun
1960-an, namun sampai sekarang masih banyak kendaraan yang menggunakan
chassis jenis ini terutama kendaraan jenis SUV. Bahan material yang paling
umum untuk jenis Ladderframe ini adalah material dengan bahan baja ringan [3].
Dua batang memanjang tersebut merupakan bagian yang utama untuk
menahan beban longitudinal akibat percepatan dan pengereman. Kemudian batang
yang melintang hanya menahan agar chassis tetap dalam keadaan rigid/kaku.
Berikut adalah salah satu contoh Ladder Frame modern yang biasa digunakan
pada mobil pickup dan SUV dapat dilihat pada gambar 2.1.
Dalam hal lain untuk chassis Ladder Frame ini ada juga penambahan
komponen untuk lebih menguatkan chassis yaitu dengan cara penambahan
penguatan palang X. Hal ini dimungkinkan untuk merancang kerangka untuk
membawa beban torsi di mana tidak ada unsur frame dikenakan saat torsi. Palang
X yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini terbuat dari dua balok lurus dan
hanya akan memiliki beban lentur diterapkan pada balok.
Jenis frame ini memiliki kekakuan torsi yang baik terbagi di pusat
rancangan frameladder. Perlu dicatat bahwa beban lentur maksimum terjadi pada
bagian sambungannya oleh karena itu bagian sambungan (joint) menjadi kritis.
Menggabungkan sifat dari penguatan palang X dengan ladder frame membantu
dalam memperoleh kedua sifat baik beban lentur dan torsi. Dapat dilihat pada
gambar 2.2 balok silang di bagian depan dan belakang tidak hanya membantu
pada saat terjadi torsi tetapi juga membantu dalam membawa beban lateral dari
suspensi titik pemasangan.
Gambar 2.2 LadderFrame dengan palang X
2.2.2 TubularSpaceFrame
Berdasarkan salah satu jenis metode chassis terbaik yang kekuatan
luluhnya sangat bagus di perlindungan kekakuan torsional, ketahanan beban berat,
dan beban impak, frame ini juga mudah untuk di desain dan cukup lumayan sulit
kebanyakan aplikasinya di kompetisi balap Formula Sae untuk proyek mobil dan
bahkan mobil balap kecil. Sebagai contoh pada gambar 2.3 di bawah ini.
Gambar 2.3 TubularSpaceFrame
Dalam struktur jenis ini sangat penting untuk memastikan semua bidang
sepenuhnya triangulasi sehingga elemen balok dasarnya dimuat dalam ketegangan
atau kompresi. Oleh karena sambungan las, beberapa hambatan lentur dan torsi
akan terjadi pada sambungannya, dengan mengandalkan pembatasan tersebut
akan membuat struktur jauh lebih kaku.
Tubular Space Frame memakai berbagai macam pipa circular (kadang –
kadang dipakai bentuk squaretube agar mudah disambung, meskipun begitu
bentuk circular memiliki kekuatan begitu besar).
Posisinya yang berbagai arah menghasilkan kekuatan mekanikal untuk
melawan gaya dari berbagai arah. Pipa tersebut dilas sehingga terbentuk struktur
yang kompleks.
2.2.3 Monocoque
Monocoque merupakan satu kesatuan stuktur chassis dari bentuk
kendaraannya sehingga chassis ini memiliki bentuk yang beragam yang
menyesuaikan dengan body mobil. Meskipun terlihat seperti satu kesatuan dari
rangka dan body mobilnya, namun sebenarnya chassis ini dibuat dengan
menggunakan pengelasan melalui proses otomasi sehingga hasil pengelasan yang
Material yang digunakan adalah baja sedangkan pada chassis lain
digunakan campuran material antara baja dengan aluminium sehingga bobotnya
lebih ringan. Kelemahan lainnya adalah tidak mungkin untuk pembuatan mobil
bersekala kecil karena membutuhkan proses produksi menggunakan robot.
Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar 2.4. Dimana chassis ini terlihat
kesatuan struktur yang senyawa mulai dari bagian depan higga belakang dimana
merupakan produk massal untuk kebutuhan tranportasi pada umumnya.
Gambar 2.4 Chassis Monocoque
2.2.4 Backbone
Ini adalah aplikasi langsung dari teori jenis rangka pipa. Ide awalnya
adalah dengan membuat struktur depan dan belakangnya yang terhubung dengan
sebuah rangka tube yang melintang disepanjang mobil. Tidak seperti transmisi
tunel, chassis backbone ini hampir seluruhnya adalah struktur kaku dan dapat
menahan semua beban. Ini terdapat beberapa lubang yang kontinu. Karena begitu
sempit diindingnya umumnya dibuat tebal. Chassis Backbone memiliki kekakuan
dari luas area bagian „backbone‟ itu sendiri. Ukuran luas penampangnya sekitar 00 50 [6]. Beberapa jenis chassis mengintegrasikan jenis chassis
backbone ini ke struktur utama seperti mobil “Locost”. Bentuk rancang bangun
chassis jenis tipe ini adalah tetap dengan mengandalkan backbone tetapi dengan
menambahkan srtuktur tambahan untuk lebih mengkakukan backbone itu sendiri
sepert balap mobil DP1.
Harus dicatat bahwa chassis backbone ini bisa di buat dalam berbagai
tube kontinu. Semua jenis chassis ini digunakan dalam memproduksi sebuah
mobil. Hampir semua motor penggerak belakang dan penggerak depan
mengizinkan chassis backbone ini untuk cover dari transmisi dan ruang poros
penggerak.
ChassisBackbone Space Frame Hybrid
Balapan DP1 menggunakan space Frame untuk membangun sebuah
struktur chassisbackbone. Juga ada ruang mesin dan ruang cockpit. Secara umum
ini tidak menyerupai struktural tetapi oleh karena penyatuan alami dari balapan
DP1 dan kekakuan chassis backbone yang triangular. Berikut chassis backbone
yang ditunjukkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 ChassisBackbone
2.2.5 Aluminium Chassis Frame
Chassis jenis ini pertama kali dikembangkan oleh perusahaan mobil Audy
bersama-sama dengan perusahaan pembuat aluminium Alcoa. Aluminium Chassis
Frame dibuat untuk menggantikan chassis baja monocoque karena untk
menghasilkan sebuah rangka yang ringan [7]. Aluminium Space Frame diklaim
40% lebih ringan dibanding dengan rangka baja monocoque namun 40% lebih
rigid. Berikut adalah Aluminium Chassis frame yang ditunjukkan pada gambar
Gambar2.6 AluminiumChassisFrame
Demikianlah beberapa jenis daripada chassis, oleh karena itu adapun tipe
chassis mobil Mesin USU yang akan di analisis dengan menggunakan adalah tipe
chassis Tubular Chassis Frame, karena terdapat bentuk batangan hollow sebagai
rangkanya dan juga bentuk posisi yang menghasilkan kekuatan mekanikal untuk
melawan gaya dari berbagai arah. Batangan hollow ini berbentuk tubesquare dilas
sehingga terbentuk struktur yang kokoh.
2.3 Pembebanan pada Chassis Mobil Mesin USU
Pada dasarnya pembahasan utama daripada chassis mobil Mesin USU ini
adalah dengan pemberian beban pada saat diam (static load). Berikut ini
merupakan gaya yang diterima oleh chassis mesin USU, yaitu pada bagian driver.
Dalam hal ini pembebanan pada mesin tidak diterapkan oleh karena batasan
masalah skripsi. Oleh karena gaya tersebut adalah beban yang merupakan gaya
berat oleh driver itu sendiri, maka akan terjadilah gaya – gaya reaksi yang diberikan oleh chassis itu sendiri. Dan akan menimbulkan defleksi dan tegangan
yang terjadi oleh karena gaya berat itu. Berikut ini gambar utama chassis mesin
Gambar 2.7 Chassis mobil Mesin USU
Adapun pada gambar 2.8 merupakan gambar beban yang diterima oleh chassis
mesin USU.
Gambar 2.8 Gaya yang diterima chassis
2.4Tegangan
Sebelum membahas tentang tegangan, peninjauan beberapa prinsip penting
dari statika dan menunjukkan bagaimana mereka digunakan untuk menentukan
beban internal (gaya – gaya dalam).
Kesetimbangan Benda Tegar
1. External load (Gaya – Gaya Luar), yaitu gaya yang disebabkan oleh kontak langsung dari satu benda dengan permukaan benda yang lain.
Dalam semua kasus ini kekuatan didistribusikan ke daerah kontak antara
benda.
2. Reaksi Pendukung, gaya luar yang terjadi pada dukungan atau titik kontak
antara 2 benda disebut reaksi. Untuk masalah dua dimensi yaitu, benda
mengalami sistem kekuatan coplanar (gaya-gaya luar), dukungan yang
paling sering ditemui ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Jenis –Jenis Reaksi Dukungan
Tipe Koneksi Reaksi Tipe Koneksi Reaksi
Sumber: Hibbler, R. C. 2011.Mechanics of Materials, Eighth Edition [8].
3. Persamaan Kesetimbangan
Di bidang engineering gaya pada benda dapat diwakili sebagai sistem
gaya koplanar. Dalam hai ini, gaya terletak pada bidang x-y, maka kondisi untuk
kesetimbangan benda dapat ditentukan dengan hanya tiga persamaan
= 0
= 0
= 0
...(2-1)
4. Resultan Gaya – Gaya Dalam
Untuk mendapatkan beban internal yang bekerja pada daerah tertentu
dalam tubuh, maka perlu untuk melogikakan gaya yang terjadi pada potongan
melalui daerah di mana beban internal harus ditentukan. Metode sebagian
(pemotongan) digunakan untuk menentukan beban resultan internal yang bekerja
pada permukaan benda yang dipotong. Secara umum, resultant ini terdiri dari
gaya normal, gaya geser, momen torsi, dan momen lentur.
5. Free-Body Diagram (Diagram Benda Bebas)
Gambar diagram benda bebas dari salah satu segmen yang telah dipotong
(gaya dalam) akan menunjukkan resultant gaya normal N, gaya geser V, momen
lentur M, dan momen torsi T . Resultant ini biasanya ditempatkan pada titik yang
mewakili pusat geometris atau pusat massa bidang dipotong.
2.4.1 Transformasi Tegangan
Kondisi tegangan pada satu titik tertentu dapat diketahui dari orientasi
sebuah unsur dari material tersebut. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.9.
Dalam hal lain juga didapat kondisi tegangan di sebuah elemen yang
memiliki orientasi dengan sudut �. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kondisi tegangan pada bidang x‟-y‟
Transformasi tegangan pada komponen tegangan normal dan tegangan
geser dari bidang x, y ke bidang x‟, y‟ dapat diketahui melalui diagram benda bebas elemen tersebut. Maka dalam hal ini segmen dipotong sepanjang bidang
miring seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 Bidang menerima tegangan (a) segmen yang dipotong; (b) potongan segmen
Dengan demikian didapat diagram benda bebas seperti ditunjukkan pada
gambar 2.12.
Maka dengan menerapkan persamaan kesetimbangan akan didapat
variabel � dan � sebagai berikut. = 0
� (� �) � (� �) � (� �) �
� � � = 0
� = � � � � � � � � �
� = � ( �) � ( �) � � �
� = � � � � � � � � �
� = � � � � � � � �
...(2-2)
= 0
� (� � �) � � (� � �) � (� �) �
� � � � = 0
� = (� � ) � � � � � � �
� = (� � ) � � � �
...(2-3) � = � � � � � � � �
Dan apabila tegangan normal yang bekerja pada sumbu y‟ diperlukan, seperti pada gambar 2-13.
Gambar 2.13 Diagram benda bebas bidang x‟-y‟
maka dapat ditentukan dengan mensubstitusi � = � 0 kedalam persamaan 2-7, maka:
...(2-4)
2.4.2 Tegangan utama (principal stress)
Untuk menentukan tegangan normal maksimum dan minimum yaitu
dengan mendiferensialkan persamaan 2-2 terhadap � sama dengan nol. Maka:
Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Segitiga trignometri tegangan utama
Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-2, maka:
� = � � � � � � � �
Untuk mendapatkan tegangan geser maksimum yaitu dengan
mendiferensialkan persamaan 2-3 terhadap � sama dengan nol. Maka:
...(2-7)
Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Segitiga trignometri tegangan geser
Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-3, maka:
...(2-8)
2.5 Regangan
2.5.1 Transformasi Regangan
Elemen yang mengalami suatu regangan pada suatu bidang x-y seperti
ditunjukkan pada gambar 2.16.
Gambar 2.16 Regangan pada elemen (a) Regangan normal, � ; (b) Regangan geser, �
� =
� �
�
� � �
�
√ � � �
�max � � � = √ � � �
Persamaan transformasi regangan pada regangan normal � pada arah adalah: ...(2-9)
Untuk regangan geser � yang berorientasi pada sudut � adalah:
...(2-10)
2.5.2 Regangan Utama
Seperti halnya sama dengan pencarian tegangan utama dalam menentukan
regangan normal maksimum dan minimum yaitu dengan mendiferensialkan
persamaan 2-9 terhadap � sama dengan nol. Maka:
((� � ) (� � ) � � � � )
Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.17.
Gambar 2.17 Segitiga trignometri regangan utama
Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-9, maka:
2.5.3 Regangan Geser Maksimum
Untuk mendapatkan regangan geser maksimum pada arah yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 2-10 terhadap � sama dengan nol. Maka:
...(2-13)
Ragangan geser maksimum didapat:
...(2-14)
2.6 Hukum Hooke
Diagram tegangan-regangan di kebanyakan material engineering
memperlihatkan hubungan yang linear antara tegangan dan regangan di wilayah
elastis. Dengan demikian peningkatan tegangan menyebabkan kesebandingan
peningkatan regangan. Fakta inilah yang ditemukan oleh Robert Hooke 1676
dalam penerapan pegas dan dikenal dengan hukum Hooke.
...(2-15)
Dimana : � = Tegangan (N/m2)
E = Modulus elastisitas atau modulus young (N/m2)
� = Regangan yang terjadi (m/m)
2.7 Momen Inersia
Momen inersia suatu luasan adalah perkalian antara luasan dengan jarak
kuadrat dari titik berat luasan terhadap garis. Adapun penampang daripada rangka
utama chassis ini adalah berbentuk hollow segi empat, dan untuk rollbarnya
berbentuk hollow lingkaran.
� = � �max � � �
=√ (� � ) �
� = � � �
2.7.1 Momen Inersia Penampang Hollow Segiempat
Untuk luas penampang dari rangka utama yang merupakan besi hollow
persegi dapat dilihat pada gambar 2.18.
Gambar 2.18 Penampang rangka utama
Dengan adanya dimensi dari penampang rangka utama maka dapat dicari momen
inersia luas penampang rangka utama. Untuk luas penampang persegi panjang
rumus inersia luas penampangnya adalah:
...(2-16)
Maka dari persamaan 2-16, dapat dicari momen inersia luas penampang rangka
utama:
...(2-17)
2.7.2 Momen Inersia Penampang Hollow Lingkaran
Untuk luas penampang dari rollbar yang merupakan besi hollow lingkaran
dapat dilihat pada gambar 2.19.
Dengan adanya dimensi dari penampang rollbar maka dapat dicari momen inersia
luas penampang rollbar. Untuk luas penampang lingkaran rumus inersia luas
penampangnya adalah:
...(2-18)
Maka dari persamaan 2-23, dapat dicari momen inersia luas penampang rollbar :
...(2-19)
2.8 Defleksi
Ketika suatu batang dibebani dengan gaya atau momen, defleksi terjadi
pada batang. Sebelum mencari defleksi pada batanng perlu diketahui tegangan
normal dan tegangan geser. Untuk menentukan besarnya tegangan-tegangan ini
pada suatu bagian atau titik tersebut dan menentukan besarnya resultan pada
tumpuan dapat menggunakan persamaan-persamaan kesetimbangan.
Gambar 2.20 merupakan contoh analisis 1 dimensi arah x untuk menentukan gaya,
momen, dan defleksi pada batang yang ditumpu yang mengalami beban merata.
Gambar 2.20 Batang yang ditumpu dan diberi beban merata
Maka dari gambar 2.20 di atas didapat:
1. Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar dan momen dapat
dilihat pada gambar 2.21.
=�
Gambar 2.21 Diagram benda bebas gaya luar
Maka dari gambar 2.21 di atas didapat gaya – gaya yang bekerja sebagai berikut: ∑ = 0
� = 0
= �( )
=
∑
= 0
∑ = 0
� = 0
= 0
=
L
�=
2. Diagram benda bebas gaya – gaya dalam di sepanjang 0 dapat dilihat pada gambar 2.22.
Gambar 2.22 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam Maka dari gambar 2.22 di atas didapat:
∑
= 0
= 0
∑ = 0
� = 0
=
= ( )
∑ = 0
= 0
=
=
Untuk kondisi batas dengan = , maka gaya geser = bernilai nol dan didapat momen maksimum:
=
= ( )
...(2-20)
Gambar 2.23 adalah diagram momen dan gaya geser yang terjadi pada batang
yang diberi beban merata [9].
Gambar 2.23 Diagram momen dan gaya geser
Untuk kebanyakan batang yang mengalami defleksi maka persamaan untuk
mencari kurva kemiringan adalah :
=
=
=
Nilai variabel dan dapat diketahui dengan kondisi batas � = 0 pada =
0 =
=
=
Maka didapat persamaan kemiringan kurva
=
...(2-21)
Nilai variabel dan dapat diketahui dengan kondisi batas = 0 pada = 0
=
0 =
= 0
Maka didapat persamaan defleksi kurva
=
...(2-22) � = ( )
Maka untuk rangka utama yang menerima beban seperti ditunjukkan pada
gambar 2.24.
Gambar 2.24 Pembebanan pada rangka utama
Dimana mengalami pembebanan merata dengan reaksi pendukung fixed
support A dan B pada gambar 2.25. Maka untuk analisisnya adalah
Gambar 2.25Pembebanan merata batang
1. Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar dan momen dapat
dilihat pada gambar 2.26.
Gambar 2.26 Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar A
B
L
� =
= =
Dengan pembebanan dan bentuk yang simetris pada batang maka =
dan = , maka:
∑ = 0
= 0 =
∑ = 0
=
=
=
=
∑ = 0
( ) = 0
= 0 =
2. Diagram benda bebas gaya – gaya dalam di sepanjang 0 dapat
dilihat pada gambar 2.27.
Gambar 2.27 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam
� =
Maka dari gambar 2.27 di atas didapat:
Batang mengalami deflekdi maka untuk mencari kurva kemiringan adalah:
=
=
Nilai variabel M, , dan dapat diketahui dengan kondisi batas:
1. Kondisi batas = 0 pada = 0
= = 0
2. Kondisi batas
= 0 pada = 0
=
= 0
3. Kondisi batas = 0 pada =
=
0 =
= =
Maka didapatkan persamaan kurva kemiringan:
=
=
...(2-23)
=
...(2-24) � =
2.9 Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga
Elemen hingga adalah idealisasi matematika terhadap suatu sistem dengan
membagi objek menjadi elemen-elemen diskrit yang kecil dengan bentuk yang
simpel. Metode elemen hingga adalah teknik yang sangat dominan pada structural
mechanics. Ada banyak perangkat lunak analisis elemen hingga yang digunakan
di industri saat ini dari beraneka disiplin ilmu teknik termasuk mechanical
engineering. Dan solusi yang tepat untuk masalah-masalah itu adalah “CAD/
CAE”. CAD (Computer Aided Design) atau Merancang Berbantuan Komputer adalah proses perancangan model yang cepat dan akurat, sedangkan CAE
(Computer Aided Engineering) atau Rancang-Bangun Berbantuan Komputer
adalah proses analisis dan simulasi tegangan yang mudah dan efektif.
2.9.1 Ansys
ANSYS adalah suatu perangkat lunak komputer umum yang mampu
menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga
analisis. Ansys ini digunakan untuk mensimulasikan semua disiplin ilmu fisika
baik statis maupun dinamis, analisis struktural (kedua-duanya linier dan nonliner),
perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik untuk para engineer
[10].
ANSYS dapat mengimpor data CAD dan juga memungkinkan untuk
membangun geometri dengan kemampuan yang "preprocessing". Demikian pula
dalam preprocessor yang sama, elemen hingga model (jaring alias) yang
diperlukan untuk perhitungan dihasilkan. Setelah mendefinisikan beban dan
melakukan analisis, hasil dapat dilihat sebagai numerik dan grafis.
2.9.2 Cara Kerja Ansys
ANSYS bekerja dengan sistem metode elemen hingga, dimana
penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan pendeskritisasian dimana
membagi atau memecah objek analitis satu rangkaian kesatuan ke dalam jumlah
terbatas elemen hingga[11] yaitu menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan
adanya module goemetry berupa chassis mobil Mesin USU yang telah diimpor
dari file solidwork di Ansys workbench, maka chassis ini akan dideskritisasi untuk
mendapatkan bagian – bagian mesh yang lebih kecil yang dihubungkan oleh node.
Gambar 2.28 Material yang disusun dengan node
Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan
menggunakan analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara
memecah model tersebut dan menggabungkannya.
Secara umum, suatu solusi elemen hingga dapat dipecahkan dengan
mengikuti 3 tahap ini. Ini merupakan panduan umum yang dapat digunakan untuk
menghitung analisis elemen hingga.
Ada 3 langkah utama dalam analisis Ansys yaitu:
1. Model generation:
a. Penyederhanaan, idealisasi.
b. Menentukan bahan/sifat material.
c. Menghasilkan model elemen hingga.
2. Solusi:
a. Tentukan kondisi batas.
b. Menjalankan analisisnya untuk mendapatkan solusi.
3.Hasil ulasan:
a. Plot/daftar hasil.
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pendahuluan
Bab ini berisikan metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan
masalah pada skripsi ini, yaitu tahap-tahap dalam melakukan simulasi struktur
chassis mobil Mesin USU. Secara umum metodologi yang digunakan adalah
mendapatkan data (dimensi dan material chassis), pembuatan geometri chassis,
meshing, memasukkan data material, menetapkan fixed support, memberikan
beban, menentukan variabel yang akan disimulasi (defleksi, tegangan, dan
regangan) lalu menganalisis dengan perangkat lunak Ansys 14.5.
3.2 Waktu dan Tempat
Waktu penelitian, melingkupi waktu survei, desain, dan simulasi, yaitu
dalam rentang waktu 6 bulan pada oktober 2012 s.d Maret 2013.
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik,
laboratorium Impact and Fracture Research Center unit I dan II, program
Magister dan Doktor Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
dan di rumah peneliti.
3.3 Material yang digunakan
Dalam penelitian ini, material chassis yang digunakan adalah besi struktur.
Alasannya, karena material tersebut adalah material standar yang digunakan pada
chassis mobil Mesin USU. Yaitu hollow structural section, square ASTM A500
Gr.B.Sifat besi struktur ini dapat kita lihat pada tabel 3.1 berikut:
Tabel 3.1 Karakteristik Material Chassis Besi Struktur (Structural Steel)
Tabel 3.1 sambungan...
3.4 Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU
Sesuai dengan regulasi peraturan kompetisi Indonesia Energy Marathon
Challenge, maka pendesainan kenderaan harus sesuai dengan pasal 47: tentang
kendaraan, yakni isinya adalah sebagai berikut:
a. Tinggi keseluruhan kendaraan antara 100 cm dan 130 cm.
b. Lebar keseluruhan kendaraan antara 120 cm dan 130 cm.
c. Panjang keseluruhan kendaraan antara 220 cm dan 350 cm.
d. Lebar track (jarak antar roda pada satu sumbu) tidak boleh kurang dari
100 cm untuk poros depan dan 80 cm untuk poros belakang, diukur
dari kedua titik kontak roda dengan lintasan.
e. Jarak wheelbase (sumbu roda) tidak boleh kurang dari 120 cm.
f. Tinggi ruang kemudi tidak boleh kurang dari 88 cm dan lebar
minimum 70 cm pada bahu pengemudi.
g. Jarak terendah komponen kendaraan dari lintasan (ground clearance)
tidak boleh kurang dari 10 cm.
3.4.1 Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU I
a. Rangka Utama
Rangka utama disini merupakan rangka dasar chassis yang berfungsi
sebagai pondasi utama untuk tempat pengemudi dan dudukan mesin. Rangka
, dengan tebal . Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.1 yang merupakan model besi hollow persegi yang dibuat dengan menggunakan
Solidwork Premium 2011.
b. Rollbar
Rollbar dalam hal ini merupakan bagian chassis sambungan yang
mengikuti kontur body mobil dan memberi ruang pengemudi. Untuk bagian
rollbar, material yang dipakai adalah besi hollow lingkaran (circular tube)
berdimensi , dengan tebal . Hal ini dapat dilihat pada gambar
3.2 yang merupakan model besi hollow lingkaran yang dibuat dengan
menggunakan Solidwork Premium 2011.
Dengan adanya konsep dari rangka utama dan rollbar yang telah
disesuaikan dimensinya, maka model chassis mobil Mesin USU I dapat dibuat
sesuai dengan aslinya secara bertahap dengan menggunakan Solidwork Premium
2011. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.3 yang merupakan model chassis mobil
Mesin USU I.
Gambar 3.3 Chassis mobil Mesin USU I (a) Rangka utama; (b) Rollbar
Dalam hal ini model chassis mobil Mesin USU I sudah sesuai dengan
dimensi chassis yang sebenarnya sehingga dapat langsung disimpan dalam format
assemblychassis yang untuk nantinya akan disimulasi strukturnya.
3.4.2 Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU II
a. Rangka Utama
Rangka utama disini merupakan rangka dasar chassis yang berfungsi
sebagai pondasi utama untuk tempat pengemudi dan dudukan mesin. Rangka
utama yang dipakai adalah besi hollow persegi (rectangular tube) berdimensi
, dengan tebal . Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.4 yang
merupakan model besi hollow persegi yang dibuat dengan menggunakan
Solidwork Premium 2011.
b. Rollbar
Rollbar dalam hal ini merupakan bagian chassis sambungan yang
mengikuti kontur body mobil dan memberi ruang pengemudi. Untuk bagian
rollbar, material yang dipakai adalah besi hollow lingkaran (circular tube)
berdimensi , dengan tebal . Hal ini dapat dilihat pada gambar
3.5 yang merupakan model besi hollow lingkaran yang dibuat dengan
menggunakan Solidwork Premium 2011.
b
Dengan adanya konsep dari rangka utama dan rollbar yang telah
disesuaikan dimensinya, maka model chassis mobil Mesin USU II dapat dibuat
sesuai dengan aslinya secara bertahap dengan menggunakan Solidwork Premium
2011. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.6 yang merupakan model chassis mobil
Mesin USU II.
Gambar 3.4 Model besi hollow persegi 20 mm
Gambar 3.5 Model besi hollow lingkaran 16 mm
Gambar 3.6 Chassis mobil Mesin USU II (a) Rangka utama; (b) Rollbar
b
Dalam hal ini model chassis mobil Mesin USU I sudah sesuai dengan
dimensi chassis yang sebenarnya sehingga dapat langsung disimpan dalam format
assemblychassis yang untuk nantinya akan disimulasi strukturnya.
Dalam hal ini, semua peraturan yang telah ditetapkan pada regulasi yang
tertulis pada kompetisi IEMC telah memenuhi syarat dalam pendesainan chassis,
dan hal yang menjadi perhatian dalam analisis struktur chassis ini adalah terdapat
pada poin g, yaitu tentang ground clearence yang merupakan validasi utama
dalam pembebanan yang diberikan pada chassis sehingga terbentuknya defleksi
yang nantinya akan dibahas pada bab 5.
3.5 Simulasi
Setelah selesai didesain di software Solidwork Premium 2011, file
geometri chassis di export ke software Ansys 14.5 untuk disimulasikan. Berikut
langkah-langkah simulasi yang dilakukan.
1.Buka program ansys14.5, dan pilih static structural, seperti yang ditunjukkan
pada gambar 3.7.
Gambar.3.7 Jendela utama Ansys 14.5
2. Pilih engineering data, kemudian isi data engineering yang akan digunakan,
Gambar 3.8 Jendela engineeringdata Ansys 14.5
3. Return to project kemudian pilih geometri untuk mendesain geometri yang
akan didesain. Karena desain gambar sudah dikerjakan terlebih dahulu pada
Solidwork, maka gambar langsung dInput ke Ansys 14.5, seperti yang
ditunjukkan pada gambar 3.9.
4. Pemberian meshing pada benda seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.10
Gambar 3.10 Pemberian meshing
5. Masukkan parameter simulasi yaitu Standard earth gravity, fixed support, dan
pemberian beban. Untuk parameter gravitasi Bumi, dengan memasukkan nilai
‘Standard earth gravity’ dapat ditunjukkan pada gambar 3.11.
Untuk parameter tumpuan, dengan memilih part chassis untuk diberi ‘fixed
support’ dapat ditunjukkan pada gambar 3.12.
Gambar 3.12 parameter fixedsupport
Untuk parameter pemberian beban pada pengemudi, dengan memasukkan nilai
‘force’ pada chassis dapat ditunjukkan pada gambar 3.13.
Pada saat parameter pemberian beban pada pengemudi, beban yang
diterapkan pada chassis Mesin USU I dan II adalah 700 N oleh karena regulasi
yang telah ditetapkan pada peraturan kompetisi yaitu minimal 70 kg dan variasi
beban 25 kN untuk chassis Mesin USU I dan 3,8 kN untuk chassis Mesin USU II.
6. Langkah berikutnya adalah menentukan variabel yang akan disimulasi, dalam
simulasi ini adalah defleksi, tegangan, dan regangan seperti yang ditunjukkan
pada gambar 3.14. Kemudian simulasi siap dijalankan.
Gambar 3.14 Menentukan variabel yang akan ditentukan
Setelah langkah-langkah secara garis besar di atas selesai, kita dapat
memperoleh hasil simulasi yang diminta.
3.6 Diagram Alir Simulasi
Adapun diagram alir simulasi pada chassis mobil Mesin USU yang
dikerjakan pada penelitian analisis struktur chassis dapat dilihat pada gambar 3.15
mulai
Geometry module dengan Solidwork
Eksport geometri ke ansys workbench
Penentuan sifat material
Mesh Module (Menentukan mesh)
Compute Mesh ( proses meshing )
Error
Masukkan parameter simulasi
- Standard earth gravity
- fixed support
- pemberian beban Tidak
Ya
B A
Memasukkan variabel simulasi
Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi Ansys 14.5 (sambungan)
3.7 Diagram Alir Penelitian
Adapun diagram alir proses penyelesaian skripsi ini dapat dilihat pada
gambar 3.16 berikut ini.
Done
selesai
Post- Processing Report review
Ya
Tidak
A B
Run Calculation / Generate Solve
(proses penyelesaian)
Instalasi Solidwork Premium 2011
Mempelajari penggunaan software Solidwork Premium 2011
mulai
Gambar 3.16 Diagram Alir Penelitian (sambungan) Memastikan bahwa Ansys 14.5 telah dapat
digunakan untuk tahapan pre-processing, analisis dan post processing
error
Tidak
Ya
Mencari rujukan penelitian yang berkaitan yang bisa digunakan sebagai data sekunder
untuk bahan studi kasus
Melakukan simulasi chassis dengan Ansys 14.5
Simulasi behasil
Ya
Tidak
Membandingkan hasil chassis mesin USU I dengan chassis mesin USU II
Mempelajari penggunaan Ansys 14.5
Download dan instalasi Ansys 14.5
A
Gambar 3.16 Diagram Alir Penelitian (sambungan) Menganalisis perbandingan chassis mesin
USU I dengan chassis mesin USU II B
Hasil Nilai Simulasi Ansys 14.5
Chassis Mesin USU I Chassis Mesin USU II
Defleksi maks
Defleksi ground clearence
Tegangan maks
Regangan maks
BAB 4
HASIL DAN DISKUSI
4.1 Pendahuluan
Setelah melakukan tahapan-tahapan seperti pada metodologi penelitian
maka didapat hasil modelling dan hasil simulasi struktur chassis mobil Mesin
USU I dan chassis mobil Mesin USU I yaitu: hasil defleksi, hasil tegangan
maksimum, dan hasil regangan maksimum dengan menggunakan perangkat lunak
Ansys 14.5.
4.2 Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU
Pada sub bab berikut ini merupakan hasil modelling chassis mobil Mesin
USU I dan chassis mobil Mesin USU I.
4.2.1 Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU I
Model Chassis Mobil Mesin USU I yang didesain di Solidwork Premium
2011 ditunjukkan pada gambar 4.1.
Gambar 4.1 Model struktur chassis Mobil Mesin USU I
4.2.2 Hasil ModellingChassis Mobil Mesin USU II
Gambar 4.2 Model struktur chassis Mobil Mesin USU II
4.3 Hasil Simulasi Analisis Struktur Chassis Mobil Mesin USU
Pada sub bab ini akan membahas hasil simulasi analisis struktur chassis
mobil Mesin USU I dengan variasi beban yang diterima adalah 700 N dan 25 kN
dan chassis mobil Mesin USU II dengan variasi beban yang diterima adalah 700
N dan 3,8 kN. Adapun hasil simulasinya adalah sebagai berikut:
4.3.1 Defleksi Chassis Mobil Mesin USU dengan Pembebanan 700 N
Untuk perhitungan teori pada pembebanan 700 N yang diterima chassis
Mesin USU I pada 2 batang tempat duduk pengemudi maka analisis defleksinya
adalah sebagai berikut:
1. Beban yang diterima chassis untuk 1 batang adalah 350 N pada seperti pada gambar 4.3.
Gambar 4.3 Beban merata batang chassis
B A
� = 350 N
2. Beban yang diterima chassis untuk disesuaikan dengan pemberian gaya
pada ansys maka ditransformasikan dengan beban merata penuh seperti
pada gambar 4.4.
Gambar 4.4 Beban merata penuh batang chassis
3. diagram benda bebas gaya luar seperti pada gambar 4.5.
gambar 4.5 Diagram benda bebas gaya luar
= �
=0 5 350
= 0 5 ⁄
Maka dengan menggunakan persamaan 2-24 didapat maks pada =
=
= ( ( ) ( ) )
= 3
= 3 00 0 0 5 0 5 0 = 0 = 0 0
5
� =
= =
