KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS TESIS.

KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP

UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK

MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

TESIS

Oleh

JUSNITA

037015008/MTM

PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP

UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK

MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Teknik Mesin

Pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

OLEH

JUSNITA

037015008/MTM

PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Judul Tesis

:KETANGGUHAN RETAK DINAMIK BAHAN KOMPOSIT GFRP UNTUK HELMET INDUSTRI DISEBABKAN BEBAN IMPAK MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN FOR WINDOWS

Nama Mahasiswa : Jusnita Nomor Pokok : 037015008 Program Studi : Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua

(Prof.Dr.Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D) (Anggota) (Anggota)

Ketua Program Studi, Dekan,

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng)

Tanggal Lulus: 28 Nopember 2008

Telah Diuji pada

Tanggal: 28 Nopember 2008

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME

Anggota : 1. Prof.Dr.Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D 3. Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri 4. Ir. Syahrul Abda, M.Sc.

ABSTRAK

Penelitian ini menyajikan tentang pengujian yang dilakukan menggunakan pendekatan metode elemen hingga dengan spesimen yang berbentuk pelat komposit

glass fiber reinforced plastic (GFRP) untuk mengetahui nilai ketangguhan retak

dinamik disebabkan beban impak. Program simulasi ini dibuat dengan menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN for Windows dengan sub program FEMAP pembebanan dinamik. Untuk menyederhanakan pada proses simulasi, spesimen digambarkan setengah geometri karena bentuknya yang simetri, demikian pula dalam membuat mesh diatur dengan memperkecil ukuran mesh (fine mesh) pada daerah sekitar ujung retak. Pada pengujian ini beban impak diperoleh dari tegangan yang masuk ke spesimen dengan terlebih dahulu harus mengetahui diameter input bar dan tebal spesimen. Melalui simulasi ini juga diketahui propagasi tegangan yang terjadi; proses simulasi dimulai dengan mendefinisikan sifat material, membuat geometri dan mesh, menentukan kondisi batas, memberi beban, serta melakukan analisa dinamis dengan type analisis adalah transient dynamic/time dan type output displacement and

stress. Hasil simulasi elemen hingga menunjukkan pola distribusi tegangan pada

seluruh permukaan pelat. Besarnya faktor intensitas tegangan pada daerah retak mendekati hasil atau penelitian secara eksperimen. Harga rata-rata faktor intensitas tegangan yang diperoleh secara simulasi juga mendekati harga faktor intensitas tegangan kritis (ketangguhan retak) dari specimen GFRP yang diakibatkan oleh beban impak.

Kata kunci: Ketangguhan retak dinamik, GFRP, beban impak, faktor intensitas tegangan kritis.

ABSTRACT

This research is to study computer simulation of glass fiber reinforced plastic (GFRP) plate specimen, by finite element method. Its goal is to know the stress intensity factor and compared them with the critical intensity factor (fracture toughanes/obtained using experimental method. The simulation utilized MSC MSN/NASTRAN for Window software and FEMAP sub program with impact load model. To simplify the simulation process, specimens were drawn in half because of its symmetric. Small meshes are placed closed to the fracture tip. In this research the impact load propagated into the specimen uzed an experimental load model. The simulation was started by defining material characteristics, creating geometric, meshing, the plate defining boundary condition, applying the load. Analyses the stress intensity factor found form simulation is closed to the one obtained by experimental work, transient dynamic/time and the displacement and stress output type. The result of finite element simulation shows the stress distribution on the plate. The average stress intensity factor calculated in this study are in good agreement with the critical stress intensity facture (fracture toughness) obtained using experiments.

Keywords: Dynamic fracture toughness, GFRP, impact load, critical stress intensity factor.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kita panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, dengan berkat limpahan rahmat dan karunianya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul:

“ Ketangguhan Retak Dinamik Bahan Komposit GFRP Untuk Helmet industri Disebabkan Beban Impak Menggunakan MSC/NASTRAN For Windows“.

Penulisan tesis ini terlaksana berkat dorongan dan arahan dari berbagai pihak, terutama para komisi pembimbing, para pembanding yang melalui seminar proposal penelitian telah banyak memberi saran dan masukan demi kesempurnaan penulisan laporan tesis ini.

Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal,M.Eng, Prof.Dr. Basuki Wirjosentono, MS,Ph.D selaku komisi pembimbing dan juga sebagai Ketua dan anggota yang telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan dalam menentukan langkah-langkah pada pelaksanaan penelitian ini.

Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas serta menyetujui penulisan laporan tesis ini, agar penulis dapat melaksanakan tesis ini untuk mendapatkan masukan-masukan demi penyempurnaan dari mulai sistem penulisan dan hal-hal lain yang berkaitan dengan judul penelitian ini.

Direktur Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, yang telah memberi kesempatan kepada saya untuk menyelesaikan pendidikan S2, Bapak-bapak

Dosen Penguji dan Pembanding yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan, serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesai tesis ini. Suami dan anak-anak tercinta yang telah memberi semangat baik lahir maupun bahtin dan dengan sabar menunggu perjuangan ini.

Penulis menyadari tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, kritik dan saran sangat diharapkan untuk perbaikan pada masa-masa mendatang dan semoga tulisan sederhana ini ada manfaatnya,...Amin.

Medan, Februari 2010 Penulis,

J u s n i t a

RIWAYAT HIDUP

Nama : Jusnita

Tempat/Tgl. Lahir : Pekanbaru, 08 Juni 1972

Pekerjaan : Staf Pengajar Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhmmadiyah Riau (UMRI)

Alamat Kantor : Kampus Universitas Muhmmadiyah Riau (UMRI) Jl. KH. Ahmad Dahlan No. 88 Sukajadi Pekanbaru-Riau

Pendidikan

Sekolah dasar (SD) Negeri No.0.40 di Pekanbaru Tahun 1978 s/d 1984 Sekolah Menengah Pertama (SMP) Neg. 7 di Sumbar Tahun 1984 s/d 1987 Sekolah Menengah Atas (SMA) Neg. No.2 di Pekanbaru Tahun 1987 s/d 1990 Fakultas Teknik Univ. Islam Riau Tahun 1990 s/d 1996

Riwayat Pekerjaan

PC Epson Batam Center Tahun 1996 s/d 1997

Intruktur Komputer Lembaga PII Koputindo Pekanbaru Tahun 1997 s/d 1999 Intruktur Komputer Lembaga IKPI Pekanbaru Tahun 1999 s/d 2000 Ketua Jurusan Akademi Teknologi Muhammadiyah (ATOM)

Pekanbaru-Riau Tahun 2001 s/d 2003

Pembantu Direktur I Bidang Keuangan ATOM Pekanbaru Tahun 2008 s/d 2010 Ketua Program Studi Fakultas Teknik UMRI Tahun 2008 s/d 2010

Pelatihan-Pelatihan

1. Penyusunan Angka Kredit Dosen PTS

2. Pelatihan assesor kompetensi jurusan otomotif Badan Standarisasi Nasional Kerja Indonesia (BSNI) 20 Nopember s/d 24 Desember 2006 di Pekanbaru

3. Simposium Nasional Hak Kekayaan Intelektural (HKI) Ke III se Indonesia di Pekanbaru 2006

4. Administrasi Akademik dan Sistem Kredit Semester 1 s/d 4 Februari 2006 di Kopertis wilayah x Padang

5. Penyusunan Kurikulum 14 s/d 20 Pebruari 2007 di Koperti Wilayah X Padang 6. Penulisan Buku Ajar 5 Juli s/d 31 Juli 2007 di Pekanbaru.

7. Penyusunan Silabus Berbasis Kompetensi Nasional 23 s/d 25 September 2007 di Padang.

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR ISTILAH ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii

BAB 1. PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar belakang ………. 1 1.2. Perumusan Masalah ... 4 1.3. Tujuan Penelitihan ... 5 1.3.1. Tujuan Umum ... 5 1.3.2. Tujuan khusus ... 5 1.4. Manfaat Penelitian ... 6 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1. Standarisasi dan Klarifikasi Helemet Industri ... 2.2. Kontruksi Helmet Industri ... 2.2.1. Helmet industri bahan komposit ... 2.3. Material Komposit Polimer ... 2.4. Jenis Bahan Matrik dan Sifat-sifat Mekanik ... 2.5. Klarifikasi Bahan Serat dan Sifat-sifat Mekanik ... 2.6. Mekanisme Retak Komposit ... 2.7. Mekanisme Kegagalan ... 2.8. Ketangguhan Retak (Fracture Toughness) ... 2.9. Teori Propagasi Tegangan ...

2.9.1. Rambatan gelombang tegangan pada batang ... 2.9.2. Impak pada batang ... 2.9.3. Pengukuran kekuatan pelat bahan komposit ...

7 8 9 10 11 12 12 13 14 16 16 19 23

2.10.Metode Elemen Hingga ... 2.11.Tegangan dan Regangan ...

2.11.1. Tegangan ... 2.11.2. Teori regangan normal maksimum ... 2.11.3. Teori tegangan geser maksimum ... 2.11.4. Teori kegagalan (failure theorities) ... 2.11.5. Teori energi distorsi (VonMisses) ... 2.11.6. Fungsi bentuk (shape fucion) ...

25 28 28 31 32 32 33 34 BAB 3. METODE PENELITIAN ... 36

3.1. Tempat dan waktu ... 3.1.1. Tempat ... 3.1.2. Waktu ... 36 36 36 3.2. Bahan ... 36

3.3. Prosedur Pelaksanaan Penelitian... 37

3.3.1. Penelitian secara simulasi komputer ... 37 3.4. Kerangka Konsep ... 39

3.5. Variabel yang diamati ... 40

3.6. Pelaksanaan Simulasi Komputer MSC/NASTRAN ... 40

BAB 4. HASIL DAN DISKUSI ………... 41

4.1. Pendahuluan ……… 41

4.2. Simulasi Elemen Hingga dan Intreprestasi Hasil ……… 42

4.2.1. Simulasi Elemen Hingga ... 42

4.2.2. Interprestasi Hasil ... 46

4.3. Ketangguhan Retak Dinamik ... 51

BAB 5. Kesimpulan ... 54

5.1. Kesimpulan ... 54

5.2. Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA ... 56

DAFTAR TABEL

No. Judul Halaman

2.1. Kemampuan mekanis unsaturated polyester resin ... 11

2.2. Sifat-sifat mekanis serat jenis E-glass ... 12

2.3. Poisson ratio ν untuk sudut α dan θ ... 16

3.1. Sifat mekanis GFRP ... 38

4.1 Harga stress intensity critical factor pada daerah strain gauge ………... 54

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Helmet Industri ... Kontruksi Helmet Industri ... Helmet Industri Bahan Komposit ... Mikro kerusakan laminasi pada matrik, dan terjadi delaminasi pada lampisan matrik ...

Bentuk spesimen type SENB ...

7 8 10 13 14

2.6. Lokasi dari strain gage ... 15

2.7. Prilaku gelombang longitudinal ... 17

2.8. Susunan batang uji ... 19

2.9. Prilaku batang setelah terjadi impak ... 20

2.10. Prilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen ... 23

2.11. Teknik dua gage pada setup uji pelat komposit ... 24

2.12. Model struktur (mesh) pada sebuah pelat ... 26

2.13. Elemen tegangan berdimensi tiga ... 29

2.14. Elemen tegangan (a) elemen tegangan pritical (b) lingkaran Mohr triaksial regangan ... 30

2.15. Komponen-komponen regangan εx, εy dan γ xy dalam bidang xy ... 30

2.16. Tetrahedon ……….. 34

2.17. 3.1. Hexsahedron ………... Gambar susunan serat pada pelat GFRP lima lapis ……… 35 37 3.2. Set up alat uji impak ……….. 38

3.3. Susunan batang impak, batang penerus dan pelat komposit ... 39

3.4. Lokasi dari strain gage 3 ... 39

3.6. Model simulasi dengan MSC/NASTRAN ... 41

3.7. Diagram alir simulasi MSC/NASTRAN for Windows ... 42

4.1. Pengaturan mesh pada spesimen ……… 45

4.2. Pemberian beban pada spesimen ... 46

4.3. Pemberian beban dan kondisi batas pada spesimen ... 46

4.4. Grafik fungsi waktu vs tegangan pada lokasi strain gauge ... 47

4.5. Grafik fungsi dinamik... 47

4.6. Distribusi tegangan VonMises ... 50

4.7. Grafik distribusi VonMises... 50

4.8. Distribusi VonMisesarah x ... 51

4.9. Grafik distribusi tegangan arah x ... 51

4.10. Distribusi VonMises arah y ... 52

4.11. Grafik distribusi tegangan arah y ... 52

4.12. Grafik regangan vs stress intensity critical factor ... 55

:

DAFTAR ISTILAH

Simbol Besaran Satuan

K Faktor Intensitas Tegangan MPa m KI in Faktor Intensitas Tegangan Kritis MPa m

σ Tegangan MPa σ_u Tegangan Ultimate MPa σ_Ys Tegangan Mulur Mpa σ_max Tegangan Maksimum MPa σ₀ Tegangan Nominal MPa E Modulus Elastis GPa τ Tegangan Geser MPa ν Poison ratio - δ Elongation % F Gaya KN P Beban N W Lebar spesimen m t Tebal spesimen m α Sudut perletakan strain gauge 0

θ Sudut perletakan strain gauge 0 _{r Jari-jari mm}

DAFTAR LAMPIRAN

No. Judul Halaman

1 Distribusi tegangan ... 58

2 Grafik VonMises ... 64

4 Spesimen uji impak ... 66

3 Setup uji tarik ... 66