PENGUJIAN DINAMIS PADA DISAIN SEPEDA
LIPAT DENGAN PEMODELAN SOFTWARE
Rivanol Chadry
(1), Yusri
(1) (1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang
ABSTRACTStrength examination in the early designed for folding bike to very need as eligibility test to successful of designed. The examination designed of a folding bike to through the software adapted for a common dynamic condition and extreme a found in roadway that is surging and jumping street. This examination is needed to the strong product, rely on and efficiency to materials usage so that result of designed later can compete in marketing of facet is quality and also price.
The Software usage as dynamic examination early very is needed because evaluated from facet of is expense of very cheap and efficient. Software MSC. Visual Nastran represent one of software able to be used for the examination of with the dynamic condition. By using software MSC. Visual Nastram to usage the examination of folding bike designed to get the graph of tension change, strain and deflection of during condition of modeling examination. Pursuant to graph yielded by using materials AISI 1020 at construction
materials for folding bike, the obtained maximum tension (
) that happened is especialbar 1 is 20,0 N / mm2by maximum deflection is 0,1420 mm.
With the consideration analyses the examination of effect of dynamic maximum at the concept to early design through the usage software, expected when implementation of the folding bike which in fact or process the manufacturing will be adapted by a target expected that is strength, cheap and light.
Keywords: The Dynamic Examination of folding bike.
1. LATAR BELAKANG
Analisa dinamis dengan menggunakan software
MSC. Visual Nastran bertujuan untuk melihat
pengaruh kecepatan sepeda dan kondisi-kondisi jalan saat bersepeda terhadap perubahan tegangan dan regangan pada struktur rangka dan kompoen laiinnya.
Pada perhitungan secara manual, bagian yang
komplek sangat rumit untuk menghitung tegangan atau defleksi yang terjadi, sehingga diperlukan
asumsi-asumsi tambahan. Dengan pemodelan
menggunakan software akan dapat dilihat besarnya tegangan, regangan dan besarnya defleksi yang terjadi secara keseluruhan pada saat pergerakkan. Selain itu dapat dilihat dibagian mana konsentrasi tegangan yang terjadi pada komponen.
Pemodelan disesuaikan dengan kondisi jalan yang umum terjadi pada saat bersepeda misalnya jalan tanggul atau jalan jumping (tangga). Untuk jalan jumping dibuat dengan ketinggian 10 cm sedangkan untuk jalan bergelombang dibuat dengan tinggi 10 cm dan lebar 100 cm.
Tujuan penelitian ini adalah untuk menghasilkan grafik perubahan tegangan, regangan dan defleksi selama pergerakan sepeda lipat. Dari hasil grafik dapat ditentukan besarnya tegangan maksimum yang
terjadi pada batang-batang utama dan faktor
redamannya.
Gambar.1 Pemodelan Sepeda Pada MSC. Visual Nastran
2. METODOLOGI PENELITIAN
Gaya-gaya yang ditimbulkan oleh kondisi dinamis ini sangat jauh berbeda dibandingkan dengan kondisi
statisnya. Berbagai kondisi ekstrem tersebut
disesuaikan dengan kondisi yang sebenarnya yaitu kondisi pada saat sepeda bergerak dijalan raya dimana adanya jalan yang berlubang, tanggul (polisi tidur) dan adanya jalan jumping.
Pada pemodelan ini gaya berat dari sepeda yang
terdiri dari masing-masing komponen dihitung secara otomatis oleh software tersebut dengan memasukkan nilai dari material yaitu AISI 20. Bahan seluruhnya dibuat dari logam yang umum digunakan untuk pembuatan jenis pipa dan besi plat sebagai bentuk dasar pembuatan kerangka sepeda. Berdasarkan seleksi material dan proses, yaitu bahan yang
digunakan adalah bahan yang mudah melakukan
pemesinan serta penyambungan dengan
menggunakan las listrik.
Gambar .2 Propertis Material Pada MSC. Visual Nastran
Beban manusia yang ditumpu oleh sadel diasumsikan dengan berat rata rata orang Indonesia dewasa adalah 70 kg ( 687 N ).
Gambar 3. Pemberian Beban Pada MSC. Visual Nastran
Kecepatan sepeda selama pergerakan diatur antara 15 km/jam ( 4.17 m/dt) sampai dengan 20 km/jam ( 5,5 m/dt ). Sebagai kontrol kecepatan yang diinginkan adalah grafik kecepatan yang mempunyai satuan mm/dt.
Gambar 4. Pengaturan Kecepatan Pada MSC.VisualNastran
Berdasarkan kondisi di atas maka bahan yang dipilih adalah : Baja karbon rendah dengan tipe AISI 1020 dengan spesifikasi sebagai berikut :
Density : 7860 (kg/m3)
Modulus elasticity : 207 (GPa)
Yield strength : 295 (Mpa)
Ultimate strength : 395 (Mpa)
Ductility, % EL in 2 in : 37
Poisson’s ratio : 0,30
Thermal conductivity : 52 (W/m.oC).
Coefficient of thermal expansion (oC)-1x 106: 11,7 3. ANALISA DINAMIS
3.1 Konsep Dasar Analisa Dinamis
Analisa dinamis adalah menganalisa dan mencari hubungan antara gaya dan gerak. Hukum kedua Newton merupakan hukum dasar dalam menganalisa persoalan-persolan dinamis yang berbunyi :
Percepatan sebuah partikel adalah sebanding dengan gaya resultante yang bekerja padanya dan terjadi dalam arah garis lurus dimana gaya bekerja.
a
m
F
.
... (1)dimana :
F adalah gaya yang bekerja atau terjadi ( N ) m adalah massa benda ( kg )
a adalah percepatan benda ( m/dt2
)
Dalam merancang suatu rangka ( struktur ), kekuatan bahan menerima gaya luar merupakan salah satu hal yang penting dipertimbangkan disamping kekerasan, ketangguhan dan keuletan. Kaedah Hukum Hooke merupakan konsep penting dalam suatu analisa kekuatan material desain.
Strain,
=l
Gambar 5. Diagram Tegangan-Regangan
Sumber: Mechanics of Material by E.P. Popov Persamaan Hukum Hooke dalam mekanika teknik dapat juga dituliskan yaitu :
E
atau
E ... (2) dimana :
adalah tegangan bahan ( N/m2)Pengujian Dinamis Pada Disain Sepeda Lipat dengan Pemodelan Software (Rivanol Chadry)
93
adalah regangan dimanalo l Maka : E lo l ... (3)
Nilai modulus elastisitas merupakan suatu sifat yang
pasti dari suatu bahan. Sedangkan nilai
merupakan tegangan tarik maksimum suatu material. Berdasarkan persamaan-persamaan di atas maka defleksi yang terjadi tidak boleh melebihi dari defleksi yang diizinkan berdasarkan persamaan 3 tersebut.
3.2 Penerapan Hukum Hooke dengan Hukum Kedua Newton
Hukum Hooke menyatakan bahwa sebuah benda jika diubah bentuknya, maka benda itu akan melawan perubahan bentuk tersebut ( deformasi ) dengan gaya yang sebanding dengan besar deformasi, asalkan deformasi ini tidak terlalu besar. Untuk deformasi dalam satu dimensi, atau perubahan panjang saja, maka hukum Hooke dapat ditulis sebagai :
F = - k x ... (4)
dimana :
x = deformasi atau perubahan panjang ( m ) k = suatu tetapan pembanding ( N/m) F = gaya balik oleh bahan ( N )
Hukum Hooke berlaku pada suatu bahan atau material selama perubahan panjang tidak terlalu besar. Daerah dimana hukum Hooke berlaku disebut daerah elastik.
Hukum Hooke dan hukum Newton dapat ditulis secara bersama yaitu :
F = m . a = - k . x ... (5) 3.3 Hubungan Gaya Dengan Tegangan
Ketahanan atau kekuatan dari suatu mesin atau komponennya tergantung kepada kemampuan mesin
atau komponen menahan gaya-gaya luar yang
bekerja pada mesin/komponen. Gaya-gaya luar
terpakai pada sebuah sisi potongan tertentu haruslah diimbangi oleh gaya-gaya dalam yang terbentuk dalam potongan tersebut atau ringkasnya gaya-gaya
luar harus dimbangi oleh gaya-gaya dalam. Dalam
analisa statis hal ini dikatakan gaya-gaya yang bekerja berada dalam kondisi ketimbangan statis. Tegangan merupakan gaya yang bekerja pada suatu bidang persatuan luas bidang tersebut. Tegangan
merupakan kemampuan material dari
mesin/komponen menerima gaya luar terhadap
bidangnya. Gaya-gaya luar yang bekerja pada bidang
ini ada yang bekerja searah tegak lurus bidang yang
disebut juga tegangan normal (
) atau sejajar bidangyang disebut juga tegangan geser (
).1. Tegangan Normal (
)a. Disebabkan oleh gaya aksial
A F ... (6) F = Gaya normal ( N ) A = Luas penampang ( mm2)
b. Disebabkan oleh lenturan
I My
... (7)
dimana :
M adalah momen lentur ( Nm )
y adalah jarak bidang yang ditinjau dari sumbu netralnya ( m )
I adalah momen inersia ( m4)
2. Tegangan geser (
)Tegangan geser yang terjadi disebabkan oleh gaya geser dalam balok
A V
... (8)
dimana :
V adalah gaya geser ( N )
A adalah luas penampang ( m2)
3. Tegangan Kombinasi
Sebuah komponen yang mengalami tegangan normal dan tegangan geser sekaligus dikatakan komponen tersebut mengalami tegangan kombinasi. Persamaan untuk memperoleh tegangan utama akibat adanya tegangan kombinasi ( The principal normal stresses ) diperoleh : 2 2 2 , 1
2
2
xy y x y x
2 2 12
2
xy y x y x
2 2 22
2
xy y x y x
( Metoda the Von Mises Stress ) diperoleh : 2 1 2 2 2 1 max
(
)
(
)
...(9) 4. ANALISA PERHITUNGAN 4.1 Gambar Disain Kerangka SepedaGambar 4 Rangka Sepeda Lipat
A B C D E F F’ G H I J K engsel
Gambar 5. Mekanisme Link Rangka Sepeda 2D
4.2 Batang Utama 1 ( F – Engsel )
Bagian yang paling kritis terdapat pada sambungan
batang dengan engsel yang ditunjukkan pada
”Gambar (6)”.
Bagian kritis
Gambar 6. Bagian Kritis Pada Batang Utama1
0 10 20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Stress (MPa) vs. time (s)
0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Strain (mm/mm) vs. time (s)
0.00 0.05 0.10 0.15
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max Delta_MAG Displacement (mm) vs. time (s)
Gambar 7 Grafik Tegangan, Defleksi Terhadap Waktu Pergerakan Batang Utama1 (Massa batang = 2,05 kg)
4.3 Batang Utama 2 ( F – Engsel )
Bagian yang paling kritis terdapat pada sambungan batang dengan engsel yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Bagian kritis
Gambar 8. Bagian Kritis Pada Batang Utama
2
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Stress (MPa) vs. time (s)
0.000000 0.000005 0.000010 0.000015
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Strain (mm/mm) vs. time (s)
0.000 0.002 0.004 0.006
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max Delta_MAG Displacement (mm) vs. time (s)
Gambar 9 Grafik Tegangan, Defleksi Terhadap Waktu Pergerakan Batang Utama 2(Massa batang = 0,634 kg)
Pengujian Dinamis Pada Disain Sepeda Lipat dengan Pemodelan Software (Rivanol Chadry)
95 4.4 PIN Engsel
Bagian yang paling kritis terdapat pada Pin engsel ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Gambar 10. Bagian Kritis Pada Pin Engsel
0.0 0.2 0.4 0.6
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Stress (MPa) vs. time (s)
0.000000 0.000001 0.000002 0.000003 0.000004 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max von Mises Strain (mm/mm) vs. time (s)
0.00000 0.00005 0.00010 0.00015
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 Max Delta_MAG Displacement (mm) vs. time (s)
Gambar 11 Grafik Tegangan, Defleksi Terhadap Waktu Pergerakan Batang Utama 2(Massa = 0,0348 kg)
5. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dinamis diasin sepeda lipat
dengan menggunakan pemodelan menggunakan
software MSC. Visual Nastran, dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut :
Pengujian dengan menggunakan software MSC.
Visual Nastran menghasilkan grafik tegangan, dan regangan selama pergerakan sepeda dengan
kondisi dinamis yang disesuaikan dengan
kondisi jalan raya sebenarnya. Software juga menunjukkan bagian yang paling kritis pada konstruksi selama terjadi gerakkan sepeda.
Dengan menggunakan bahan sepeda lipat baja
Carbon rendah AISI 1020 dengan Yield Strength menghasilkan tegangan maksimum yang terjadi
adalah 20 N/mm2 dan regangan maksimum
0,1420 mm.
Melihat nilai grafik yang dihasilkan, maka
material yang digunakan masih memungkinkan dipilih material dengan kekuatan yang lebih rendah dan lebih ringan dari AISI 1020 misalnya bahan dari aluminium alloys. Pemilihan material
yang lebih rendah akan memungkinkan
mendapatkan sepeda lipat yang lebih ringan dibandingkan dengan menggunakan bahan AISI
1020 dengan mempertimbangkan kebutuhan
bahan tersebut disesuaikan dengan seleksi proses dan ada dijual dipasaran.
Penggunaan software sebagai alat uji awal disain
pada uji-uji dinamis memungkinkan kita para desainer untuk mengubah-ubah material yang lebih murah, ringan dan kuat yang disesuaikan dengan tujuan produk yang dihasilkan.
PUSTAKA
1. A.R. Holowenko, Dinamika Permesinan, terj.
Cendi Prapto, Jakarta Erlangga, hal 214, 1996.
2. Bernard J. Hamrock, Bo O. Jacobson, Steven
R. Schmid, Fundamentals of Machine Elemento, Singapura McGraw-Hill, hal 9, 1999.
3. E.P. Popov, Mekanika Teknik ( Mechanics of
Material, terj. Zainul Astamar, Jakarta,
Erlangga, hal 40, 219, 266, 1996.
4. Ferdinand P. Beer, E. Rusesel Jhonston, Jr,
Mekanika Untuk Insinyur. STATIKA, terj H. Nainggolan (Jakarta, Erlangga) hal 191-220, 1987.
5. J.L. Meriam dan L.Glenn. Kraige, Mekanika
Teknik, STATIKA. Edisi Kedua, Jilid I versi SI. Erlangga, Jakarta, 1987.
6. S. Timoshenko, D. H. Young, Mekanika
