Analisa Kekuatan Material As Pendulum Yang Terpasang Pada PLTGL-SB
Anggie Robbi Trisnautama1), Irfan Syarief A., ST, MT2) & Ir. Toni Bambang M.2)
Abstract
Keywords: PLTGL-SB, ace pendulum, FEM, Solidwork, stress, deflection. 1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Energi listrik yang kita gunakan saat ini berasala dari proses dan sistem yang sebagian besar berasal dari proses produksi energi yang membutuhkan bahan bakar fosil. Sehingga dalam perkembangan dari waktu ke waktu, ditemukan beberapa alternatif pembangkit energi terbarukan (renewable) yang lebih efisien dan ramah lingkungan [1]. Energi terbarukan tersebut antara lain :
Energi panas matahari (solar
energy)
Energi angin (wind energy) Tenaga air (hydro power)
Energi gelombang (ocean wave
energy)
Energi panas bumi (geothermal
energy)
Salah satu potensi laut yang belum banyak diketahui oleh masyarakat adalah energi laut tersebut dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif pembangkit tenaga listrik. Secara umum, potensi energi laut dibagi menjadi 3 jenis, yaitu : energi pasang surut air laut (tidal power), energi gelombang laut (wave energy), dan energi panas laut (ocean thermal energy) [1]. Beberapa keuntungan yang dimiliki teknologi pembangkit listrik tenaga gelombang adalah :
Adapun keunggulan teknologi tersebut dibandingkan dengan
teknologi yang ada di luar negeri seperti tersebut di atas;
Praktis dan Efisien, karena pembangkit tersebut hanya mengapung dipermukaan laut jadi tidak memerlukan area/lahan khusus dan dapat dipasang dimana saja sesuai potensi gelombang laut yang tersedia.
Mudah dioperasikan, karena penempatannya hanya mengapung dipermukaan, jadi daya/ energi yang dihasilkan hanya memanfaatkan fluktuasi dan perioda gelombang laut.
1.2. Permasalahan
Permasalahan yang diangkat dalam tugas akhir adalah apakah material yang digunakan aman, bagaimana distribusi tegangan yang terjadi pada pendulum, dan berapa tegangan pada pendulum tersebut. 1.3. Tujuan Penulisan
Tujuan yang ingin dicapai dari penulisan tugas akhir ini yaitu :
1. Mengetahui material yang baik untuk digunakan.
2. Mengetahui distribusi tegangan pada pendulum.
3. Mengetahui tegangan pada pendulum horizontal.
PLTGL is one of power station alternative yield electrics enetgy effect of existence of sea wave. This power plan consist of pontoon, bandul, pendulum and generator. On this research conducted material strength analisys of pendulum ace that installed at PLTGL-SB. First step are material data collecting, such as material properties. Besides, done by calculation of diameter, force and pressure. Then, makes pendulum model with Solidwork. Ready model will analize with finite element method (FEM). steps procedure for FEM analysis are mesh making, material properties input, boundry condition and finally model analizing. Because we want to know pendulum stress, analysis conducted at stable sea condition with load and angular velocity variation. Load and angular velocity variation caused maximal stress and maximal deflection also variated. From structure analysis result the largest stress is 206,53 N/mm2 at hole of ace pendulum zone, even though the largest deflection is 4,946 mm.
1.4. Manfaat Penulisan
Manfaat dari penulisan ini yaitu :
1. Memberikan pengetahuan bagaimana cara membuat model dan proses analisa pendulum.
2. Memberikan pengetahuan bagaimana pengaruh berat beban terhadap tegangan pada pendulum. 3. Memberikan informasi tentang
distribusi tegangan yang terjadi pada pendulum.
4. Memberikan informasi tentang kekuatan material yang digunakan pendulum.
2. Tinjauan Pustaka 2.1. Finite Element Methode
Finite Element merupakan pusat untuk menampilkan analisa teknik dari suatu model menggunakan computer. Suatu persamaan dibutuhkan untuk menentukan suatu karakteristik model yang kompleks seringkali begitu rumit sehingga tidak praktis dalam pemakaiannya. Finite element method memecahkan masalah dari analisa tegangan, analisa thermal, analisa aliran, dan sebagainya. Maka Finite Element Method bisa dikatakan sebagai suatu metode numerik untuk mencari solusi dari distribusi pada variabel bidang yang sulit untuk dianalisa. Element dari model finite element memiliki bentuk geometri yang umum seperti rectangles, triangles dan tetrahedral. Semuanya itu termasuk point penghubung yang dinamakan node, material yang digunakan dan element properties [2].
2.1.1. Pemodelan Geometri
Finite element ditentukan oleh bentuk dan propertiesnya sendiri. Sebagai contoh element digunakan dalam membuat mesh untuk surface mungkin disusun oleh quadrilaterals atau triangles [2].
2.1.2. Meshing
Meshing digunakan untuk memecah geometri menjadi bagian-bagian kecil yang disebut element atau cell [2].
Gambar 1 meshing of a hinge joint.
2.1.3. Spesification of Material Property Pemodelan suatu konstruksi dapat terdiri dari beberapa material yang digunakan. Inputan material yaitu dapat berupa mechanical properties (untuk analisa struktur) [2].
2.1.4. Spesification of Boundary, Initials and Loading Conditions
Kebanyakan permasalahan analisa melibatkan solusi bagaimana suatu model bertindak sebagai jawaban atas perlakuan pada model, yaitu mengenai gaya, tekanan, temperature atau yang berkaitan dengan magnetic. Dalam terminology analisa, ini dinamakan sebagai pembebanan [2].
Gambar 2 model dengan boundary condition
load dan displacement.
2.1.5. Element Properties
Anda dapat menggunakan aplikasi element properties untuk menciptakan, memodifikasi, menghapus, dan menunjukkan properties yang berhubungan dengan tipe element dan untuk menugaskan property ini dalam geometri atau FEM di dalam model anda [2].
2.1.6. Simulation
Setelah desain yang dibuat telah memenuhi kriteria yang ditentukan, proses simulasi dapat dilakukan. Proses simulasi ini dilakukan untuk mengetahui desain yang dibuat masih memenuhi persyaratan keamanan dan hasil yang optimum. Pada software Solidworks, proses simulasi pada benda pejal biasanya menggunakan COSMOSXpress [2].
Gambar 3 simulasi pada software
solidworks.
2.2. Gaya
Makin besar massanya makin sulit untuk menghasilkan kondisi gerak pada benda tersebut. Pengaru luar yang menyebabkan berubahnya keadaan gerak suatu benda kemudian disebut sebagai gaya (force) dan disimbolkan F. Satuan dari gaya adalah Newton (N) [3]. Sesuai pada Hukum Newton II yaitu percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan massanya, matematik hukum ini ditulis :
ma
F
(1) 2.2.1. Gerak Melingkar
Gerak melingkar beraturan yaitu suatu gerak dimana besar kecepatan dan percepatannya konstan tetapi arahnya berubah-ubah setiap saat [4].
dt
d
R
v
(2)Gambar 4 gerak melingkar.
Perubahan sudut yang disapu R setiap detik dinamakan kecepatan sudut atau frekuensi sudut [4]:
dt
d
(3) Hubungan kecepatan v (kecepatan tangensial atau kecepatan singgung) dengan kecepatan sudut adalah :
R
v
(4) Gaya centripetal timbul akibat adanya percepatan centripetal, yaitu percepatan yang arahnya ke pusat lingkaran. Percepatan centripetal adalah percepatan yang timbul karena adanya perubahan arah dari vektor kecepatan [4]:
r
v
m
ma
F
c c 2 (5) 2.2.2. Tegangan Tekan (Compressive Stress)Apabila sepasang gaya tekan aksial mendorong suatu batang, akibatnya batang ini cenderung untuk memperpendek atau menekan batang tersebut. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tekan pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya [3].
Gambar 5 gaya tekan aksial.
Selanjutnya, dari kesetimbangan benda yang diperlihatkan pada Gambar 5, besar resultan gayanya sama dengan beban P yang dikenakan, tetapi arahnya berlawanan [3]. Sehingga diperoleh rumus :
A
P
(6) 3. Metodologi 3.1. Alur PenulisanGambar 6 alur penulisan.
4. Analisa dan Pembahasan 4.1. Definisi Umum
Analisa dilakukan dengan cara memvariasikan beban pendulum. Mulai dari 10kg-100kg. Untuk membuat suatu model pendulum dengan berbagai variasi load tersebut dengan menggunakan softwere Solidworks. Dari gambar Solidworks maka model pendulum dilakukan pembebanan dengan beberapa variasi. Dari variasi ini akan dianalisa tegangan (stress) yang terjadi pada pendulum.
Material yang digunakan adalah marine use ST70. Dengan material propertiesnya dapat dilihat pada tabel 1 di bawah ini.
Tabel 1 Material properties ST70.
Ket Nilai Satuan Density 7800 Kg/m3
Modulus 210 GPa Tensile Strength 830 MPa Yield Strength 345 MPa
Poisson Ratio 0.28
Untuk menghitung diameter lengan pendulum, yaitu :
4
A
D
(6) Maka dari hasil perhitungan, diameter lengan pendulum yang ditentukan adalah 50mm.
Setelah ditentukan diameter lengan pendulum tersebut, maka akan dilakukan proses simulasi struktur dengan dilakukan pembebanan dengan memasukkan beberapa data yang diperlukan. Data-data tersebut antara lain gaya dan momen yang bekerja pada batang pendulum tersebut. 4.2. Analisa Struktur
Analisa dilakukan dengan memvarisasikan nilai load. Dari hasil analisa akan didapatkan nilai tegangan pada pendulum. Dari nilai tegangan tersebut akan dibatasi dengan nilai tegangan ijin yang direncanakan, sehingga piston tersebut dinyatakan dapat beroperasi pada kondisi tersebut.
Berikut langkah-langkah yang dilakukan dalam analisa struktur piston :
1. Pembuatan Meshing
Meshing model dilakukan secara otomatis dengan menggunakan TetMesh pada ratio 0.3.
2. Boundry condition
Boundry Condition dilakukan dengan memberikan tekanan diatas piston head dan dilakukan pencekaman pada lubang piston pin.
3. Input Material dan Properties
Data material yang telah didapat, dimasukkan ke karakter model dan dilakukan pemasukan properties pada elemen yang telah dibuat. Beberapa data mechanical properties material yang perlu dimasukkan yaitu modulus elastisitas, rasio poisson dan density. 4. Loading Case
Dari setiap boundry condition akan dilakukan loading case, agar model dapat dianalisa pada masing-masing kondisi. Karena pada model ini hanya ada satu kondisi, maka loading case dibuat default.
5. Analisa Model
Model dianalisa pada kondisi steady-state, dimana model dianalisa dalam kondisi tunak atau tidak ada pengaruh tegangan terhadap waktu.
Gambar 7 hasil meshing dan boundary
pada massa pendulum 40kg.
Gambar 8 hasil analisa stress pada
massa pendulum 40kg.
4.3. Pembahasan
Tabel 3 Data tegangan gaya terpusat hasil
analisa. m (kg) Tekanan Maksimal (N/mm2) Stress (N/mm2) Tegangan ijin (N/mm2) Max. Min. 10 49,33 49,33 0 207 20 95,98 95,98 0 207 30 143,84 143,84 0 207 40 193,98 193,98 0 207 50 241,67 241,67 0 207 60 291,79 291,79 0 207 70 339,46 339,46 0 207 80 389,24 389,24 0 207 90 435,17 435,17 0 207 100 485,31 485,31 0 207
Tabel 4 Data tegangan gaya terdistribusi hasil
analisa. m (kg) Tekanan Maksimal (N/mm2) Stress (N/mm2) Tegangan ijin (N/mm2) Max. Min. 10 58,32 58,32 0 207 20 105,16 105,16 0 207 30 152,96 152,96 0 207 40 203,16 203,16 0 207 50 251,47 251,47 0 207 60 304,29 304,29 0 207 70 357,93 357,93 0 207 80 406,78 406,78 0 207 90 452,99 452,99 0 207 100 500,81 500,81 0 207
Dari data diatas, maka dapat diketahui bahwa pada massa 10kg, 20kg, 30kg dan 40kg tekanan yang terjadi pada as pendulum masih dapat diterima oleh pendulum. Karena tegangan yang terjadi masih lebih kecil dari tegangan ijin.
Gambar 9 grafik tegangan pada
pendulum.
Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa semakin besar massa beban, maka tegangan yang terjadi semakin lebih besar. Hal tersebut terjadi karena tekanan as yang terbesar yaitu pada massa 100kg dengan tekanan sebesar 485,31 N/mm2 dan terus menurun secara gradual sampai pada massa beban yang terkecil yaitu 10kg dengan tekanan pendulum maksimal 49,33 N/mm2.
5. Kesimpulan
Dari hasil analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa :
1. Semakin besar massa beban yang diberikan, maka semakin besar tekanan yang terjadi pada as pendulum.
2. Penggunaan material pada alat tersebut juga menentukan kapasitas kekuatan yang dapat menahan beban yang diberikan.
3. Tegangan kritis paling besar terjadi pada daerah as pendulum tersebut, karena daerah tersebut yang berhubungan langsung dengan beban.
Daftar Pustaka
[1] Balitbang Ketenagalistrikan PLN dan LPPM ITS, ”Studi Pemodelan dan
Simulasi Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut-Sistem Bandulan (PLTGL-SB)”, Surabaya, 2010.
[2] Logan, D.L., A First Cource in the Finite Element Methode, 4th ed., Rahul Print
O Pack:India, hal. 1-23.
[3] Popov, E.P., Astamar, Z., Mekanika Teknik, 2nd ed., Erlangga:Jakarta, 1983.
[4] Aji Girawan, B., “Diktat Kuliah
Mekanika Teknik II”, Jurusan Teknik
