SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN
TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5
T E S I S
Oleh
PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2010 S
E K O L AH
P A
S C
A S A R JA
SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN
TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5
T E S I S
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Fakultas Teknik
pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
Oleh
PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Judul Tesis : SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5
Nama Mahasiswa : Parlindungan S.P
Nomor Pokok : 047015010
Program Studi : Teknik Mesin
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua
(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Ir. Tugiman, MT)
Anggota Anggota
Ketua Program Studi Dekan
Tanggal lulus : 25 November 2009 Telah diuji pada
Tanggal : 25 November 2009
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng
2. Ir. Tugiman, MT
3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
RIWAYAT HIDUP
Nama : Parlindungan S.Pasaribu
Tempat /Tgl.lahir : Serbalawan 19 Juli 1981
Pekerjaan : Staff Pengajar Fakultas Teknik Universitas Setia Budi
Mandiri Medan
Agama : Protestan
Alamat : Jl. Seksama Gg.Harapan Pasti Barat No.5A Medan
Telp : 061- 77789019
Hp : 081361202019
Jenis Kelamin : Laki – Laki
Pendidikan
2004 – 2009 Universitas Sumatera Utara
1999 – 2004 Institut Teknologi Medan
1996 – 1999 SMU Kampus FKIP Univ HKBP Nomensen P.Siantar
1993 – 1996 SMP Kristen Marga Utama
1987 – 1993 SD Negeri Pematang Bandar
ABSTRAK
ABSTRACT
This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas hikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul : ” Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa
(Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan
MSC/Nastran 4.5 ”.
Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak memberi masukan saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang tinggi kepada:
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng (anggota), dan Ir.Tugiman (anggota), MT selaku komisi pembimbing telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis.
memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Teknik Mesin SPs-USU.
Bapak-Bapak dosen yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesainya tulisan usulan penelitian ini.
Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah memberi kemudahan penggunaan fasilitas simulasi komputer.
Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di Program Magister.
Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan atas bantuannya dalam melakukan penelitian, simulasi komputer dan penyelesaian tesis ini.
Kedua orang tua,saudara penulis.
Pendamping (Tari Sianipar) yang setia menemani penulis
Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan tesis ini, oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, 2010 Penulis,
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK... i
ABSTRACT... ii
KATA PENGANTAR... iii
RIWAYAT HIDUP... v
DAFTAR ISI... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR GAMBAR... x
DAFTAR LAMPIRAN... xiv
DAFTAR ISTILAH... xv
BAB 1 PENDAHULUAN... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 5
1.3. Tujuan Penelitian ... 6
1.4. Manfaat Penelitian ... 6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA... 8
2.1. Sejarah Helm... 8
2.2. Pemodelan Helm ... 13
2.3. Prinsip-prinsip Cedera Kepala ... 14
2.4. Komposit ... 17
2.5. MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5... 23
2.6. Metode elemen Hingga... 28
2.7.Kerangka Konsep... 39
BAB 3 METODE PENELITIAN... 41
3.1. Tempat dan Waktu ... 41
3.2. Bahan, Peralatan, dan Metode... 41
3.3. Variabel Yang Diamati ... 49
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 51
4.1 Pendahuluan ... 51
4.2 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit ... 61
4.3 Simulasi Busa (Foam) yang Melekat pada Helm... ... 83
4.4 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit dilapisi Busa (Foam)... 91
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 102
5.1 Kesimpulan ... 102
5.2 Saran... 105
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977). ... 12
2.2 Klasifikasi cedera kepala... 14
2.3. Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak... 17
3.1. Mekanikal Propertis komposit GFRP……….. 42
3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX…… 42
3.3. Sifat Mekanikal serat jenis E-glass... 43
4.1 Hasil Tegangan Pada Helm Komposit... 83
4.2 Hasil Tegangan Pada Busa (Foam)... 90
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman 2.1 Helm Pertama BuatanBullard...8
2.2 Komponen Helm Sepeda Motor ...9 2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala...15 2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan
Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)...16 2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak ...17 2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk
Komposit...18 2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit...19 2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat
yang Tidak Searah...………...……...21 2.9 Mikro Kerusakan Laminasi pada Matriks, dan Terjadi
Delaminasi pada Lapisan Matriks...21 2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan
Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks ...22 2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185
2.14 Pemberian Constrain...27
2.15 Diskretisasi Elemen...29
2.16 Bentuk Elemen Solid Tetrahedral...31
2.17 Kerangka Konsep Penelitian...39
3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Enam Lapis...42
3.2 Helm Sepeda Motor Bahan Komposit...43
3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad 2002…………...45
3.4. Gambar Helm Geometri Dibagi Dua...46
3.5 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas...46
3.6 Kotak Dialog Constrain...47
3.7 Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu... 47
3.8 Hasil Grafik dari Hasil Analisa...48
3.9 Hasil Simulasi Distribusi...48
3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian... ...50
4.1 Gambar Helm dengan Autocad...51
4.2 Helm Solid...51
4.3 Lapisan Busa (foam) dengan Gambar Autocad 2002...52
4.4 Busa (foam) Solid...52
4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa...52
4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit...52
4.7 Helm tampak depan ...52
4.9 Dimensi Helm dengan Autocad...54
4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad...56
4.11 Model Helm dibagi Dua...56
4.12 Kotak Dialog Jenis Material...57
4.13 Kotak Dialog Sifat Mekanik Material...57
4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit...59
4.15 Kotak Dialog Mesh...59
4.16 Model Elemen Tetrahedral...60
4.17 Helm yang dimesh...60
4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z...61
4.19 Kotak Dialog Konstrain...61
4.20 Posisi Konstrain...62
4.21 Helm setelah dikonstrain...62
4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen...62
4.23 Kesetimbangan Momentum...62
4.24 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure...63
4.25 Kotak Dialog Arah Pembebanan...64
4.26 Kotak Dialog Model Fungsi...66
4.27 Kotak Dialog Library DYNA yang telah didaftar...66
4.28 Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic...66
4.29 Kotak Dialog Analysis...67
4.32 Kotak Dialog Proses Analisis ... .... 68
4.33 Kotak Informasi Hasil Analisa... ...68
4.34 Kotak Dialog Pilihan Model Style ... ...69
4.35 Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data ... ...69
4.36 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit ... ...70
Impak Atas... ... ...71
4.37 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Atas ... ...73
4.38 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit, Countur diperbesar (Tampak pada tebal helm bagian atas)...73
4.39 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas, Countur diperbesar (Tampak tebal helm bagian dalam )...74
4.41 Kotak Dialaog untuk Set Grafik Distibusi Tegangan...74
4.42 Kotak Dialog XY vs Set Value...75
4.44 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik A)...75
4.45 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik B) ... 76
4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Helm Komposit Impak Samping...77
4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Samping ...77
4.48 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping ( Lokasi Tegangan dititik A)...79 4.49 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping
(Lokasi Tegangan dititik B)...79 4.450 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit
Impak Belakang...80 4.51 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Belakang...80 4.52 Distribusi tegangan pada helm komposit, countur diperbesar (Tampak tebal helm)...81 4.53 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak
Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)...81 4.54 Grafik Tegangan pada Helm Komposit
Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)...82 4.55 Dimensi Busa (foam)...84 4.56 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Impak Atas pada Busa (foam)...84 4.57 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Impak Atas pada Busa (foam)...85 4.58 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (foam) Impak Atas...85 4.59 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
4.60 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Impak Samping pada Busa (Foam)...87 4.61 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (Foam) Impak Samping...87 4.62 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Impak Belakang pada Busa (foam)...88 4.63 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Impak Belakang pada Busa (foam)...89 4.64 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (foam) Impak Belakang...89 4.65 Gambar Solid Helm Komposit dilapisi
dengan Busa (foam)...91 4.66 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm
Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...91 4.67 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm
Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...92 4.68 Distribusi tegangan pada helm komposit
dilapisi Busa (Foam) Cuntur diperbesar
(Tampak tebal helm)...92 4.69 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititikA)...93 4.70 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
4.71 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...94 4.72 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...95 4.73 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit
dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar
(Tampak tebal helm)...95 4.74 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik A)...96 4.75 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B)...97 4.76 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang...98 4.77 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang...98 4.78 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit
dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman Lampiran 1 Detail Bentuk Kepala Kategori Reguler SNI 1811 2007...106.
Lampiran 2 157 BQTN-EX Series...109 Lampiran 3 Polyethylene Foam LD18... 111 Lampiran 4 Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan
ABSTRAK
ABSTRACT
This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Kesadaran masyarakat terhadap penggunaan helm sepeda motor terbilang masih sangat rendah. Helm sepeda motor kita ketahui didesign sebagai alat pelindung diri yang berfungsi untuk melindungi kepala pengendara sepeda motor dari benturan di jalan raya. Kepala merupakan bagian yang paling vital dari tubuh manusia seperti panca indera dan otak yang merupakan pusat berfikir, pusat keseimbangan, dan pusat dari segala aktifitas.
Kenyamanan dan keamanan pada saat berkenderaan merupakan idaman dan keinginan pengendara sepeda motor khususnya. Namun masih banyak pengendara sepeda motor yang belum memahami betapa pentingnya menggunakan alat pelindung diri saat mengendarai sepeda motor. Angka kecelakaan kendaraan bermotor di jalan raya, khusus untuk kota Medan relatif cukup tinggi, dimana kecelakaan ini kerap kali menyebabkan cedera pada bagian kepala.
Selain itu pemerintah telah menerbitkan Undang-undang No.14 tahun 1992 Pada pasal 23 tertulis bahwa semua pengendara dan penumpang sepeda motor serta kendaraan lain diwajibkan memakai helm. Aturan hukum yang mengatur tentang kewajiban menggunakan helm pengaman yang standard pun telah digulirkan (SK Menteri Perhubungan No.KM. 188/AJ.403/PHB-86) tentang topi pengaman (helm) sebagai perlengkapan teknis kendaraan bermotor dan kegunaannya bagi pengemudi dan penumpangnya, namun kenyataannya masih banyak pengendara sepeda motor mengabaikan ketentuan tersebut.
Pada kasus di lapangan sering sekali kecelakaan yang mengakibatkan cedera pada bagian kepala diakibatkan oleh kelalaian seorang pengendara yang tidak menggunakan helm pengaman dan ada juga yang diakibatkan penggunaan helm pengaman yang tidak memenuhi ketentuan.
Berdasarkan survei yang dilakukan para peneliti sebelumnya, kurangnya minat memakai helm disebabkan oleh helm yang digunakan terasa tidak nyaman, di mana hal itu disebabkan oleh beberapa faktor yaitu:
a. Helm terasa panas karena kurangnya ventilasi pada helm yang menyebabkan kepala mudah berkeringat dan menimbulkan gatal-gatal pada kulit kepala.
b. Helm terasa berat sehingga menyebabkan leher menjadi pegal.
c. Ukuran helm yang kurang sesuai dengan bentuk kepala sehingga terasa tidak nyaman ketika dipakai.
diantaranya: Penelitian helm non-standard (dari bahan Ethylene Propelene
Copolymer) yang mendapat beban impak kecepatan tinggi telah dikembangkan
oleh Syam B dan Mahadi (tahun 2000-2001). Penelitian helm industri secara simulasi komputer dengan menggunakan pendekatan elemen hingga oleh Nayan, menyelidiki perilaku yang terjadi pada helm akibat benda jatuh dari ketinggian 40 meter. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa tulangan sangat mempengaruhi konsentrasi tegangan.
menabrak kendaraan lain (mobil) dengan menggunakan finite element simulation MADYMO, penelitian ini menyimpulkan bahwa geometric dan material properties sangat menentukan dalam simulasi. Sedangkan N J Mills dan Gilchrist
(tahun 1991), meneliti tentang Efektifitas Busa Terhadap Helm Sepeda dan Sepeda Motor, menyimpulkan bahwa perbedaan bentuk dan kekakuan helm mempengaruhi dalam pengoptimalan design. Sejauh ini simulasi distribusi tegangan helmet sepeda motor dari bahan komposit bagi pengguna helm sepeda motor belum dilaporkan.
Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti memandang perlu dilakukan suatu simulasi untuk mengetahui simulasi distribusi tegangan helm sepeda motor dari bahan komposit terhadap beban impak kecepatan tinggi. Helm sepeda motor merupakan objek penelitian yang akan disimulasi dengan pemodelan dari bahan komposit. Pada penelitian ini, penulis memilih bahan komposit karena bahan polymer GFRP memiliki karakteristik yang lebih kuat, lebih nyaman dan lebih ringan. Selain itu bahan komposit merupakan bahan alternatif teknik sebagai akibat dari pertumbuhan aktifitas industri teknik yang semakin meningkat dan maju dewasa ini.
1.2. Perumusan Masalah.
Terjadinya kecelakaan/tabrakan, dimana pengendara jatuh dari kendaraan atau mengalami benturan mengenai kepala. Kepala merupakan organ tubuh yang sangat vital jatuh mengenai dapat menimbulkan cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur di dalam rongga kepala. Bila suatu benda bergerak memukul kepala atau bergerak mengenai suatu benda, maka pada waktu kontak antara keduanya akan terbentuk energi yang besarnya bergantung pada massa, densitas, bentuk dan kecepatan benda yang memukul. Sebagian dari energi benda akan diserap oleh kepala dan menyebabkan terjadinya deformasi berupa pelekukan tulang ke dalam (inbending) pada lokasi benturan. Jika energi terserap melewati suatu ambang tertentu maka terjadilah keretakan tengkorak dan cedera otak.
Permasalahan yang ditinjau dalam simulasi ini adalah salah satu kejadian yang sering terjadi dilapangan dimana helm yang mengalami benturan secara langsung mengenai kepala pengendara sepeda motor. Dari permasalahan tersebut ingin mengetahui seberapa besar tegangan yang diterima helm, besarnya distribusi tegangan yang berpotensi menyebabkan inisiasi retak pada permukaan helm yang yang terjadi dipermukaaan kepala, mengetahui tegangan terbesar yang terjadi pada helm sepeda motor dari bahan komposit dari pembebanan atas, samping dan belakang, membandingkan besar tegangan yang tejadi pada helm komposit, busa, helm komposit dilapisi busa.
Dalam penelitian ini, simulasi akan menggunakan software Autocad 2002,
Solidwork, MSC/Nastran 4.5 .
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan Umum
Tujuan Umum dari penelitian ini adalah untuk memperoleh hasil simulasi distribusi tegangan helm sepeda motor dari bahan komposit terhadap beban impak kecepatan tinggi, dengan software komputer MSC/Nastran 4.5.
1.3.2.Tujuan Khusus
1 untuk mengetahui distribusi tegangan secara menyeluruh pada struktur helm sepeda motor dari bahan komposit dengan simulasi komputer.
2. mengetahui tegangan terbesar dititik impak atas, samping, belakang yang terjadi pada helm sepeda motor dari bahan komposit dan helm komposit dilapisi busa.
3. membandingkan besar tegangan yang terjadi pada helm komposit, busa, helm komposit dilapisi busa.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini nantinya merupakan sebuah upaya nyata bagi pihak perguruan tinggi, khususnya bagi lembaga penelitian, dalam memberikan informasi. Adapun manfaat dari penelitian adalah :
2. Memberikan informasi kepada dunia industri dan pemerintah khususnya Deperindag dan Depnaker dalam memberi masukan kepada dunia kesehatan/medis tentang kekuatan helm sepeda motor bahan komposit. 3. Memberi masukan kepada Badan Stadarisasi Nasional (BSN) untuk
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Helm
Helm yang digunakan sebagai alat pelindung kepala para pekerja pertama ditemukan oleh Bullard. Setelah pulang dari tugas pada Perang Dunia I tahun 1915 beliau bekerja di Pertambangan, di sini dia mulai bereksperimen dengan helm combatnya yang digunakan semasa perang. Empat tahun kemudian usahanya membuahkan hasil sebuah topi keras yang pertama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 Cangkang helm tersebut terbuat dari lapisan kain kampas dan lem yang dipanaskan melalui proses penguapan dan kemudian dicat dengan warna hitam.
Gambar 2.1 Helm Pertama Buatan Bullard
sebagainya. Penggunaan helm secara umum yang digunakan sebagai alat pelindung kepala yang vital bagi pengguna sepeda motor.
2.1.1 Komponen Helm
Adapun konstruksi helm sepeda motor terdiri atas beberapa bagian. Secara umum bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2:
4. Peredam Benturan
1.Tempurung 5. Tali Cincin
2. Jaring 6. Bantalan Kepala
3. Pelindung 7. Tali Sinar Dagu Matahari
Gambar 2.2 Komponen Helm Sepeda Motor
Keterangan Gambar :
tertentu saja,liat dan lentur bukan dari bahan logam dan tahan terhadap perubahan cuaca.
2. Jaring,mengatur dan mengikatkan helm kepada kepala dengan baik, bersifat kuat dan tidak mulur. Ukuran jaring helm dapat diatur dan dibuat tetap.
3. Pelindung sinar matahari, untuk melindungi mata dari cahaya matahari yang langsung mengenai mata. Syarat bahayanya tidak terlalu ketat, tetapi yang paling penting adalah menahan sinar matahari yang masuk ke mata. Pelindung ini ada yang menyatu dengan tempurung helm, dan ada juga yang dipasangkan kemudian (optional).
4. Peredam benturan (absorber), berfungsi meredam energi benturan, sehingga energi benturan tidak diteruskan ke kepala. Absorber ini bersifat lunak dan liat, tetapi tidak kenyal.
5. Tali cincin, berfungsi untuk mengikat jaring helm.
6. Bantalan kepala, bersifat lunak, berbentuk jaringan berhubungan langsung dengan kepala serta memberikan kenyamanan pada pemakai helm
7. Tali dagu, agar jaring perekat helm dapat terpasang di kepala dengan baik dan kuat, merupakan aksesori, terbuat dari plastik atau bahan-bahan lembut yang tidak menimbulkan kerusakan kulit. Lebar minimum tali dagu adalah 20 mm dan harus benar - benar berfungsi sebagai pengikat helm saat dikenakan.
2.1.2 Standarisasi Helm
Helm-helm yang digunakan oleh masyarakat di negara maju pada umumnya sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan peraturan yang ditetapkan oleh pemerintahnya. Diantara standar-standar helm yang dikenal luas dan banyak menjadi referensi antara lain:
1. ANSI Z89.1-1997 (American National Standards Institute) 2. JIS T 8131 1977(Japan Industrial Standard)
3. SNI 09-1811-1990 (Indonesia)
Untuk masing-masing standar memiliki klasifikasi yang berbeda berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. ANSI mengelompokkan dalam dua tipe,
1. Helm yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh bebas dari ketinggian tertentu umumnya digunakan oleh pekerja konstruksi, sedangkan
2. Helm yang digunakan untuk melindungi kepala dari benda yang jatuh bebas juga dari benda yang datang dari arah lateral baik dari arah depan, samping dan belakang umumnya digunakan oleh petugas pemadam kebakaran.
JIS (Japan) juga mengklasifikasikan berdasarkan kegunaan dan material yang digunakan. Klasifikasi helm menurut JIS dapat dilihat pada tabel 2.1 SNI
Tabel 2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977).
Kelas Fungsi Klasifikasi Klasifikasi
berdasarkan berdasarkan
bahan tempurung ketahanan terhadap
tegangan listrik
A Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap
mengurangi bahaya dari tegangan listrik
benda melayang atau jatuh Metal
B Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan tehadap mengurangi bahaya akibat tegangan listrik benturan
AB Untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap
mengurangi bahaya dari tegangan listrik
bendamelayang atau jatuh dari bentutan
AE untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap
mengurangi bahaya tegangan listrik
dari benda melayang atau jatuh dan untuk melindungi dari bahaya kejutan listrik dikepala
ABE untuk melindungi atau Synthetic Resin tidak tahan terhadap
mengurangi bahaya tegangan listrik
2.2 Pemodelan Helm
Helm yang akan dimodelkan dibuat dari bahan komposit polimer.
Pemilihan bahan komposit sebagai pemodelan helm dikarenakan bahan komposit mudah dibentuk sesuai dengan kontur, dan sifat-sifat karakteristik bahan komposit mudah disesuaikan dengan karakteristik dari refrensi hasil peneliti peneliti sebelumnya.Material Komposit dapat didefiniskan sebagai gabungan dari dua atau lebih material yang berbeda secara makroskopik dan mempunyai sifat-sifat yang diinginkan yang tidak dapat diperoleh dari bahan–bahan penyusun (asal) jika bekerja sendiri-sendiri, Gibson. Hal ini yang mendorong pengembangan komposit khususnya plastik yang diperkuat serat gelas (GFRP). Serat gelas dan plastik dengan sifat-sifat fisis dan mekanis yang baik dikombinasikan sehingga memberikan sifat meterial yang baru dengan sifat-sifat unggul material tunggal penyusunnya.
2.2.1 Profil helm
Seperti ditunjukkan dalam Lampiran 1, profil helm,gambar detail bentuk kepala kategori reguler SNI 1811 2007 profil headform terbagi dalam dua bidang yaitu bidang reference dan bidang basic. Bidang basic plane adalah suatu bidang yang mengandung suatu garis dibawah lubang telinga dan kelopak mata. Bidang
reference adalah suatu bidang konstruksi yang paralel terhadap bidang dasar pola
2.3 Prinsip-prinsip Cedera Kepala
Cedera kepala ada kalanya terkait secara langsung dengan kejadian penyebabnya (misalnya, kecelakaan kendaraan bermotor dan jatuh benda dari ketinggian tertentu). Banyak faktor yang saling terkait yang bergabung dalam menentukan mekanisme cedera. Beberapa faktor ini melibatkan jenis gaya dan besar, lokasi, arah, durasi dan kecepatannya .
Secara umum cedera kepala dapat dikelompokan dalam empat kategori yaitu, kerusakan kulit, keretakan tengkorak, cedera otak, dan cedera leher. Tabel 2.2 menunjukkan klasifikasi dari cedera kepala.
Tabel 2.2 Klasifikasi cedera kepala
Tipe Cedera Kepala % (Otte et al ) % (Hurt et al )
Cedera ringan 43,5 18,5
Keretakan tengkorak 6,1 16
Keretakan wajah/muka 7,0 -
Cedera otak 38,2 54,4
Cedera leher - -
Lain-lain 5,2 11,1
2.3.1Toleransi beban impak pada kepala/otak, Jones.
Av 300
200
injury ukely
100
injury unukely
0 10 20 30 40 50 T(ms)
Gambar 2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala
Dimana pada sumbu Av merupakan garis akhir kerusakan kepala,
g a
Av = 2 ...(2.1)
batas waktu yang ditoleransikan adalah 2,5 ms ≤ T ≤ 50 ms (Gambar 2.3), percepatan maksimum =300.g (g = percepatan gravitasi bumi)
a =
-Δ
2
2 2 V
...(2.2)
sedangkan jangka waktu yang dibutuhkan adalah :
T =
2
2
V
Δ...(2.3)
Ukuran kerusakan pada kepala (HIC)
HIC = ( 2 1)
{
2 /(
2 1)
}
1 A dt T T
T
T v
T
T −
∫
− ………(2.4)
Untuk percepatan tubuh yang utuh,
a/g=70 a/g=50 HIC
300
a/g =30
300
300
a/g=10
0 10 20 30 40 V2(ms-1)
Gambar 2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)
Batas antara impak yang berpotensial fatal dan tidak adalah:
HIC = ( Pm / M2 . g )1.5V2 / g...(2.6) Atau,
HIC = V2 .a1.5 / g2.5 ...(2.7)
Tabel 2.3 Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak
Jenis Tulang Tengkorak Gaya (kN)
Frontal 3,6 s.d 9,0
Temporal 5,0 s.d 12,5
Pariental 6,4
Occipital 2,0 s.d 4,2
Gambar 2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak
2.4 Komposit
Komposit adalah dua atau lebih bahan yang digabung atau dicampur secara makroskopik yang terbuat dari berbagai kombinasi logam, polymer dan seramik. Artinya penggabungan sifat-sifat unggul dari pembentuk masih terlihat nyata, dapat, Awaludin Thayab dilihat pada Gambar 2.6:
+
Gambar 2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk Komposit
Keterangan gambar :
1. Matriks berfungsi sebagai penyokong, pengikat phasa, penguat. 2. Penguat/serat merupakan unsur penguat kepada matriks.
3. Komposit merupakan gabungan, campuran dua atau lebih bahan bahan yang terpisah.
Komposit dikenal sebagai bahan teknologi dan bukan bahan struktur konvensional melainkan bahan struktur yang artinya diperoleh dari hasil teknologi pemrosesan bahan. Kemajuan teknologi pemrosesan bahan dewasa ini telah menghasilkan bahan teknik yang dikenal sebagai bahan komposit.
Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat unggul dari sifat pembentuknya serta ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
1. Bahan ringan, kuat dan kaku
2. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya
3. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan; kekuatan yang tinggi, keras, liat/kenyal, ringan serta tahan terhadap goresan dan pukulan (impak).
2.4.1 Klasifikasi Bahan Komposit
Klasifikasi bahan komposit dapat dilihat pada Gambar 2.7:
Gambar 2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit.
Keterangan gambar:
1. Komposit Partikel (Particle-reinforced ).
Merupakan komposit yang diperkuat partikel, penguat dalam satu atau lebih partikel yang tersebar diikat oleh matriks yang berbeda phasa. Komposit partikel diperkuat oleh logam, polymer, keramik. Komposit partikel terdiri dari partikel besar dan partikel kecil.Partikel Besar (Large Particle), merupakan hubungan antar matriks dan partikel merupakan suatu rangkaian kesatuan, Sifat-sifat bahan phasa partikel lebih keras dan lebih kaku dari pada phasa matriks. Contoh bahan campuran semen dan kerikil. Partikel Kecil (Dispersion Strengthened) Hubungan antar matriks dan partikel bukan merupakan suatu rangkaian kesatuan, lebih kuat dan kaku dibandingkan komposit partikel besar. Contoh: kekuatan aloy nikel.
Composite
Structural Particle Reinforced Fiber Reinforced
Large Particle
Dispersion Strenghtened
Continious Aligned
Discontinious short
Laminates
Sandwich Panels
2. Komposit Serat (Fiber Reinforced)
Komposit serat merupakan komposit yang diperkuat serat phasa penguat berbentuk serat dalam diikat oleh matriks, diameter 0,01 – 0,1 µm. Ukuran serat sangat menentukan bahan komposit menerima gaya-gaya luar. Semakin panjang ukuran serat maka semakin efisien dalam menerima gaya searah serat. Panjang serat berfungsi untuk menghilangkan kemungkinan retak sepanjang batas pertemuan serat dengan matriks selain itu juga berfungsi mencegah cacat permukaan.
Jenis-jenis komposit serat :
1. Countinius Fiber Composite 2. Chopped Fiber Composite 3. Woven Fiber Composite 4. Hybrid Composite
3. Komposit/Struktur Laminat
Komposit yang terdiri dari dua bahan yang berlainan (lamina), terdiri atas susunan phasa penguat dan matriks dalam bentuk lamina bisa dalam arah searah dan tegak lurus, arah tidak beraturan tergantung pada keperluan terhadap beban.
2.4.2.Mekanisme Kegagalan Komposit
1. Kerusakan serat (fiber breaking) 2. Keretakan matriks (matrix cracking)
3. Berpisahnya lapisan antara (interface debonding) 4. Delaminasi (delamination)
untuk memeriksa kerusakan tersebut (memeriksa Fraktografi) dengan ASTM E-30, 2002. Contoh kegagalan yang ditunjukan pada Gambar 2.8 :
Gambar 2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat yang Tidak Searah
.
Gambar 2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks
Gambar 2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185 Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan).
material laminasi yang mengalami kegagalan, serta digambarkan mekanisme retak maupun arah progasi dari keretakan tersebut.
2.5 MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5
MSC/NASTRAN merupakan salah satu dari beberapa software untuk analisis struktur dengan metode elemen hingga (Finite Element Hingga). Nastran terdiri dari 2 program utama yaitu: Pre/Post Procesor yang disebut FEMAP dan prosesornya yaitu MSC/NASTRAN 4.5 . FEMAP digunakan untuk membuat model, validasi kondisi dan melihat hasil analisa FEM, yang seluruhnya berorientasikan grafik dan bersifat interaktif (Graph User Interface/GUI). Prosesor Nastran merupakan software utama FEM yang berorientasikan angka numerik yang berfungsi menganalisa dengan metode elemen hingga sehingga diperoleh hasil sesuai dengan jenis analisanya.
Jenis analisa yang dapat dikerjakan oleh Nastran diantaranya adalah : 1. Analisa Statik
2. Buckling 3. Normal Mode 4. Non linier
Setelah diperoleh hasil analisa dengan NASTRAN, kemudian USER
kembali ke FEMAP untuk melihat hasil analisanya secara grafik.
1.Pengenalan Objek.
dan data hasil perhitungan berupa displacement, stress dan sebagainya bukan merupakan objek meskipun data-data ini dapat divisualisasikan pada monnitor berupa countur berwarna, vektor ataupun angka. Dalam FEMAP objek dapat dikelompokan sebagai berikut :
1. Sistem koordinat 2. Geometri
3. Text 4. FEM
2.Nomor Identitas.
Setiap objek memiliki nomor identitas yang unik diantara objek sejenis. Misalanya jika di dalam model terdapat tiga buah poin (titik) dan dua buah line (garis), maka ketiga point tersebut memiliki nomor identitas yang berbeda satu dengan yang lain, demikian juga dengan line, akan tetapi antara nomor-nomor identitas point dan nomor identitas line bisa sama. Nomor identitas tidak perlu berturut dari 1, 2, 3... akan tetapi bisa acak.
3.Sistem koordinat
Suatu sistem koordinat cartesian sebagai sistem koordinat global telah tersedia di dalam FEMAP. Untuk memudahkan pemodelan geometri maupun FEM, dimungkinkan untuk dibuat sistem koordinat lokal sesuai keinginan user. Beberapa aturan dalam pembuatan sistem koordinat lokal adalah sebagai berikut :
2. Sistem koordinat lokal dapat berupa sistem koordinat cartesian (rectangular), cylindric, spheric.
3. Sistem koordinat lokal dapat diguanakan baik untuk pemodelan geometri maupun pemodelan FEMAP.
4.Objek Geometri. 1. Point
Point merupakan objek yang paling dasar untuk membuat model geometri. Informasi mengenai point yang perlu diketahui oleh user paling tidak adalah data x,y,z.
2. Line (garis)
Dua buah point yang dihubungkan dengan sebuah garis. Secara Numerik Line digambarkan sebagai suatu garis lurus dimana kedua ujungnya memiliki point. Point yang terhubung dengan line tidak dapat dihapus.
3. Arc (busur)
Busur lingkaran yang didefenisikan dengan sebuah point sebagai titik pusat lingkaran dan tiga buah point sebagai titik awal, tengah dan ujung.
4. Circle (lingkaran)
5. Spline
Garis lengkung yang menghubungkan beberapa point. Dalam
FEMAP, spline masih dibagi menjadi beberapa jenis yaitu : elips
parabola, hiperbola dan persamaan pangkat 3. 6. Surface
Suatu bidang permukaan yang dibatasi oleh 4 kurva tertutup. 7. Volume
Ruang tiga dimensi yang dibatasi oleh surface tertutup.
5.Objek Model FEM.
1. Node (=grid) Point (=Nodal)
Pada Monitor divisualisasikan dengan tanda x. 2. Elemen
Elemen divisualiasikan sesuai dengan jenis elemennya. Tampilan dasarnya merupakan garis garis wireframe yang menghubungkan node-node pembentuk elemen. Beberapa jenis elemen yang sering digunakan dalam bentuk tampilan dasar, dapat dilihat pada Gambar 2.12) :
1 Crod CTRIA COUA CHEXA
3. Load (beban)
Load ditampilkan sebagai tanda panah dimana load tersebut diaplikasikan pada model FEM, untuk load force berupa panah dengan satu tip sedangkan untuk load moment berupa anak panah dengan dua tip. Contoh satu elemen CQAD4 tersebut diberi beban pada salah satu pointnya, tampak pada Gambar 2.13:
force
moment
CHEXA
Gambar 2.13 Elemen Diberi Beban
4. Constrain (kondisi batas tumpuan)
Constrain ditampilkan sebagai tanda Δ (segitiga) yang ditempatkan pada node yang dicostrain, seperti pada Gambar 2.14 :
123456
2.6 Metode elemen Hingga.
2.6.1 Sejarah.
Metode elemen hingga yang dikenal sejak 1956 oleh Turner dan kawan kawan, mengunakan metode elemen hingga untuk menganalisa struktur pesawat udara (bar yang disatukan pin dan plat seitia dengan muatan dalam bidang). Prezemienieck telah menuliskan buku menenai aplikasi metode elemen hingga untuk analisa tekanan. Zienkieewicsz dan Cheung menggunakan metode elemen hingga keseluruh jenis masalah medan yang bisa diformulasikan kedalam bentuk varisional. Gallagher dan kawan kawan telah menggunakan metode elemen hingga dalam mekanik fluida. Dengan perkembangan pendekatan matemetika seperti Geralkin dalam formulasi persamaaan elemen hingga. Dengan seluruh kemajuan ini, metode elemen hingga adalah alat analitik dikembangkan untuk mendapatkan respon tekanan struktur. Kemudian diperluas untuk memprediksi perilaku dari bidang-bidang atau domain non struktur, seperti mendapatkan medan tekanan dan kecepatan arus cairan serta sebaran temperatur maupun fluks pana dalam masalah pindahan panas. Pada dasarnya juga menyelesaikan seperti pergeseran, kecepatan dan temperatur. Kegunaan metode elemen hingga untuk menyelesaikan geometris yang sukar dengan pendekatan mendiskertisasi atau membagi-bagi bidang struktur atau bidang lain kedalam jumlah yang lebih kecil.
persamaan keseimbangn untuk megahasilkan nilai medan node (pergeseran, temperatur dan lain lain). Post-prosesor adalah proses menunjukan parameter analitis yang dibutuhkan. Dengan post proses dapat menevalusi distribusi tekanan, pergeseran struktur, ditribusi tekanan, atau distribusi fluks panas .
2.6.2 Langkah umum Metode Elemen Hingga
Sebelun analisis dilakukan, bidang yang akan dianalisis didefenisikan secara jelas, geometri dari bidang harus jelas, pengaruh lingkungan harus diketahui kondisi pembatas harus didefenisikan dengan jelas. Maka dengan langkah berikut dilakukan analisis dengan metode elemen hingga :
1. Mendiskretisasi domain dan memilih jenis jenis elemen, Membagi-bagi elemen (Meshing elemen) dengan node-node yang berhubungan, memilih jenis elemen yang cocok. Diskretisasi elemen ditunjukan pada Gambar 2.15.
2.Memilih fungsi pergeseran, dalam hal ini menggunakan nilai nodal dari elemen. Polynomial linier merupakan fungsi yang digunakan karena mudah dikerjakan dalam formulasi elemen hingga.
3.Mendefenisikan regangan/pergeseran dan hubungan,dan
tegangan/regangan, hubungan ini bertujuan untuk mendapatkan persamaan untuk setiap elemen hingga,
dx du =
∈Χ ...(2.8)
dari hukum tegangan dan regangan, hukum Hooke, sering digunakan dalam analisis tekan,
σx = EεΧ...(2.9)
Dimana :
σx = Tegangan sepanjang x E = Moduls Elastisitas ∈x = Regangan sepanjang x
4.Mendapatkan matriks kekakuan elemen dan persamaan, persamaan ini didasarkan pada konsep koefisien pengaruh kekakuan, yang mempertimbangkan latar belakang dalam analisis struktural. Dengan mempergunakan beberapa metoda seperti metoda keseimbangn langsung, metode kerja atau energi, akan menghasilkan persamaan untuk menggambarkan perilaku elemen .
dalam bentuk matriks :
Dimana :
f = gaya
k = matriks stiffness
d= nodal
5.Rangkai persamaan elemen untuk mendapatkan persamaan global, Persamaan akhir dalam bentuk matriks :
{ }
F =[ ]
k{ }
d ...(2.11) 6.Menyelesaikan tingkat kebebasan yang belum diketahui7.Menyelesaikan regangan dan tekanan elemen.
8.Menganalisa hasil yang digunakan dalam proses desain analisis.
2.6.3. Elemen tetrahedra.
Bentuk elemen tetrahedra ditunjukan pada gambar berikut ini .
z,w 1
2 3
4 y,v
x,u
Langkah-langkah menganalisa elemen tetrahedra adalah :
Lagkah 1 : Diskretisasi dan pemilihan tipe elemen.
Memperhatikan cara penomoran yang dilakukan. (nomor terakhir = 4 terlebih dahulu dikerjakan ,sedangkan yang lainnya serah degan kebalikan arah jarum jam. Displacemen ={q}
Langkah 2 : Pemilihan fungsi displacemmen
fungsi displacemen u,v,w merupakan fungsi linier karna hanya ada dua node yang membatasi sebuah rusuk elemen . masing masing fungsi dispalacemen tersebut adalah:
u(x,y,z) =a1 + a2x + a3y +a4z………(2.13) v(x,y,z) =a5 + a6x + a7y +a8z………...(2.14) w(x,y,z) =a9 + a10x + a11y +a12z………..(2.15) dengan syarat batas : pada (x,y,z) u =u1 ; (x,y,z) u =u2
(
) (
)
dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut :
4
v menyatakan volume dari elemen tetrahedra .Koefisien koefisien α1 ,
v
Langkah 3 : Menentukan strain – displacemen dan hubungan stress/strain
Strain dari elemen untuk kasus stress tiga dimensi diberikan dalam persamaan berikut ini:
dikalikan dengan matrik
[ ]
B ,strain dinyatakan sebagai :dimana,
dengan memasukkan harga Ni maka akan diperoleh persamaan sub matrik :
[ ]
hubungan stress- strain diberikan melalui persamaan
2.6.4 Aplikasi Metode Elemen Hingga
Metoda elemen hingga dapat digunakan untuk menanalisa masalah struktural dan non struktural .
Untuk struktural meliputi :
1. Menganalisis tekanan, termasuk truss dan frame, dan masalah konsentrasi tekanan yang biasanya yang berhubungan dengan hole, fillet atau perubahan dalam geometri.
2. Buckling 3. Analisis getaran Untuk Non-struktural termasuk :
1 . Pindahan Panas 2. Fluida
3. Distribusi potensial listrik atau magnetis.
2.7 Kerangka Konsep
Gambar 2.17 Kerangka Konsep Penelitian
Dari Gambar 2.17 dapat dilihat, permasalahan cedera kepala (keretakan tulang kepala disebabkan kecelakaan/tabrakan) diakibatkan oleh belum mampu menerima benturan, dalam hal ini kekuatan helm. Dari permasalahan diatas ingin mengetahui distribusi tegangan pada helm sepeda motor dari bahan komposit dengan simulasi MSC Nastran 4.5 . Dengan data data variable bebas yang diperlukan seperti Young Modulus, Poition ratio, Mass Density, Besar tegangan,
Permasalahan :
Mengetahui Sejauh Mana Besar Tegangan, Distribusi Tegangan pada
Permukaan Helm.
Simulasi Helm MSC / Nastran
4.5
Variabel bebas : 1. Propertis Helm
- Young Modulus - Poition Ratio - Mass Density 2. Jarak
3. Besar Tegangan
Hasil yang diperoleh : - Distribusi Tegangan - Tegangan Terbesar
- Membandingkan Besar Tegangan
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu
Tempat pelaksanaan penelitian dilaksanakan di laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Klarifikasi secara simulasi akan dilaksanakan di IC-STAR USU menggunakan perangkat lunak Autocad 2002 dan MSC/NASTRAN 4.5. Pelaksanaan penelitian dimulai sejak tanggal pengesahan usulan penelitian oleh Pengelola Program sampai dinyatakan selesai.
3.2 Bahan, Peralatan dan Metoda
3.2.1 Bahan
Struktur helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced
Plastics (GFRP), yang terdiri dari polyester resin tak jenuh BTQN 157 EX
(unsaturated polyester resin) sebagai matriks dan serat kaca dari jenis E glass
Gambar 3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Dua Lapis.
Tabel. 3.1 Mekanikal Propertis komposit GFRP
No. Propertis Unit
1 Young modulus ,E 6,689 GPa
2 Poition Ratio , ν 0,33 3 Massa jenis ,ρ 1555 kg/m3
Material penyusun pelat komposit GFRP
a. Bahan matriks adalah unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX
Tabel. 3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX.
Sifat mekanis Satuan unit
Berat jenis Mgm-3 1,215
Modulus elastisitas Kg/mm2 300 Kekuatan tarik statis Kg/mm2 55
b. Bahan serat adalah serat gelas E, dengan sifat mekanis seperti diperlihatkan pada Tabel 3.3.
Tabel. 3.3 Sifat Mekanikal serat jenis E-glass
Sifat Mekanis Satuan Unit
Diameter μm 12
Densitas g.cm2 2,53 – 2,60
Modulus elastisitas Kg/mm2 7300 Kekuatan tarik statis Kg/mm2 350
Elongation % 4,8
Pada penelitian ini spesimen helm yang akan diuji adalah helm sepeda motor dari bahan komposit (tampak pada Gambar 3.2). Pemilihan bahan komposit GFRP sebagai pemodelan helm dikarenakan bahan komposit GFRP mudah dibentuk sesuai dengan anatomi tengkorak manusia dan bahan komposit polimer lebih mudah disesuaikan kekuatannya dengan kekuatan tulang kepala dengan mengontrol jumlah lapisan serat yang digunakan.
a. Tampak depan b. Tampak samping
c. Tampak bagian dalam
3.2.2 Peralatan
Peralatan uji yang digunakan secara komputerisasi, dengan perangkat lunak software AutoCad 2002, MSC/NASTRAN for Windows 4.5
3.2.2.1 Software Autocad 2002
Program perangkat lunak yang dapat merancang,mendesign berbagai macam gambar baik dalam hal ukuran dimensi, model dimensi yaitu: 1 dimensi, 2 dimensi dan 3 dimensi sesuai dengan kebutuhan, sehingga terbentuk gambar yang sesuai dengan yang diinginkan.
3.2.2.2 MSC/NASTRAN for Windows 4.5
Program perangkat lunak yang dapat menganalisa/mensimulasi diantaranya adalah: Static, Bucking, Normal Modes dan Non Linier.
3.2.3 Metode
3.2.3.1 Metode Pengolahan Data.
3.2.3.1.2 Sifat Mekanik Material, dilakukan pada saat pengujian tarik untuk memperoleh modulus elastisitas, poition ratio.
3.2.3.2Metode Analisa dengan Simulasi.
3.2.3.2.1 Menggambar helm komposit dan busa (foam) dengan Autoad 2002 Helm sepeda motor dari bahan komposit digambarkan sesuai dimensi (tampak pada Gambar 3.3), dengan geometri dibagi dua bertujuan untuk mempercepat proses analisa. Sedangkan busa digambarkandengan dimensi pada Gambar 3.4
Gambar 3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad 2002
3.2.3.2.2 Proses Simulasi Komputer
1. Proses Import gambar helm dari folder penyimpanan yang berada di Autocad 2002, kemudian dibuka di MSC/Nastran 4.5 pada kotak dialog
Geometry File
Gambar 3.5 Proses Import dari Autocad
X Y
Z V1
2. Permukaaan helm di Mesh (bagi dalam elemen hexa atau tetra) pada kotak dialog Automatic Mesh Sizing.
Gambar 3.7 Kotak Dialog Ukuran Mesh
X Y
Z V1
3. Sifat mekanik modulus elastisitas poition ratio dan massa jenis dimasukkan ke kotak dioalog Define Isotropic Material.
Gambar 3.9 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas
4. Titik-titik tertentu di Constrain bertujuan agar tidak bergerak.
Gambar 3.11 Posisi Konstrain
5. Kurva tegangan vs waktu impak diperoleh pada saat simulasi MEH (metode elemen hingga) dari grafik tegangan insiden dari hasil pengujian akan dimasukkan ke kotak dialog Function Defenition.
TITIK 1
6. Pembebanan diberikan dalam bentuk Presure.
Gambar 4.13 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure
7. Dynamic Analisi, bertujuan proses penjalaran setelah pembebanan yang diberikan
8. Proses terakhir adalah Analisys Type.
Gambar 4.15 Kotak Dialog Analysis
6. Software Nastran ini beban akan diberikan dalam bentuk tegangan.
tegangan
0. 0.0624 0.125 0.187 0.25 0.312 0.374 0.437 0.499 0.561 0.624 0.686 0.749 0.811 0.873 0.936 0.998
0. 0.0000187 0.0000375 0.0000562 0.000075 0.0000937 0.000113 0.000131 0.00015 0.000169 0.000187 0.000206 0.000225 0.000244 0.000262 0.000281 0.0003 DYNA waktu
Gambar 3.9 Hasil Grafik Dari Hasil Analisa
X Y
Z
F
120.(1)
7.552
5.947
4.341
2.736 1.131
-0.475
-2.08
-3.685
-5.29
-6.896
-8.501
-10.11
-11.71
-13.32
-14.92
-16.53
-18.13
V1 L1 C1
Output Set: Case 70 Time 0.0002415 Contour: Solid Z Normal Stress
Gambar 3.10 Hasil Simulasi Distribusi
3.3 Variabel Yang Diamati
Adapun variabel yang akan diamati dalam simulasi dengan software MSC/Nastran 4.5 secara keseluruhan variabel yang diamati pada penelitian ini adalah :
1. Jenis dan Geometri helm
2. Posisi pembebanan (titik pengimpakan) 3. Arah pengimpakan
4. Waktu pemberian beban (load)
5. Distribusi tegangan akibat pemberian beban pada helm
3.4 Pelaksanaan Penelitian
busa (foam); helm komposit dilapisi busa (foam), serta simulasi komputer. Semua data akan diolah dengan simulasi MSC/Nastran 4.5 dan diperoleh kesimpulan yang berupa jawaban dari tujuan penelitian. Untuk lebih jelas dapat dilihat diagram alir pelaksanaan penelitian.
Ya
Tidak
Ya
Penelusuran literatur & Penyusunan proposal
Design / Modeling - Helm Komposit - Busa (Foam)
- H.Komposit + Busa (Foam)
Analisa Simulasi MSC/Nastran
4.5
Hasil Distribusi tegangan
Selesai Mulai
X Y
Z V1 BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit
Helm yang digunakan untuk simulasi ini adalah helm sepeda motor non standart dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP).Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software Autocad seperti pada Gambar 4.1, model solid, pemodelan elemen hingga dilkakukan dengan menggunakan MSC/Nastran 4.5.
Gambar 4.1 Gambar Helm dengan Autocad Gambar 4.2 Helm Solid
Gambar 4.4 Lapisan Foam dengan Autocad
Gambar 4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa
X Y
Z V1
X Y
Z V1
X Y
Z V1
[Indra] Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP), yang terdiri dari polyester resin tak jenuh BTQN 157 EX (unsaturated polyester resin).
( A ) Impak Atas
(B) Impak Samping
(C) Impak Belakang
Gambar 4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit
b a
b a
X Y
Z V1
X Y
Z V1
Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software autocad (Gambar 4.7 & 4.8). Helm digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm yang sebenarnya (Gambar 4.3).
Gambar 4.7 Helm Tampak Depan
Gambar 4.9 Dimensi Helm dengan Autocad
Gambar 4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad
Gambar pemodelan yang digunakan adalah helm potongan (saat pemodelan helm penuh dibagi dua) maka akan tampil pada Gambar 4.11
X Y
Z V1
Di dalam software MSC/Nastran 4.5 telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekaniknya, bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog untuk material otomatis akan terisi (Gambar 4.12).
Gambar 4.12 Kotak Dialog Jenis Material
Material yang digunakan material komposit.
Namun karena material helm dalam penelitian ini tidak terdapat dalam daftar yang disediakan oleh MSC/Nastran 4.5 maka sifat-sifat mekanik yang telah diperoleh melalui data literatur seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog (Gambar 4.13)
Ketika helm dimodelkan dengan software autocad, ukuran helm dibuat dalam satuan milimeter, sehingga modulus elastisitas dan massa jenis dari hasil uji tarik sebelumnya oleh Indra yang masih memakai satuan meter harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam satuan milimeter sebelum dimasukkan ke dalam kotak dialog.
E = 6,689 GPa = 6,689.109
2 m
N
= 6689 2
mm N
E = 6689 Mpa.
3 6 3
10 . 555 , 1 1555
mm kg m
kg
− =
=
ρ ρ
Gambar 4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit
Bentuk elemen yang digunakan dalam simulasi adalah elemen solid tetrahedral empat node (Gambar 4.16). Jumlah elemen yang akan terbentuk pada model helm tergantung pada ukuran elemen (element size) yang terdapat dalam kotak dialog (Gambar 4.15). Ukuran elemen yang digunakan adalah 6, dan ukuran elemen maksimum juga 6. Helm setelah selesai di mesh dapat dilihat pada gambar 4.17.
X Y
Z V1
Gambar 4.16 Model Elemen Tetrahedral
X Y
Z V1
Gbr 4.17 Helm yang dimesh
dikonstrain karena pada arah sumbu ini helm akan bertranslasi setelah kena beban impak (Gambar 4.19). Helm setelah selesai diconstraint dapat dilihat pada gambar 4.14.
Gambar 4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z.
Gambar 4.19 Kotak Dialog Konstrain
X Y
Z
12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
12 121212 12 1212 12121212
12121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 12121212 12121212121212121212 121212 12121212121212121212121212 1212 1212121212121212121212 1212 12121212121212121212121212121212 1212 1212 1212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 1212121212 121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 1212121212 1212121212121212121212 1212121212 1212 12121212121212121212 121212121212121212121212121212121212121212121212121212 12121212121212 1212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212121212 V1
C1
.
Gambar 4.20 Posisi Konstrain
Gambar 4.21 Helm setelah dikonstrain TITIK 1
Untuk menempatkan besarnya nilai elemen pada permukaan helm bagian atas dengan memilih dan menggunakan nilai elemen yang terbesar (Gambar 4.22).
Gambar 4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen
Di dalam software MSC/Nastran tersedia beberapa jenis bentuk pembebanan, diantaranya adalah dalam bentuk gaya (force) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). maka dipilih pembebanan dalam bentuk pressure (Gambar 4.24). Besar beban yang diberikan adalah 8.2 MPa dengan fungsi dyna.
Pemberian Beban,[Jones N]
Jika V1 = 108 km/jam (diasumsikan)
= 30 m/s (Kecepatan orang jatuh saat tabrakan) m1 = 2,3 kg (berat kepala)
Av = 10 ( 0 ≤ Av ≤ 300 ) Maka
a1 = Av . g
Waktu orang jatuh pada saat tabrakan adalah :
1 1 2
2
a V =
Δ
= 100
) 30 ( 2
= 9 m/s
t1 =
1
2
V Δ
= 30
9
= 0,3 s = 0,0003 μs Jarak yang ditempuh
S1 = V1 . t1 = 30 . 0,3 = 9 m
Gaya yang terjadi pada helm saat terbentur dengan benda , diperoleh dari kesetimbangan momentum:
F2 F1
Gambar 4.23 Kesetimbangan Momentum Gaya yang terjadi pada helm saat membentur aspal :
F1 = m1 . a1
F2 = m2 . a2 = 0 F = F1 – F2 = F1 – (-F2) = 230 + 0 = 230 N
Luas daerah pembebanan (A) :
(d= 6 mm diameter permukaan helm menyentuh aspal) A =
4
π d2
= 62 4 14 , 3
= 28,26 mm2
Maka
A F
=
σ
= 26 , 28
230
σ = 8,138 MPa
Didalam software MSC/ Nastran 4.5 tersedia beberapa bentuk pembebanan diantaranya adalah dalam bentuk gaya (Force), dan dalam bentuk tegangan
MSC/Nastran 4.5 adalah dalam bentuk tegangan (Presure) sebesar 8,2 MPa terdapat pada Gambar 4.24.
Gambar 4.24 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure
Sedangkan untuk pembebanan tersedia empat arah yaitu dari sebelah atas, bawah, kiri, dan kanan. Dalam hal ini dipilih face 2 yang memberikan arah impak dari sebelah atas helm (Gambar 4.25).
Beban yang diberikan pada simulasi berdasarkan intensitas tegangan insiden dalam fungsi waktu F(t), dengan mencari harga yang didaftarkan dilibryary load (Gambar 4.26).
Gambar 4.26 Kotak Dialog Model Fungsi
Gambar 4.28 Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic dengan mengimput data sebagai berikut :
PILIH Direct transien
NUMBER OF STEP = 15 TIME PER STEP = 0.0003 OUTPUT INTERVAL = 0
Sebelum menganalisis file disimpan (save as), dengan menyimpan file ke hardisk dengan maksud data dapat di review kembali.
Dengan mengimput data berikut ke kotak dialog,
ANALISYS TYPE = 3..Transient dynamic/Time hours
LOADS = load
CONSTRAINTS = cons
Gambar 4.30 Kotak Dialog Perintah menyimpan File
Agar pelaksanaan simulasi aman seluruh data disimpan terlebih dahulu ke file directory folder yang didikehendaki.
Langkah ini merupakan proses analisa segala data input yang telah diset kedalam program.
Gambar 4.32 Kotak Dialog Proses Analisis
Proses Analisa berhasil jika ditemukan pada kotak dialog fatal eror dan
warning message maka perlu dilakukan pengulangan simulasi dengan langkah
Gambar 4.33 Kotak Informasi Hasil Analisa
Untuk mengetahui model yang dihasilkan proses nastran dengan set quik hidden line dengan model countur (Gambar 4.34)
Gambar 4.35 Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data
Dengan mengimput data 16. case 16 time 0.0045 bertujuan proses propagasi distribusi tegangan yang terjadi dengan waktu 45/1000 yang bertranslasi pada deformasi yang terjadi dipermukaaan helm (Gambar 2.35)
1. HELM KOMPOSIT IMPAK ATAS
X Y Z
8.2(1)
7.841
6.816
5.791
4.767 3.742
2.718
1.693
0.669
-0.356
-1.38
-2.405
-3.43
-4.454
-5.479
-6.503
-7.528
-8.552
V5 L1 C1
Output Set: Case 16 Time 0.0045 Contour: Solid X Normal Stress
Gambar 4.36 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit Impak Atas Lokasi pemberian
X
Output Set: Case 16 Time 0.0045 Contour: Solid Y Normal Stress
Gambar 4.37 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Atas
X
Output Set: Case 16 Time 0.0045 Contour: Solid Von Mises Stress
