STUDI SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELM SEPEDA MATERIAL POLIMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT SERABUT KELAPA DENGAN MENGGUNAKAN
SOFTWARE ANSYS 16.0
SKRIPSI
Skripsi ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JULIASTER GIRSANG NIM:120401051
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2018
ABSTRAK
Helm sepeda adalah alat perlindungan tubuh yang dipakai pengendara sepeda untuk melindungi kepala ketika terjatuh dan meminimalkan cedera karena benturan. Dewasa ini material untuk pembuatan helm sepeda relatif mahal,hal ini menyebabkan biaya produksi mahal dan berdampak pada harga jual. Oleh sebab itu dilakukan penelitian baru tentang serbuk alam dari serat serabut kelapa. Bahan baku yang melimpah sering menjadi limbah diperkirakan cukup ekonomis untuk dikembangkan menjadi material alternatif yang ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasi pembebanan impak pada helm sepeda dari bahan polymeric foam yang diperkuat serat serabut kelapa dengan menggunakan software Ansys 16.0. Pada penelitian ini, spesimen yang akan diuji adalah helm sepeda dimana simulasi pengujian impak pada sisi atas, samping dan depan dari helm akan dilakukan untuk mengetahui distribusi tegangan pada helm.
Helm dimodelkan dengan menggunakan solidworks 2012 dan disimulasi menggunakan software Ansys 16.0 untuk membandingkan distribusi tegangannya kemudian dibandingkan dengan helm yang diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi impak pada sisi atas helm pada ketinggian 1,5 m pada sisi atas diperoleh tegangan maksimum 1,83 MPa, pada sisi samping diperoleh tegangan maksimum 1,27 MPa dan posisi depan diperoleh tegangan maksimum 1,41 MPa. Dengan membandingkan tegangan maksimum dengan eksperimental uji impak jatuh bebas sisi atas tegangan maksimum 1,96 MPa, pada sisi samping diperoleh tegangan maksimum sebesar 1,30 MPa dan pada sisi depan diperoleh tegangan sebesar 1,60 MPa dan selisih antara tegangan pada sisi atas simulasi dan eksperimental adalan 0,13 MPa (6,63 %) dan selisih antara tegangan pada sisi samping simulasi dan eksperimental adalah 0,03 MPa(2,30%) dan selisih antara tegangan pada sisi samping simulasi dan eksperimental adalah 0,18 MPa(11,25%).
Kata kunci : Helm Sepeda, Software ANSYS 16.0, Impak Jatuh Bebas.
ABSTRACT
Bicycle helmets are worn body protection tool cyclists to protect the head when it fell and minimize injuries due to collisions. Today the material for the manufacture of bicycle helmets are relatively expensive this causes production costs are expensive and have an impact on the selling price therefore conducted new research on pollen nature of fiber coir raw materials are abundant because often the waste is estimated to be quite economical and developed into material alternatives friendly environment. The purpose of this study is to simulate the impact loading on bicycle helmets made from fiber reinforced polymeric foam yaug coconut fibers by using software Ansys 16.0. in this study specimens to be tested and simulated impack helmet models on the upper side, side and front to determine the stress distribution at the helm. Helmets are modeled using SolidWorks 2012 and simulated using ANSYS 16.0 to compare the voltage distribution is then compared with the helmet tested experimentally. In this study, found that the impact of the simulation results on the upper side of the helmet at a height of 1.5 m. on the upper side gained a maximum voltage of 1.83 MPa, on the side of a maximum voltage of 1.27 MPa was obtained and the front position obtained maximum voltage of 1.41 MPa. By comparing the maximum voltage with free-falling impact test experimental side on a maximum voltage of 1.96 MPa, on the side of the voltage obtained maximum of 1.30 MPa and at the front side of a voltage of 1.60 MPa was obtained. and the difference between the tension on the top side of the simulation and the experimental is 0.13 MPa about 6.63% and the difference between the tension on the side of the simul ation and the experimental is 0, 0 3 MPa about 2.3 0 % and the difference between the tension on the side of the simulation and the experimental is 0.18 MPa about 1 1.25 % .
Keywords : Bicycle Helmets, Software ANSYS 16.0 Impact, Free Fall.
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugerah yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Medan. Adapun yang menjadi judul skripsi ini adalah “STUDI SIMULASI PEMBEBANAN IMPACK PADA HELM SEPEDA DARI BAHAN POLIMERIC FOAM YANG DIPERKUAT SERAT SERABUT KELAPA MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 16.0”
Secara khusus saya mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing Bapak Mahadi,ST,MT. yang telah bersedia meluangkan waktu guna memberikan bimbingan dan sumbangan pikiran bagi penulisan skripsi ini.
Saya menyadari bahwa tersusunnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan banyak pihak yang sangat bermanfaat,oleh karena itu saya juga mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua, Ayahanda R.Girsang dan L.Saragih yang menjadi inspirasi terbesar saya dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Dr.Ir. M. Sabri, M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Mahadi,ST,MT.selaku dosen pembimbing saya yang telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan saya selama proses pengerjaan skripsi ini.
4. Bapak Terang UHSG, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.
5. Bapak pembanding skripsi dan penguji skripsi.
6. Bapak/Ibu staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
7. Terimakasih juga buat Tamara Sisislia Simarmata, SKM. Atas dukungan dan semangat dan cinta yang telah diberikan selama mengerjakn skripsi ini.
9. Rekan skripsi yang telah menyediakan waktu untuk bekerja sama dengan saya Fabry yohannes Purba, Wasington Sianturi dan Richard Fernando Manalu.
10. Teman–teman seperjuangan stambuk 2012 teknik mesin usu yang selalu menyemangati saya dalam pengerjaan skripsi ini.
11. Asisten Lab.IFRC yang ikut membantu dalam proses pengambilan data.
Akhir kata semoga Tuhan Yang Maha Kuasa berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Kritik dan saran yang membangun sangat saya harapkan guna menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi kita semua.
Medan, Mei 2018 Penulis
Juliaster Girsang NIM. 120401051
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. LATAR BELAKANG ... 1
1.2. RUMUS MASALAH ... 2
1.3. TUJUAN PENELITIAN ... 2
1.3.1. Tujuan Umum ... 2
1.3.2. Tujuan Khusus ... 2
1.4. BATASAN MASALAH ... 3
1.5. MANFAAT PENELITIAN ... 3
1.5.1. Pengembangan Akademis ... 3
1.5.2. Pengembangan Industri ... 4
1.6. SISTEMATIKA PENULISAN ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. DESAIN HELM SEPEDA ... 6
2.2.1. Standarisasi Helm Sepeda ... 9
2.2. BAHAN KOMPOSIT ... 10
2.3. Komposisi Material yang digunakan ... 12
2.4. UJI IMPAK JATUH BEBAS... 13
2.4.1. Gerak Jatuh Bebas ... 14
2.4.2. Gerak Lurus ... 15
2.4.3. Momentum Dan Impuls ... 16
2.4.4. Gaya Impack ... 17
2.4.5. Tegangan ... 17
2.5. METODE ELEMEN HINGGA ... 18
2.5.1. Tipe Elemen dan Diskritisasi ... 19
2.5.2. Matriks Kekakuan ... 19
2.5.3. Elemen Simpleks Dua Dimensi ... 20
2.5.4. Fungsi Displacement ... 21
2.5.5. Tegangan Bidang (Plane Stress) ... 22
2.6. SIMULASI NUMERIK ... 23
BAB III METODE PENELITIAN ... 25
3.1. TEMPAT DAN WAKTU ... 25
3.2. BAHAN, PERALATAN DAN METODE ... 26
3.2.1. Bahan ... 26
3.2.1.1. Polyester resin tak jenuh ( BQTN 157-EX) ... 26
3.2.1.2. Blowing agent ... 28
3.2.1.3. Katalis ... 29
3.2.1.4. Serabut Kelapa ... 30
3.2.2. Peralatan ... 32
3.2.2.1. Komputer/Laptop ... 32
3.2.2.2. Software Solidwok 2012 ... 33
3.2.2.3. Software Ansys 16.0 ... 34
3.3. DESAIN HELM SEPEDA ... 35
3.3.1. Model helm sepeda dengan tulang lurus kedepan ... 35
3.3.2. Model helm sepeda dengan tulang lurus kesamping ... 35
3.3.3. Model helm sepeda dengan tulang lurus keatas ... 36
3.4. METODE ... 37
3.4.1. Simulasi impack jatuh bebas menggunakan Ansys 16.0 ... 37
3.4.2. Engineering data ... 38
3.4.3. Geometri data ... 40
3.4.4. Model / Ansys Mechanical ... 41
3.5. DIAGRAM ALIR PENELITIAN ... 47
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 48
4.1. PENDAHULUAN ... 48
4.2. HASIL PEMBUATAN HELM SEPEDA ... 48
4.3. METODE PENGUJIAN PENELITIAN ... 49
4.4. SIMULASI IMPAK MENGGUNAKAN ANSYS 16.0 ... 50
4.5. SIMULASI PEMBEBANAN SISI ATAS HELM ... 50
4.6. SIMULASI PEMBEBANAN SISI SAMPING HELM ... 52
4.7. SIMULASI PEMBEBANAN SISI DEPAN HELM ... 55
4.8. TABULASI DATA PERBANDINGAN HASIL SIMULASI PENGUJIAN ... 57
4.9. TABULASI DATA HASIL PENGUJIAN JATUH BEBAS SECARA EKSPERIMENTAL ... 57
4.9.1. Pengujian Pada Sisi Atas Helm ... 57
4.9.2. Pengujian Pada Sisi Samping Helm ... 58
4.9.3. Pengujian Pada Sisi Depan Helm ... 58
4.10. PERBANDINGAN HASIL UJI SIMULASI DENGAN UJI EKSPERIMENTAL ... 59
4.10.1. Perbandingan Pengujian Atas ... 59
4.10.2. Perbandingan Pengujian Samping... 61
4.10.3. Perbandingan Pengujian Depan ... 63
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 66
5.1. KESIMPULAN ... 66
5.2. SARAN ... 67
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Bentuk struktur Helm Sepeda dipasaran ...8
(a) Bentuk full face ...8
(b) Bentul half face ...8
Gambar 2.2. Komponen Helm Sepeda ...9
Gambar.2.3. set up Alat Uji Impack Jatuh Bebas ... 13
Gambar 2.4. Gambar 2.4 Grafik Kelajuan terhadap Waktu pada GLB ... 16
Gambar 2.5. Elemen segitiga (2 dimensi) ... 19
Gambar 2.6. Elemen segitiga (2 dimensi) ... 20
Gambar 3.1. Resin Unsaturated Polyester BQTN-157 EX ... 27
Gambar 3.2. Blowing agent ... 28
Gambar 3.3. Katalis ... 29
Gambar 3.4. Serat Serabut Kelapa ... 31
Gambar 3.5. Laptop ... 33
Gambar 3.6. Software Solidwork 2012 ... 34
Gambar 3.7. Software Ansys 16.0 ... 34
Gambar 3.8. Model Helm sepeda dengan pandangan tulang lurus depan ... 35
Gambar 3.9. Desain helm sepeda dengan tulang lurus ke samping ... 36
Gambar 3.10. Desain helm sepeda dengan tulang lurus atas ... 36
Gambar 3.11. Explicit dynamics ... 37
Gambar 3.12. project schemati ... 38
Gambar 3.13. Data material baru ... 39
Gambar 3.14. Data density ... 39
Gambar 3.15. Data isotropic elasticity ... 40
Gambar 3.16. Import geometry ... 40
Gambar 3.17. Details of anvile... 41
Gambar 3.18. Detail of helm ... 42
Gambar 3.19. Connections ... 42
Garnbar 3.20. Mesh ... 43
Gambar 3.21. Details of velocity... 44
Gambar 3.22. Analysis setting ... 44
Gambar 3.23. Fixed support ... 45
Gambar 3.24. Solution ... 45
Gambar 3.25. Diagram alir penelitian ... 47
Gambar 4.1. Model helm sepeda ... 49
Gambar 4.2. Posisi jatuh helm Bagian Atas ... 50
Gambar 4.3. Hasil distribusi tegangan maksimum sisi atas helm ... 51
Gambar 4.4. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi impak sisi atas ... 51
Gambar 4.5. Distribusi tegangan pada sisi samping hasil simulasi impak sisi atas ... 52
Gambar 4.6. Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi impak sisi atas ... 52
Gambar 4.7. Posisi Jatuh Helm Bagian Samping ... 53
Gambar 4.8. HasilDistribusi tegangan pada sisi Samping Helm ... 53
Gambar 4.9. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil simulasi . impak sisi samping ... 54
Gambar 4.10. Distribusi tegangan pada sisi Samping kanan hasil simulasi impak sisi samping ... 54
Gambar 4.11. Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil simulasi impak sisi samping ... 55
Garnbar 4.12. Posisi jatuh helm sepeda bagian Depan ... 55
Gambar 4.13. Hasil Distribusi tegangan sisi Depan Helm ... 56
impak sisi Depan ... 57 Gambar 4.16. Area Pembebanan Impack Sisi Atas Helm Sepeda ... 59 Gambar 4.17. (a) Pola kerusakan spesimen uji impak area samping helm, (b)
Area retakan bagian dalam, dan (c) area tegangan maksimum
munculnya keretakan ... 60 Gambar 4.18. Area pembebanan impak sisi samping helm sepeda ... 61 Gambar 4.19. (a) Pola kerusakan spesimen uji impak area samping helm, (b)
Area tegangan maksimum munculnya keretakan... 62 Gambar 4.20. Area pembebanan impak sisi Depan helm sepeda ... 63 Gambar 4.21. (a) Pola kerusakan spesimen uji impak titik Depan helm, (b) Area retakan
Spesimen ... 64
DAFTAR TABEL
Tabel 2.l. Perbedaan antara helmet full face dengan half face ...8
Tabel 2.2. Keuntungan dan Kerugian dari Komposit ...11
Tabel 2.3. Komposisi Material Penyusun ...12
Tabel 3.1. Kegiatan penelitian ...25
Tabel 3.2. Bahan-bahan peneltian ...26
Tabel 3.3. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh ...27
Tabel 3.4. Komposisi Kimia Serat Serabut Kelapa ...30
Tabel 3.5. Karakteristik Fisik Serat Serabut Kelapa ...31
Tabel 4.1. Hasil simulasi impak jatuh bebas ...57
Tabel 4.2. Hasil pengujian sisi atas helm sepeda impak jatuh bebas ketinggian 1,5 meter ...58
Tabel 4.3. Hasil pengujian sisi samping helm sepeda impak jatuh bebas ketinggian 1,5meter ...58
Tabel 4.4. Hasil pengujian sisi depan helm sepeda uji impak jatuh bebas ketinggian 1,5 meter ...58
Tabel 4.5. Perbandingan pengujian atas ...60
Tabel 4.6. Perbandingan pengujian Samping...62
Tabel 4.7. Perbandingan pengujian Depan ...64
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pengunaan polimer dan komposit dewasa ini semakin meningkat di segala bidang. Komposit berpenguat serat alam banyak diaplikasikan pada alat- alat material yang mempunyai dua perpaduan sifat dasar, yaitu kuat dan ringan.
Serat yang berbeda akan menghasilkan kualitas bahan yang berbeda. Untuk proses pembuatan helm sepeda, desain serta kualitas harus di perhatikan. Karena, helm sepeda harus mampu melindungi kepala pengendara dari benturan (impak). Oleh karena itu, bahan pembuatan helm sepeda haruslah berasal dari bahan berkualitas tinggi. Biasanya helm sepeda yang berkualitas harganya mahal. Hal ini dikarenakan bahan baku dan teknologi yang digunakan untuk membuat helm sepeda juga mahal.
Bahan baku yang biasa digunakan untuk pembuatan helm sepeda adalah plastic,rubber, fiberglass, polycarbonate,kevlar, maupun serat karbon. Teknologi pembuatannya menggunakan teknik cetak suntik (injection molding) dan thermoforming. Bahan dan cara pembuatan diatas membutuhkan biaya yang sangat mahal. Hal inilah yang melatar belakangi peneliti ingin mendesain dan membuat helm sepeda berbahan komposit busa polimer dengan bahan penguat serat serabut kelapa dengan metode cetak tuang.
Diantara serat alam tersebut adalah serat dari serabut kelapa. Serat serabut kelapa yang merupakan serat alam yang diolah dari tempurung kelapa diperkirakan cukup ekonomis dan dikembangkan menjadi material alternatif bagi industri helm. Pengembangan material ini sebagai material penguat komposit dengan matriks berasal dari material-material polimer baru masih jarang ditemukan. Penulis tertarik untuk meneliti respon material komposit yang berpenguat serat serabut kelapa apabila dibuat dalam bentuk helm sepeda.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah yang diangkat dalam penelitian ini adalah bagaimana teknologi pembentukan material polymeric foam diperkuat serat serabut kelapa secara tepat, sehingga sifat mekanik ketangguhan impak dan tegangan patah dapat diperoleh.
Benturan yang terjadi pada kepala dapat menimbulkan cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur dikepala dan otak. Resiko benturan akibat kecelakaan tersebut diatas dapat diminimalisir dengan penggunaan helm.
Beberapa standard dan aturan hukum telah mewajibkan semua pengendara kendaraan menggunakan helm sebagai alat pelindung bagi pengendara.
Pada umumnya beban impak yang dialami pada helm sepeda terjadi pada sisi atas,samping dan belakang. Untuk mengetahui besarnya tegangan dan regangan tersebut perlu dilakukan pengujian impak jatuh bebas.
Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan.
Dalam penelitian ini bertujuan membandingkan model helm sepeda dengan menggunakan Software solidworks 2012 dan, ANSYS Workbench 16.0. Untuk membuat modelnya digunakan Software solidworks 2012 dengan membuat dua permodelan, lalu dilakukan simulasi pada model helm dengan menggunakan Software ANSYS Workbench 16.0. Untuk menganalisa tegangan dari struktur dan komponen mekanik mana yang lebih baik pada model helm.
1.3 Tujuan Penelitian 1.3.1 Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini untuk dapat menganalisa struktur helm sepeda bahan polymeric foam composite diperkuat serat serabut kelapa dengan menggunakan software ansys 16.0.
1.3.2 Tujuan Khusus
Tujuan khusus pada penelitian ini yaitu :
1. Mendapatkan hasil distribusi tegangan maksimum dari simulasi software ansys 16.0
2. Membandingkan hasil distribusi tegangan pada helm sepeda antara simulasi numerik menggunakan software ansys 16.0 dengan eksperimental teman saya.
3. Medapatkan nilai galat dari perbandingan hasil simulasi numerik dengan eksperimental.
1.4. Batasan Masalah
Diperlukan batasan masalah yang meliputi antara lain :
1. Simulasi helm sepeda menggunakan software Ansy 16.0.
2. Helm sepeda yang disimulasikan hanya I jenis material komposit busa polimer.
3. Helm sepeda disimulasikan jatuh dari ketinggian 1.5 meter.
4. Titik pembebanan impak yang disimulasikan pada sisi atas, samping dan belakang.
1.5. Manfaat Penelitian
1.5.1 Pengembangan Akademis
1. Bagi peneliti dapat menambah pengetahuan, wawasan dan pengalaman tentang material komposit polymeric foam yang diperkuat serat serabut kelapa.
2. Bagi akademik, penelitian ini dapat digunakan sebagai referensi tambahan untuk penelitian tentang komposit serat serabut kelapa.
\
1.5.2. Pengembangan Industri
Sebagai pertimbangan bagi pihak industri untuk menjadikan material polymeric foam yang diperkuat dengan serat serabut kelapa sebagai bahan baku pembuatan helm yang ramah lingkungan, murah dan tahan terhadap beban impak.
1.6. Sistematika Penulisan
Pada penelitian ini akan berisikan:
BAB 1. PENDAHULUAN
Bab ini membahas latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas literatur dan referensi yang diperlukan berkenaan dengan masalah yang dikaji dalam penelitian mengenai uji komposisi , uji bending , uji tarik , dan software Ansys.
BAB 3.METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi urutan dan cara yang dilakukan. dimulai dari alat, bahan, dan proses yang dilaksanakan.
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menampilkan data yang diperoleh dari penelitian dan hasil pengujian simulasi impak jatuh bebas ANSYS workbench 16.0.
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari semua hasil analisa pengamatan serta perhitungan.
BAB 6. DAFTAR PUSTAKA
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan dalam penelitian dan penyusunan laporan ini.
BAB 7. LAMPIRAN
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Helm Sepeda
Helm sepeda dirancang untuk melindungi dan mengurangi dampak pada tulang kepala (tengkorak) seorang pengendara sepeda ketika jatuh dan meminimalkan efek samping seperti gangguan penglihatan tepi karena benturan tersebut, helm yang digunakan oleh pengguna sepeda, didesain berbeda dari helm sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam.
Walaupun di Indonesia belum diwajibkan untuk menggunakan helm sepeda tetapi sudah banyak digunakan oleh masyarakat dalam kegiatan bersepeda santai di hari libur, tetapi pada olah raga balapan sepeda atau kejuaraan sepeda gunung helm sudah diwajibkan.
Desain adalah proses perubahan informasi terhadap syarat-syarat kebutuhan sebuah produk menjadi pengetahuan produk dan proses. Kegiatan ini bertujuan untuk menciptakan dan mengevaluasi produk sesuai dengan tujuan yang ingin dicapai.
Desain teknik dapat didefinisikan sebagai proses menerapkan berbagai teknik dan prinsip-prinsip ilmiah untuk tujuan mendefinisikan proses tersebut dengan cukup terperinci untuk kemungkinan proses realisasi lebih lanjut. Suatu desain produk yang baik dapat menghasilkan pengembangan produk yang baik pula.Desain didasarkan pada kelebihan produk, praktis dalam pembuatan, ongkos fabrikasi yang relatif murah, pemasaran dan faktor kombinasi yaitu apakah desain produk tersebut memenuhi persyaratan yang dibutuhkan pelanggan.
Prinsip dasar proses desain adalah untuk memperkecil pernakaian bahan, untuk mendaur ulang, karena ketidaksesuaian dengan kebutuhan, untuk menghindari kerja ulang (rework) terhadap produksi, efisiensi dan kesesuaian terhadap standard[3].
Langkah- langkah proses desain sebagai berikut:
1. Identifikasi kebutuhan adalah sebagai
gambaran dan pernyataan masalah yang sama- sama dikembangkan dalam sebuah informasi.
2. Sepenuhnya mendefinisikan dan memahami masalah, setelah itu adalah mungkin untuk memulai tujuan.
3. Defenisikan kebutuhan yang lebih masuk akal dan realistis dari pada pernyataan masalah asli.
4. Ciptakan sebuah spesifikasi tugas yang terinci dan membuat batasan masalah
5. Buat sebanyak mungkin alternatif pendekatan desain, biasanya pada tahap ini menentukan nilai atau kualitas. Pada langkah ini merupakan penemuan ide terbesar.
6. Penyelesaian langkah sebelumnya, yakni
menganalisa dengan menentukan diterima, ditolak atau dimodifikasi produk desain. Solusi yang paling menjanjikan dipilih.
7. Penentuan desain yang dapat diterima dan
dipilih.
8. Ini merupakan langkah yang detail dimana
dilakukan pembuatan
gambar teknik lengkap, identifikasi pemasok (vendor), serta membuat spesifikasi manufaktur dan lain-lain.
9. Merealisasikan desain dengan membuat
prototype.
10. Dan akhimya menentukan kuantitas produksi.
Dalam mendesain helm sepeda juga diperlukan mempertimbangkan konstruksi material yang digunakan sehingga helmyang di desain tidak berat.
Aktifitas bersepeda adalah aktivitas olahraga yang secara signifikan meningkatkan suhu tubuh dan kepala. Oleh sebab itulah helm sepeda haruslah mempunyai 2 sifat, yaitu ringan dan mempunyai ventilasi. Selain itu pengguna helm sepeda memilih helm yang nyaman dan trend. Bentuk dan struktur helm sepeda di pasaran, seperti diperlihatkan pada gambar 2.1.
(a) (b)
Gambar 2.1 Bentuk struktur Helm Sepeda dipasaran (a) Bentuk full face , (b) Bentukhalf face[10].
Perbedaan antara kedua jenis full face dan half face ini diperlihatkan pada tabel 2.l.
Tabel 2.l. Perbedaan antara helm full face dengan half face[10]:
Aspek Pertimbangan Full Face Half Face
Keamanan Lebih Aman Aman
Ventilasi Sedikit Banyak
Visibilitas Memandang satu arah
ke depan
Dapat melihat bagian samping
Masa Ringan Lebih ringan
Kenyamanan Nyaman Lebih nyaman
Adapun konstruksi helmsecara garis besar terdiri atas:
1. Lapisan luar yang keras (hard outer shell)
Didesain untuk dapat pecah jika mengalami benturan untuk mengurangi dampak tekanan sebelum sampai ke kepala. Lapisan ini biasanya terbuat dari bahan plastik, fiberglass, polycarbonate dan lain-lain.
2. Lapisan dalam yang tebal (inside shell our liner)
Di sebelah dalam dari lapisan luar adalah lapisan yang sama pentingnya untuk dampak pelapis penyangga. Biasanya dibuat dari bahan polystyrene (styrofoarl). Lapisan tebal ini memberikan bantalan yang berfungsi menahan goncangan sewaktu helm terbentur benda keras sementara kepala masih bergerak.
3. Lapisan dalam yang lunak (comfort padding)
Merupakan bagian dalam yang terdiri dari bahan lunak dan kain untuk menempatkan kepala secara pas dan tepat pada rongga helm.
4. Tali pengikat bagian penting lainnya dalam helm ada tali pengikat helm. Helm tidak akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi atau tidak mengikatkan tali pengikatnya. Komponen helm sepedadapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Komponen Helm Sepeda [3]
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 sepeda yang dikenal luas dan banyak menjadi referensi antara lainAustralia Standard (EN 397. AS/NZS 1801.SS98), European EN helm standard (EN 1078.1990) dan lain-lain.
Untuk masing-masing standar memiiiki 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.
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 atas umumnya digunakan oleh petugas pemadam kebakaran.
2.2 Bahan Komposit
Komposit didefinisikan sebagai kombinasi antara dua material atau lebih yang berbeda bentuknya, komposisi kimianya, dan tidak saling melarutkan antara materialnya dimana material yang satu berfungsi sebagai penguat dan material yang lainnya berfungsi sebagai pengikat untuk menjaga kesatuan unsur-unsurnya.
Secara umum terdapat dua kategori material penyusun komposit yaitu matrik dan reinforcement [7].
Bahan komposit merupakan bahan gabungan secara makro yang didefinisikan sebagai suatu sistem material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda dalam bentuk dan atau komposisi material yang tidak dapat dipisahkan. Salah satu keuntungan material komposit adalah kemampuan material tersebut untuk diarahkan sehingga kekuatannya dapat diatur hanya pada arah tertentu yang kita kehendaki, hal ini dinamakan tailoring properties. Salah satu sifat istimewa komposit, yaitu ringan, kuat, tidak terpengaruh korosi, dan mampu bersaing
dengan logam, tidak kehilangan karakteristik dan kekuatan mekanisnya. Beberapa definisi komposit menurut [8] adalah sebagai berikut:
a. Tingkat dasar, pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit, contohnya senyawa, paduan, polimer dan keramik.
b. Mikrostruktur pada kristal fase dan senyawa bila material disusun dari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit, contohnya paduan besi dan karbon Fiber Resin Composite Material
c. Makrostruktur material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit.
Bentuk (dimensi) dan struktur penyusun komposit akan mempengaruhi material komposit terdiri lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk mendapatkan kombinasi karakteristik terbaik dari setiap komponen penyusunnya.
dibanding dengan material konvensional, bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya memiliki kekuatan yang dapat diatur, berat yang lebih ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, tahan korosi, dan tahan keausan. Karakteristik dan sifat komposit dipengaruhi oleh material-material yang menyusunnya. Dalam hal ini, susunan struktur dan interaksi antar unsur-unsur penyusunnya. Interaksi antar unsur-unsur penyusun komposit, yaitu serat dan matriks sangat berpengaruh terhadap kekuatan ikatan antarmuka. Kekuatan ikatan antarmuka yang optimal antara matriks dan serat merupakan aspek yang penting dalam penunjukan sifat-sifat mekanik komposit [1].
Tabel 2.2 keuntungan dan Kerugian dari Komposit [6]
Keuntungan Kerugian
Berat berkurang Biaya bertambah untuk bahan baku dan
fabrikasi Rasio antar kekuatan atau rasio kekakuan
tinggi
Sifat-sifat bidang melintang Lemah kekuatan atau kekakuan dapat beradaptasi
terhadap pengaturan beban
Kekerasan rendah
Lebih tahan terhadap korosi Matrik dapat menimbulkan degradasi lingkungan
Kehilangan sebagian sifat dasar material Sulit dalam mengikat
Ongkos manufaktur rendah Analisis sifat-sifat fisik dan mekanik untuk efisiensi damping tidak mencapai konsensus
Konduktivitas termal atau konduktivitas listrik meningkat atau menurun
Dari Tabel 2.2. Tujuan dari dibentuknya komposit [6] , yaitu:
a. Memperbaiki sifat mekanik dan atau sifat spesifik tertentu a. Mempermudah desain yang sulit pada manufaktur
b. Keleluasaan dalam bentuk desain yang dapat menghemat biaya c. Menjadikan bahan lebih ringan
Bahan komposit polymeric foam terdiri dari polyester resin tak jenuh dan blowing agent. Blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah; polyol dan isocyanate.Sementara untuk mempercepat proses polimerisasi digunakan katalis jenis Merhyl Ethil Keton Perokside (MEKPO).
2.3 Komposisi Material Yang Digunakan
Material penyusun dari helm sepeda yang diproduksi terlebih dahulu dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik material yang sesuai dengan struktur geometri helmsepeda yang akan diproduksi. Pengujian material penyusun helm sepeda dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanik material helm, material test dibuat dengan standar pengujian. Adapunkomposisidari material penyusun helm sepedatersebutadalahsebagaiberikut:
Tabel.2.3. Komposisi Material Penyusun
SPESIMEN SERAT
(wt%)
RESIN (wt%)
BLOWING AGENT
(wt%)
KATALIS (wt%)
A 5 40 50 5
C 10 33 52 5
Uji kekuatan tarik disesuaikan dengan standar American Standard Testing and Material ASTM 638D [13] dengan tujuan mendapatkan harga rata-rata kekuatan tarik maksimum (σmax) dan modulus elastisitas (E) material. Uji kekuatan bending dilakukan berdasarkan standar ASTM D790-20 [14].
2.4 Uji Impak Jatuh Bebas
Selama ini helm industri diuji menggunakan standar teknik jatuh bebas.
Menggunakan alat uji impak jatuh bebas, helm yang akah diuji ditempatkan di atas sebuah head form dan dihantam dengan striker dari ketinggian tertentu dengan cara jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan helm dalam menyerap energi impak (impact energi test), selain itu uji standar juga bertujuan meneliti kepatahan rusak helm (penetration test) yang memungkinkan merusak lapisan cangkang helm seperti yang terlihat pada gambar2.3.
Gambar. 2.3. set up Alat Uji Impak Jatuh Bebas Keterangan gambar:
1. Komputer 2. Daq Labjack 3. Load Cell
4. Tes Rig 5. Helm 6. Sensor
2.4.1 Gerak Jatuh Bebas
Gerak jatuh bebas atau disingkat GJB merupakan salah satu bentuk gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dalam arah vertikal. Konsep gerak jatuh bebas (GJB) ini hampir sama dengan konsep gerak vertikal ke bawah (GVB) yang membedakan adalah, jika pada gerak vertikal ke bawah kecepatan awal tidak sama dengan nol (v0≠ 0) sedangkan pada gerak jatuh bebas kecepatan awalnya sama dengan nol (v0 = 0).Karena GJB tidak memiliki kecepatan awal maka gerak benda hanya dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi. Sehingga dapat disimpulkan bahwa gerak jatuh bebas adalah gerak lurus berubah beraturan dalam arah vertikal (atas ke bawah) dengan kecepatan awal nol serta mengalami percepatan sebesar percepatan gravitsasi bumi (a=g).
Karena gerak jatuh bebas merupakan GLBB yang dipengaruhi gravitasi maka perubahan kecepatan yang dialami benda ketika jatuh bebas terjadi karena pengaruh gravitasi bumi. Benda yang jatuh akan bergerak semakin cepat dari kecepatan nol hingga kecepatan maksimum sesaat sebelum menyentuh bumi.
Perubahan kecepatan pada benda yang jatuh bebas tersebut merupakan bentuk penambahan kecepatan. Pertambahan kecepatan ini terjadi karena gerak benda searah dengan gaya gravitasi bumi. Sehingga percepatan benda pada gerak jatuh bebas selalu bernilai positif (+a) yaitu sebesar percepatan gravitasi bumi (a = g = 9,8 m/s2) oleh karena itu gerak jatuh bebas merupakan jenis gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dipercepat.
Contoh penerapan gerak jatuh bebas dalam kehidupan sehari-hari adalah buah yang jatuh dari pohonnya, seorang penerjun payung yang jatuh bebas di udara menggunakan parasut atau sebuah benda yang dijatuhkan secara vertikal dari suatu gedung dengan ketinggian tertentu tanpa diberi kecepatan awal.
Gerak jatuh bebas bisa ditunjukkan sebuah benda jatuh tanpa kecepatan awal dari
Secara matematis, gerak jatuh bebas ditulis:
= + a.t ...(2.1) Karena = 0 dan a = g, maka rumus di atas berubah menjadi:
= g.t ...(2.2) = kecepatan (m/s)
g = percepatan gravitasi ( ) t = waktu (s).
Adapun rumus untuk mencari suatu ketinggian benda (h) bisa mengganti persamaan gerak lurus berubah beraturan, sehingga di dapatkan persamaan ketinggian benda untuk gerak jatuh bebas yakni:
h = ½ g . ...(2.3) Untuk menentukan kecepatan benda yang jatuh bebas dari ketinggian h, dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:
= 2gh ...(2.4) = kecepatan (m/s)
g = percepatan gravitasi ( ) h = Ketinggian benda (m)
2.4.2 Gerak Lurus
Gerak lurus (GL) adalah merupakan gerak dengan lintasan lurus. Ciri khas materi gerak lurus adalah nilai dari besaran vektor pada contoh gerak lurus sama dengan besaran skalarnya. Besar perpindahan sama dengan jarak tempuhnya, kecepatan sama dengan kelajuannya dan percepatan sama dengan perlajuannya.
Gerak dengan lintasan lurus adalah salah satu jenis gerak yang mudah untuk dianalisis dibandingkan jenis gerak yang lainnya. Ada dua jenis gerak arah lurus, yaitu Gerak Lurus Beraturan dan Gerak Lurus Berubah Beraturan.
Gerak lurus beraturan (GLB) merupakan gerak dengan lintasan lurus dan kecepatan konstan. Tidak ada perubahan kecepatan pada gerak ini. Hal inilah yang membuat contoh gerak lurus beraturan lebih mudah dianalisis daripada jenis gerak yang lain. Kecepatan konstan berarti bahwa jarak yang ditempuh tiap satuan waktu adalah konstan. Jika kecepatan suatu benda yang bergerak lurus beraturan adalah 1 m/s, maka tiap detik jarak yang ditempuh adalah sebesar 1 m.
Grafik hubungan antara kelajuan terhadap waktu pada GLB dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.4 Grafik Kelajuan terhadap Waktu pada GLB[2].
Pada grafik terlihat bahwa kelajuan selalu tetap terhadap waktu. Luas daerah di bawah grafik menyatakan jarak yang ditempuh (s) atau besar perpindahannya (x) sesuai persamaan:
s = vt ...(2.5) Jika jarak benda mula-mula dari titik acuannya adalah , setelah waktu t, jaraknya dari titik acuan menjadi:
s = + ...(2.6) 2.4.3 Momentum Dan Impuls
Momentum suatu benda yang bergerak adalah hasil perkalian antara massa benda dan kecepatannya. Oleh karena itu, setiap benda yang bergerak memiliki momentum. Secara matematis, momentum linear ditulis sebagai berikut:
p = mv ...(2.7) p adalah momentum (besaran vektor), m massa (besaran skalar) dan v kecepatan (besaran vektor). Bila dilihat persaman (2.7), arah dari momentum selalu searah dengan arah kecepatannya.
Impuls didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dan lamanya gaya tersebut bekerja. Secara matematis dapat ditulis:
I = F ∆t ...(2.8) 2.4.4. Gaya impak
Gaya impak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan impuls:
F = F =
Dimana:
F : Gaya (N) I : Impuls (N.s)
P: Perubahan momentum (kg.m/s) m : Massa benda yang bergerak (kg) v : Kelajuan benda ( )
2.4.5 Tegangan
Jika sebuah benda elastis ditarik oleh sebuah gaya, benda tersebut akan bertambah panjang sampai ukuran tertentu. Salah satu cohtohnya adalah tegangan tarik. Besarnya tegangan adalah perbandingan antara gaya tarik yang bekerja terhadap luas penampang benda. Tegangan dinotasikan dengan σ, satuannya
(N/ ).
. Maka, rumus tegangan seperti terlihat pada persamaan (2.9)
σ = ...(2.9) Dimana:
σ = Tegangan (N/ ) F = Gaya (Newton)
= Luas penampang awal ( ) 2.5 Metode Elemen Hingga
Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis dari suatu gejala phisis. Tipe masalah teknis dan matematis phisis yang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu kelompok analisa struktur dan kelompok masalah-masalah non struktur. Tipe-tipe permasalahan struktur meliputi:
a. Analisa tegangan/stress b. Buckling
c. Analisa getaran
Problem non struktur yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode ini
a. Perpindahan panas dan massa b. Mekanika fluida
c. Distribusi dari potensial listrik dan potensial magnet.
Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, sepertipejalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada umumnya sulit dipecahkan melalui matematika analisis.Hal ini disebabkan karena matematika analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Penyelesaian analisis dari suatu persamaan diferensial suatu geometri yang kompleks, pembebanan yang rumit, tidak mudah diperoleh.
Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.
Metode ini akan melakukan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan dari suatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda utuh sebelum terbagi dalam bagian yang kecil (diskritasi).
2.5.1 Tipe Elemen dan Diskritisasi
Dalam metode elemen hingga, suatu struktur benda atau daerah yang akan dianalisis dilakukan dengan cara membagi struktur menjadi sejumlah besar bentuk yang dinyatakan sebagai elemen. Elemen dapat berupa garis lurus, segi tiga, segiempat, tetrahederal dan quadrilateral.Diskritisasi menghasilkan sejumlah elemen dan simpul. simpul diberi nomor demikian pula elemen sehingga diperoleh informasi elemen. Pengolahan elemen dan simpul akan mengarah pada pembentukan matriks kekakuan. Banyaknya potongan yang dibentuk bergantung pada geometri dari benda yang akan dianalisa, sedangkan bentuk elemen yang diambil bergantung pada dimensinya. Dalam penelitian ini elemen yang digunakan adalah elemen segitiga seperti gambar 2.7 berikut:
Gambar 2.5. Elemen segitiga dua dimensi[9].
2.5.2 Matriks Kekakuan
Memodelkan suatu elemen dan memberikan beban, diperlukan persamaan yang menghubungkan antara beban berupa gaya yang diberikan pada nodal elemen 16 dengan perpindahan berupa translasi pada nodal tersebut.
Hubungan tersebut dapat diberikan dengan persamaan:
{𝐹} = [𝐾]{𝑑} ...(2.10) Dimana :
- {𝐹} = Matriks kolom gaya dan momen pada nodal elemen - [𝐾] = Matriks kekakuan elemen
- {𝑑} = Matriks kolom berisi perpindahan translasi nodal elemen.
Persamaan kesetimbangan gaya yang bekerja dapat dirumuskan sebagai berikut:
= 𝑘( − ) = 𝑘( − )
Dalam bentuk matriks persamaan di atas ditulis sebagai:
=
2.5.3 Elemen Simpleks Dua Dimensi
Elemen simpleks adalah salah satu macam fungsi interpolasi dalam bentuk polinomial yang dipakai dalam metode elemen hingga. Elemen simpleks merupakan pendekatan yang dilakukan dengan polinomial yang terdiri dari term (suku) konstan dan term linier. Banyaknya koefisien dalam polinomial sama
dengan dimensi dari koordinat ruang yang ada ditambah satu. Elemen simpleks dua dimensi berupa sebuah segitiga seperti nampak pada gambar berikut ini.
Gambar 2.6. Elemen simpleks dua dimensi[9].
Persamaan interpolasi polinomial elemen simpleks dua dimensi dapat dituliskan sebagai berikut:
𝜙 = + 𝑥 + 𝑦...(2.11) Jika memperhatikan persamaan 2.11 dapat dituliskan syarat batas berikut ini:
Pada 𝑥 = , 𝑦 = , harga 𝜙 = Pada 𝑥 = , 𝑦 = , harga 𝜙 = Pada 𝑥 = , 𝑦 = , harga 𝜙 =
Apabila harga-harga batas di atas disubstitusikan ke persamaan interpolasi polinomial, akan diperoleh sistem persamaan:
= + +
= + +
= + +
Dalam bentuk matriks sistem persamaan di atas ditulis menjadi:
= ...(2.12) yang dalam bentuk simbol ditulis sebagai:
{𝜙} = [𝑥] {𝑎}
2.5.4 Fungsi Displacement
Koordinat lokal dari tiap node dinyatakan dalam:
- u = untuk arah horizontal
Koordinat lokal dalam kaitan dengan koordinat global dihubungkan lewat persamaan:
𝑢(𝑥, 𝑦) = + + 𝑣(𝑥, 𝑦) = + + Kenakan syarat batas bahwa:
Pada 𝑥 = , 𝑢 = 𝑥 = , 𝑢 = 𝑥 = , 𝑢 =
pada persamaan diatas diperoleh sistem persamaan linier berikut:
= + + = + + = + +
ketiga persamaan ini, dalam bentuk matriks ditulis sebagai:
= ...(2.13) atau { } = [ ] {𝛼}
dimana:
{ } = Matrik displacement horizontal lokal [ ] = Matrik absis global
{𝛼} = Matrik koefisien
Demikian pula, syarat batas pada:
𝑦 = , 𝑣 = 𝑦 = , 𝑣 = 𝑦 = , 𝑣 =
yang dikenakan pada persamaan v diperoleh:
=
atau {𝑞2} = [𝐴] {𝛽}
untuk selanjutnya yang akan diturunkan hanya untuk u saja, sedangkan untuk v diambil analogi dengan hasil yang diperoleh dari u.
2.5.5 Tegangan Bidang (Plane Stress)
Dalam penelitian ini, komponen-komponen dari tegangan normal dan tegangan geser bekerja dalam dua arah saja (tidak pada arah sumbu z) sehingga:
𝜎𝑧 = 𝜏𝑧𝑥 = 𝜏𝑧𝑦 = 0
Hubungan antara tegangan dan regangan adalah
Persamaan konstitusi dalam bentuk matriks yang dibentuk dari persamaan di atas adalah:
...(2.14)
diringkas: {𝜎} = [𝑐]𝜎{𝜀}
dimana: {𝜎} = vektor tegangan {𝜀} = vektor regangan
[𝑐]𝜎 = matriks konstitusi untuk tegangan bidang
2.6 Simulasi Numerik
Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu software Ansys, ansys adalah aplikasi desain yang di gunakan secara internasional untuk mensimulasikan Finite Element Model dan analisis guna memudahkan project owner, engineer & designer untuk secara cepat membangun model penuh berdasarkan kebutuhan. Program Ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administrasion (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress) , getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys.
Metode elemen hingga merupakan metode yang digunakan oleh para engineer untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis yang dihadapinya. Adapun permasalahan teknik dan problem matematis yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode elemen hingga dapat dibagi dalam dua kelompok, yaitu masalah analisa struktur dan non struktur.Permasalahan dalam bidang stuktur meliputi analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran.Sedangkan dalam bidang non strukfur meliputi masalah perpindahan panas, mekanika fluida, dan distribusi potensial listrik dan magnet.
Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struklur yang komplek, pada umumnya sulit dipecahkan melalui analisa matematika. Hal ini disebabkan karena analisa matematika memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji.
Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang komplek, pembebanan yang rumit, tidaklah mudah diperoleh. formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.
Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui setiap titik secara diskrit. Mulai dengan pemodelan dari suatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagianyang kecil (diskritisasi).
Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam metode elemen hingga dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Pemilihantipe elemen dan diskritisasi
2. Tipe elemen yang digunakan dalam metode elemen hingga ini adalah elemen segitiga dan segi empat untuk kasus dua dimensi, sedangkan kasus-kasus tiga dimensi digunakan elemen tetrahedral, heksagonal, dan balok. Selanjutnya bagilah benda tersebut dalam elemen- elemen, langkah ini disebut langkah diskritisasi.
3. Pemilihan fungsi pemindahan fungsi
interpolasijenis-jenis fungsi yang sering digunakan adalah fungsi linear, fungsi kuadratik, kubik, atau polinomial derajat tinggi.
4. Mencari hubungan strain-dispIacement dan
stress- strain.
BAB 3
METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu
3.1.1 Tempat
Pada umumnya kegiatan penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Aktifitas kegiatan penelitian yang dilakukan diperlihatkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Kegiatan penelitian
No Kegiatan Lokasi Penelitian Keterangan 1 Desain helm sepeda Studio Gambar Teknik
Departemen Teknik Mesin FT USU
Desain menggunakan Software Solidworks 2012
2 Pengolahan serat Laboratorium foundry
3 Pembuatan helm sepeda
Laboratorium foundry
4 Uji sifat mekanis material
Laboratorium Impak dan Keretakan Unit I
5 Uji dinamis Impak Jatuh Bebas
Laboratorium Impak dan Keretakan unit II
3.1.2 Waktu
Waktu penelitian ini direncanakan selama lima bulan yang dimulai dari bulan September 2017.
3.2 Bahan, Peralatan dan Metode 3.2.1 Bahan
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini seperti yang terlihat pada tabel 3.2.
Tabel 3.2. Bahan-bahan peneltian No Nama Bahan Keterangan
1 Polyester resin tak jenuh
Jenis resin yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah resin Unsaturated Polyester dengan kode produksi BQTN-157 EX.
2 Blowing Agent Jenis blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah polyurethane yang merupakan reaksi antara polyol dan isocyanate
3 Katalis Jenis katalis yang digunakan adalah jenis Methyl Ethyl Keton Peroksida (MEKPO)
4 Pelumas mold release wax.
Pembongkaran spesimen yang telah dicetak agar lebih mudah dilakukan maka digunakan pelumas mold release wax
5 Serat Serabut Kelapa
Serat Serabut Kelapa berfungsi sebagai penguat matriks komposit polymeric foam.
3.2.1.1 Polyester resin tak jenuh ( BQTN 157-EX)
Polyester resin BQTN 157-EX merupakan polimer kondensat yang terbentuk berdasarkan reaksi artara polyol yang merupakan organik gabungan dengan alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic, yang mengandung ikatan ganda. Tipikal jents polyol yang digunakan adalah glycol, seperti ethylene glycol. Sementara asarn polycarboxylic yang digunakan adalah asam phthalic dan asam maleic. Adapun jenis polyester resin yang digunakan dalam penelitian ini dapat di lihat pada gambar 3.1 berikut:
Gambar 3.1 Resin Unsaturated Poliester BQTN-157 EX
Poliester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermosef yang memiliki struktur rantai karbon yang panjang. matrik yang berjenis ini memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis.
Polyester tergolong jenis polimer thermoset, yang memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukannya.struktur bahan yang dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan daya tahan yang lebih baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak. Hal tersebut disebabkan oleh molekul yang dimiliki bahan dalam bentuk rantai molekul raksasa, atom-atom karbon yang saling mengikat satu dengan lainnya mengakibatkan struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan data karakteristik mekanik bahan polyester resin tak jenuh seperti terlihat sebagai berikut:
Tabel 3.3. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh[12]:
Sifat Mekanik Satuan Besaran
Berat Jenis (ρ ) kg/m3 1,2 s/d 1,5
Modulus Young ( E ) Gpa 2 s/d 4,5
Kekuatan Tarik (
σ
t ) Mpa 40 s/d 903.2.1.2 Blowing agent
Blowing agent adalah bahan yang digunakan untuk menghasilkan struktur berongga pada komposit yang dibentuk. Jenis blowing agent yang digunakan dalam penelitian ini adalah palyurethane. Bentuk polyol dan isocyanate yang dipergunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada gambar 2.6.
Gambar 3.2 Blowing agent
Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan urethane yaitu -NH-CO2-O-. Polyurethane dibentuk oleh reaksi senyawa isosianat yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki hydrogen aktif seperti diol (polyol) yang mengandung group hydroksil dengan mempercepat reaksi yaitu katalis.
Unsur nitrogen yang bermuatan pada kelompok alkohol (polyol) akan membentuk ikatan urethane antara dua unit monomer dan menghasilkan dimer urethane.
Reaksi isosianat ini akan membentuk amina dan gas karbon dioksida (CO2). Gas ini yang kemudian akan membentuk busa pada bahan polirner yang terbentuk.
Bahan yang terbentuk dari campuran blowing agent dan polimer disebut dengan bahan polymeric foam. Bahan polymeric foam banyak ditemukan sebagai busa kaku dan fleksibel yang digunakan sebagai pelapis atau perekat bahan.
Berdasarkan sifat mekaniknya bahan ini memiliki 4 (empat) sifat penting di antaranya:
1.Sifat Elastik sifat ini berhubungan dengan sifat kekakuan bahan yang terdiri dari geometri, bentuk dan mikrostrukturnya.
2.Sifat Viskoelastik sifat peredaman solid bahan, sifat ini merupakan efek dari bentuk geometri bahan tersebut.
3.Sifat Akustik sifat ini berhubungan dengan sifat media yang dilewati oleh perambatan suara akibat bentuk struktur yang berongga akan memudahkan gelombang udara masuk kedalam bahan dan terserap atau terperangkap sebagian besar ke dalam struktur tersebut. Dengan demikian suara yang keluar dan atau dipantulkan oleh bahan polymeric foam akan mengalami
4.Sifat Viskoakustik. sifat ini berhubungan dengan peredaman fluida yang dihubungkan dengan geometri, bentuk mikrostruktumya yang sama dengan sifat elastiknya.
3.2.1.3 Katalis
Katalis merupakan bahan kimia yang digunakan untuk mempercepat proses reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan tekanan atmosfir. jenis katalis yang digunakan adalah jenis Methyl Ethyl Keton Peroksida (MEKPO), seperti diperlihatkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3. Katalis MEKPO
Pemberian katalis dapat berfungsi untuk mengatur waktu pembentukan gelembung blowing agen sehingga tidak mengembang secara berlebihan, atau terlalu cepat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan gelembung.
3.2.1.4 Serabut Kelapa
Serat serabut kelapa yang tebal, kasar tetapi tahan lama adalah produk sampingan yang didapatkan dari hasil ekstraksi tempurung kelapa. Serat serabut kelapa merupakan sebuah serat yang secara alami didapat dari kulit kelapa.
Ada dua jenis serabut kelapa, serat berwarna cokelat yang berasal dari kelapa tua dan serat berwarna putih dari kelapa yang muda. Serat yang berwarna cokelat merupakan serat yang tebal, kuat, dan memiliki ketahanan terhadap pengkisan yang tinggi. Serat berwarna putih lebih halus juga tipis, dan lebih rapuh. Kedua jenis serat kelapa tersebut memiliki kisaran panjang antara 10-30 cm. Serat yang memiliki panjang 20 cm disebut serat busa, sedangkan yang lebih pendek juga tekturnya halus disebut serat matras.
Dalam sebuah tempurung kelapa seberat 300 gram terdapat serat seberat 80 gram yang sepertiganya adalah serat busa. Industri berbasis serat serabut kelapa sudah mulai berkembang di beberapa negara penghasil kelapa seperti India, Tanzania, Kenya, Bangladesh, Myanmar, Thailand, Sri Lanka, Nigeria, Ghana.
Tabel 3.4. Komposisi Kimia Serat Serabut Kelapa[11]
Komponen Kimia Komposisi ( % )
Lignin 45.84
Selulosa 43.44
Holoselulosa 00.25
Pectin 03.00
Air terlarut 05.25
Abu 02.22
Tabel 3.5. Karakteristik Fisik Serat Serabut Kelapa[11]
Parameter Ukuran
Panjang (in) 15-20
Densitas (g/cc) 1,40
Diameter (mm) 0,1-1,5
Keuletan (g/Tex) 10
Modulus Elastisitas (dyne/cm2) 1,8924
Gambar 3.4. Serat Serabut Kelapa 3.2.2 Peralatan
Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian saya ini adalah sebagai berikut:
1. Komputer/Laptop
2. Software Solidworks 2012 3. Software Ansys 16.0
3.2.2.1 Komputer/Laptop
Komputer/Laptop adalah komputer bergerak (bisa dipindahkan dengan mudah) yang berukuran relatif kecil dan ringan, beratnya berkisar dari 1-6 kg, tergantung ukuran, bahan, dari spesifikasi laptop tersebut, laptop dapat digunakan dalam lingkungan yang berbeda dari komputer. Mereka termasuk layar, keyboard, dan trackpad atau trackball, yang berfungsi sebagai mouse. Karena laptop dimaksudkan untuk digunakan di mana saja, laptop memiliki baterai yang memungkinkan untuk beroperasi tanpa terhubung ke stopkontak (sumber listrik).
Laptop juga termasuk adaptor daya yang memungkinkan untuk menggunakan daya dari stopkontak dan mengisi kembali baterai.
Pada pembahasan ini Laptop digunakan untuk mendesain helm sepeda dengan mengunakan Software Solidworks 2012 dan juga untuk menjalankan software Ansys 16.0. Spesifikasi Laptop yang digunakan pada pengujian ini :
- Intel Core i3 4005U-1.7Ghz, - RAM 4GB, HDD 500GB,
- VGA nVidia Geforce GT930-2GB, - Layar 14 inci,
- Windows 10
Gambar 3.5. Laptop
3.2.2.2 Software Solidworks 2012
Solidworks adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh DASSAULT SYSTEMES digunakan untuk merancang part permesinan atau
susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan 2D (drawing ) untuk gambar proses permesinan.
Pada pembahasan ini software solidworks 2012 digunakan untuk mendesain model helm sepeda.
Gambar 3.6. Software Solidworks 2012
3.2.2.3 Software Ansys 16.0
Ansys adalah sebuah software analisis elemen hingga (finite element), bisa dipakai untuk melakukan analisis mekanika benda tegar, analisis fluida, dan analisis perpindahan panas.
Gambar 3.7. Software Ansys 16.0
3.3 Desain Helm Sepeda
Penelitian ini dilakukan dengan membuat dua permodelan helm sepeda dengan menggunakan software solidworks 2012. Desain helm sepeda dibuat sederhana, struktur helm sepeda yang dijadikan objek penelitian memiliki dimensi panjang 250mm, lebar 160mm, dan tinggi 170mm dengan ketebalan 30mm.
3.3.1 Model helm sepeda dengan tulang lurus depan
Desain helm sepeda dengan pandangan arah bagian depan dapat dilihat pada gambar 3.8 berikut:
Gambar 3.8. Model Helm sepeda dengan pandangan tulang lurus depan
Keterangan:
Pada gambar 3.8 ini model helm sepeda dengan pandangan tulang lurus ke depan di desain untuk mengambil data hasil simulasi jatuh bebas impak bagian depan untuk membuat perbandingan dengan helm jatuh bebas impak bagian depan eksperimental.
3.3.2 Model helm sepeda dengan tulang lurus ke samping
Desain helm sepeda dengan pandangan arah bagian samping dapat dilihat pada gambar 3.9 berikut:
Gamabar 3.9 Desain helm sepeda dengan tulang lurus ke samping keterangan:
Pada gambar 3.9 ini model helm sepeda dengan pandangan tulang lurus ke samping di desain untuk mengambil data hasil simulasi jatuh bebas impak bagian samping untuk membuat perbandingan dengan helm jatuh bebas impak bagian samping eksperimental.
3.3.3 Model helm sepeda dengan tulang lurus ke atas
Desain helm sepeda dengan pandangan arah bagian atas dapat dilihat pada gambar 3.10 berikut :
Gambar 3.10 Desain helm sepeda dengan tulang lurus atas.
keterangan:
Pada gambar 3.10 ini model helm sepeda dengan pandangan tulang lurus ke atas di desain untuk mengambil data hasil simulasi jatuh bebas impak bagian atas untuk membuat perbandingan dengan helm jatuh bebas impak bagian atas eksperimental.
3.4 METODE
3.4.1 Simulasi Impak Jatuh Bebas Menggunakan Ansys 16.0
Simulasi impak jatuh bebas pada metode penelitian ini menggunakan software Ansys 16.0. Ansys workbench adalah salah satu perangkat lunak berbasis metode elemen hingga yang dipakai untuk menganalisa masalah-masalah rekayasa (engineering).
Langkah simulasi ansys workbench dilakukan dalam 3 golongan proses pengerjaan yaitu Preprocessing, Solution, Post Processing. Untuk penjelasan langkah- langkah untuk simulasi ansys akan di terangkan sebagai berikut:
1. Ansys workbench 16.0
Untuk memulai ansys bisa melalui dua langkah yaitu dari ikon shortcut di desktop atau melalui Start → all Program → Ansys 16.0 → workbench 16.0
2. Setelah workbench 16.0 tertampil pada samping kiri muncul toolbox lalu pilih explicit dynamic pada analysis system dapat dilihat pada gambar 3.11 berikut:
Gambar 3.11. Explicit dynamics
3. Lalu pada project schematic akan muncul project expIicit dynamics, seperti gambar 3.12 berikut:
Gambar 3.12 project schematic
4. Pada project explicit dynamics terdapat langkah-langkah yang harus di selesaikan secara pertahap dan berurut, tahap pertama yang harus diselesaikan pada engineering data.
3.4.2 Engineering data.
Pada penelitian ini digunakan material baru yaitu polymeric foam dengan serabut kelapa yang belum terdaftar pada ansys workbench sehingga kita perlu memasukan data materialnya ke engineering data.
Double klik pada enggineering data, kemudian menu engineering data akan tertampil, pada"outline of schematic B2 ; engineering data” terdapat kotak bertuliskan "'click here to add a new material”, klik pada kotak lalu masukkan nama data material baru yang ingin kita simulasikan, disini penulis memasukan nama material baru " polymeric foam dengan serat serabut kelapa" dapat dilihat pada gambar 3.13 berikut:
Gambar 3.13. Data material baru
Lalu pada toolbox klik physical Properties → Density lalu masukan nilai density pada"tabel of properties row 2: Density" yang muncul di sebelah kanan tentukan satuanya dibawah kolom B dapat dilihat pada gambar 3.14 berikut:
Gambar 3.14. Data density
Kemudian pada toolbox klik linier elastic → isotropi elasticity lalu masukan nilai “modulus young dan poisson's ratio" pada "tabel of properties row 3:
“Isotropic elasticity" untuk modulus young tentukan satuanya dibawah kolom B seperti pada gambar 3.15 berikut:
Gambar 3.15. Data isotropic elasticity
Setelah semua step dilakukan maka step pada engineering data selesai, kemudian klik return to project maka akan kembali ke menu project schematic dan akan muncul tanda checklist pada engineering data.
3.4.3 Geometri Data
Pada menu geometri berfungsi sebagai tempat pembuataan model yang akan disimulasikan pada ansys bisa langsung membuat model yang akan disimulasikan langsung pada software ansys dan bisa juga mengimport model 3D yang akan disimulasikan langsung yang telah di buat dengan software Iain seperti autocad, solidworks, catia dll.
Disini model 3D helm dan anvile telah dibuat menggunakan saftware solidworks jadi model di import langsung ke ansys dengan cara klik kanan pada geometry → import geometry → brows, maka akan tampil menu pencarian file model helm yang akan di import, pilih file→open seperti pada gambar 3.16 berikut:
Gambar 3.16. lmport geometry
Kemudian double klik pada geometry, pada menu geometry klik generate → close. Setelah semua step dilakukan maka step pada geometri selesai dan akan muncul tanda checklist pada geometri.
Pada menu model dilakukan simulasi helm yang akan diteliti dengan cara double klik pada model maka menu explicit dinamics akan tampil, pada outline di samping terdapat keterangan step yang harus di selesaikan secara berurutan.
Pertama pada outline pilih project → model (A4) → geometry terdapat dua body yaitu solid 1 dan salid 2, klik kanan pada solid yg menunjukan anvile di keterangan gambar → rename, ganti nama menjadi anvile pada menu "details of anvile" di kiri bawah pilih definition→ stiffness behavior, untuk material → assigment pilih structural steel seperti pada gambar 3.17 berikut:
Gambar 3.17 Details of anvile
Kedua pada solid yang menujukkan keterangan helm pada gambar→
rename, ganti nama menjadi Helm pada menu "details of Helm" di kiri bawah pilih definitions →stiffness behavior tetap flexible, pada material → assigment klik kanan pilih polymeryc foarm dengan sabut kelapa yang dimasukkan ke engineering data sebelumnya seperti pada gambar 3.18 berikut:
