tugas akhir Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2012

tugas akhir

Teknik Mesin

Latar Belakang

suasana yang tidak kondusif membutuhkan tindakan protektif lebih ditingkatkan

Dibutuhkan material pelindung tahan beban

balistik

Para ksatria menggunakan baju baja untuk melindungi dari pedang dan panah

Standart pengujian balistik impact untuk

jaket anti peluru menggunakan standart NIJ

Perumusan Masalah

Beban impact yang sangat besar akan mengakibatkan deformasi secara plastis. Pengujian langsung pada pelat sangat sulit karena kondisi yang kompleks sehingga membutuhkan waktu yang lama serta peralatan yang memadai.

Dengan kondisi tersebut pada tugas akhir ini, dilakukan simulasi dengan

Tujuan

• Menganalisa residual velocity

akibat beban impact dari proyektil

yang dihasilkan dari variasi

kecepatan proyektil.

• Menganalisa besar deformasi yang

dihasilkan dari proyektil dengan

bentuk ogive nose, hemispherical

nose dan conical nose.

Batasan Masalah

• Sudut penembakan lurus, yaitu tegak

lurus terhadap pelat.

• Penembakan hanya dilakukan sekali.

• Sifat mekanik material dianggap sama

dengan yang ada dalam standar

properties (tidak dilakukan pengujian

sifat mekanik).

• Spesimen uji berbahan weldox 460 E

steel.

• Pelat dijepit pada keempat sisinya.

• Analisa hanya pada pelat.

Asumsi

• Material yang dipakai diasumsikan

homogen dan isotropik.

• Tidak terdapat tegangan sisa

(residual strength) pada material

sebelumnya.

• Kecepatan proyektil sebelum

menumbuk pelat diasumsikan

konstan.

Manfaat

Dilakukannya penelitian ini

diharapkan

• Untuk pelat (target) dirancang agar

mampu menahan beban impact.

• Untuk proyektil dirancang mampu

menembus target.

Tinjauan pustaka

• T. Børvik, M. Langseth,

O.S. Hopperstad dan K.A.

Malo.

• melakukan pengujian

dengan menggunakan gas

gun sebagai pelontar

proyektil (massa, diameter,

dan panjang sebesar 197

gram, 20 mm, dan 80 mm)

Eksperimental set-up

• Pelontar menngunakan gas gun 200 bar.

• Panjang barel 10 m diameter 50 mm berada pada ruang impact seluas 16 m3 _.

• Gas gun mampu meluncurkan 250 g proyektil dengan kecepatan maksimal1000 m/s.

Andi Rizkiawan

• Melakukan penelitian pada balistik impact menggunakan proyektil dengan bentuk blunt-nose shape (silinder ujung permukaan datar) memferivikasikan jurnal dan simulasi finite element dan hasilnya memuaskan.

No _(m/s)V Residual Velocity (m/s) Deformasi (mm)

Eksperimen Simulasi Eksperimen Simulasi

1 173.7 0 0 2.93 2.9625 2 177.3 0 0 2.95 3.045 3 179.4 0 0 2.81 2.9525 4 181.5 0 0 2.92 2.9525 5 184.8 0 0 2.56 2.81 6 285.4 181.1 175 - -7 303.5 199.7 196 -

-Dasar Teori

• Shock wave

Ketika bertumbukan kedua material mengalami tekanan yang sama P1=P2

Dari persamaan kekekalan momentum ketika benda bertumbukan didapat

dimana Us=kecepatan shock Up=kecepatan partikel

EOS untuk kedua material

dimana C = sound velocity pada saat zero pressure

S = parameter empiris Sehingga prsamaan menjadi

Maka akar persamaan didapat

Dimana

Karena target dan proyektil mempunyai material yang sama, maka

• Johnson-cook

Teori mewakili perilaku kekuatan bahan dengan mendefinisikan tegangan yield

strain strain rate temperature Dimana

= effective plastic strain

= normalized effective plastic strain rate

T_H = homologous temperature (T - T_room )/(T_melt- - T_room ) kelima konstanta material adalah A,B,C, n, dan m

• Johnson-cook failure

Metodologi Penelitian

Sacara garis besar langkah-langkah penelitian terdiri

dari tahap-tahap sebagai berikut :

 Study literatur

 Membuat modeling finite elemen berbasis eksplisit

(Ansys Autodyn)

 Analisa deformasi pada setiap pembebanan

 Menarik kesimpulan mengenai hasil analisa yang

dilakukan

start

Studi Literatur dan Pengumpulan Data yang Dibutuhkan

Pemodelan dan Verifikasi Model

Penerapan Variasi dan Simulasi Impact

Plotting Hasil Simulasi

Hasil Sesuai

Analisa Hasil Simulasi

Kesimpulan

Selesai Tidak

No _(m/s)V

Residual Velocity (m/s) Deformasi

ogive hemispherical conical ogive hemispherical conical 1 173.7 2 177.3 3 179.4 4 181.5 5 184.8 6 188.8 7 189.6 8 188.1 9 200.4 10 224.7 11 244.2 12 285.4 13 303.5

Membangun Simulasi

Pada proses simulasi impact load ini akan digunakan alat bantu “software finite element analysis (FEA)” yaitu ANSYS

Perancangan geometri

Model yang

digunakan untuk

analisa ini terdiri dari proyektil dan pelat target.

Disamping

merupakan contoh pembuatan goemetri pelat target.

Proses meshing

Pada proses ini membagi model menjadi elemen-elemen. Metode yang digunakan untuk meshing pelat adalah hex-dominan

Material model

Properties material pelat target

Material Weldox 460 E steel

Reference Density (g/cm3_{) 7.85} EOS Shock Gruneisen Coeff 2.17 C1 (m/s) 4569 S1 1.49 Ref. Temp (K) 293 Specific Ht (J/kgK) 452 Thermal Conductivity ( J/mKs) 45 Strength Johnson-Cook

Shear Modulus, G (GPa) 75.19

Yield Stress (MPa) 490

Hardening Const (Mpa) 807

Hardening Expnt 0.73

Strain Rate Constant 0.012

Thermal softening Exponent 0.94

Melting Temp (K) 1800

Failure Johnson-Cook Damage Constant, D1 0.0705 Damage Constant, D2 11.732 Damage Constant, D3 -0.54 Damage Constant, D4 -0.00123 Damage Constant, D5 0 Melting Temp (K) 1800

Proyektil menggunakan material Arne tool steel

• Massa : 197 g

• Diameter : 20 mm • Panjang : 80 mm

• Young’s modulus E_p = 200.000 Mpa • Poisson’s ratio v_p = 0,33

Initial condition

Digunakan untuk mengatur kecepatan pada proyektil

Boundary condition

Pengaturan untuk batasan pada pelat dimana pada setiap tepi sisi luar pelat tidak bergerak (dijepit)

Pengolahan data

Hasil simulasi akan menunjukkan rangkaian

kejadian impact pada cycle dan waktu

tertentu serta beberapa parameter lainnya

yang diamati. Setelah didapatkan hasil

simulasi, maka akan dilakukan pengolahan

hasil berupa plotting grafik velocity-time hasil

simulasi yang telah terekam. Grafik yang

Hasil Simulasi

Setelah melakukan simulasi dengan variasi bentuk ujung proyektil dan kecepatan awal yang diberikan, maka didapatkan profil perjalanan proyektil sebagai berikut :

 Conical-nose

(0 ms) (0.042 ms)

 Ogive-nose

(0 ms) (0.432 ms)

 Hemispherical-nose

(0ms) (0.0431 ms)

Cara Pengambilan Data

Tabel Hasil Simulasi

No Initial Velocity

Kedalaman Penetrasi (mm) _{Residual Velocity (m/s)} conical-nose ogive-nose hemispherical-nose conical-nose ogive-nose hemispherical-nose 1 173.7 17.32 20.35 _ _ _ 26.91 2 177.3 17.74 20.11 _ _ _ 32.23 3 179.4 17.84 20.51 _ _ _ 40.19 4 181.5 18.04 20.77 _ _ _ 38.15 5 184.8 18.54 20.4 _ _ _ 47.22 6 188.1 18.71 21.92 _ _ _ 62.82 7 188.8 18.83 22.21 _ _ _ 58.98 8 189.6 18.91 21.81 _ _ _ 66.76 9 200.4 19.99 24.2 _ _ _ 93.97 10 224.7 23.27 27.84 _ _ _ 132.09 11 244.2 26.68 32.03 _ _ _ 158.88 12 285.4 _ _ _ 155.33 55.65 213.07 13 303.5 _ _ _ 194.92 114.93 236.13 14 ₃₂₀ _ _ _ _{218.64 156.43} 257.24 15 ₃₄₀ _ _ _ _{246.69 192.08 279.76} 16 ₃₆₀ _ _ _ _{274.98 232.2 303.46}

Data Eksperimen

(a) Blunt-nose

(b) Hemispherical-nose

Hasil Eksperimen

Blunt-nose no initial velocity (m/s) residual velocity (m/s) 1 399.6 291.3 2 303.5 199.7 3 285.4 181.7 4 244.2 132.6 5 224.7 113.7 6 200.4 71.4 7 189.6 42 8 184.3 30.8 9 184.8 0 10 181.5 0 hemispherical-nose no initial velocity (m/s) residual velocity (m/s) 1 452 325.1 2 420.6 284.3 3 362.9 220.2 4 326.7 154.8 5 300 97.2 6 292.1 0 7 278.9 0 Conical-nose no initial velocity (m/s) residual velocity (m/s) 1 405.7 312 2 355.6 232.3 3 317.8 155.8 4 300.3 110.3 5 280.9 0 6 248.7 0 7 206.9 0

Grafik hasil simulasi

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Ke da la ma n ( mm) Initial velocity (m/s) Kedalaman Penetrasi conical ogive

Grafik Hasil Simulasi

0 50 100 150 200 250 300 350 150 200 250 300 350 400 re sid ua l v elo cit y (m /s ) initial velocity (m/s) Residual Velocity hemispherical conical ogive

Grafik Hasil Eksperimen

0 50 100 150 200 250 300 350 150 200 250 300 350 400 450 rs id ua l v elo cit y (m /s ) initial velocity (m/s)

Grafik hasil eksperimen

blunt

hemispherical conical

Perbandingan Residual Velocity Proyektil Initial velocity (m/s) Residual velocity (m/s) Error (%) eksperimen simulasi 452 325.1 346 6.4287

Profil penetrasi pada eksperimen & simulasi

Error yang terjadi pada simulasi bentuk hemispherical-nose

Hasil grafik residual velocity yang didapat

Perbandingan Residual Velocity Proyektil Initial velocity (m/s) Residual velocity (m/s) Error (%) eksperimen simulasi 405.7 312 320.46 2.711

Profil penetrasi pada eksperimen & simulasi

Error yang terjadi pada simulasi bentuk Conical-nose

Hasil grafik residual velocity yang didapat

Analisa Hasil

initial velocity peningkatan kedalaman penetrasi(%) conical ogive 173.7-177.3 2.42 -0.88 177.3-179.4 0.56 1.48 179.4-181.5 1.12 0.95 181.5-184.8 2.77 2.24 184.8-188.1 0.92 1.83 188.1-188.8 0.64 1.00 188.8-189.6 0.42 -1.37 189.6-200.4 5.71 8.34 200.4-224.7 16.41 11.68 224.7-244.2 14.65 12.04 Total 4.56 3.73

Dari tabel dapat dilihat peningkatan yang terjadi pada penambahan kecepatan awal

0.00 2.00 4.00 6.00 pro se nt as e k en ai ka n (%) Kedalaman penetrasi conical ogive

Analisa Hasil

Dari tabel dapat dilihat peningkatan yang terjadi pada penambahan kecepatan awal

initial velocity

peningkatan residual velocity(%) conical ogive hemispherical 173.7-177.3 - - 19.77 177.3-179.4 - - 24.70 179.4-181.5 - - -5.08 181.5-184.8 - - 23.77 184.8-188.1 - - 33.04 188.1-188.8 - - -6.11 188.8-189.6 - - 13.19 189.6-200.4 - - 40.76 200.4-224.7 - - 40.57 224.7-244.2 - - 20.28 244.2-285.4 25.49 106.52 34.11 285.4-303.5 12.17 36.11 10.82 320.0-340.0 12.83 22.79 8.94 340.0-360.0 11.47 20.89 8.75 Total 15.49 46.58 15.66 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 pr os en ta se r es id ua l v el oc it y (% ) residual velocity conical ogive hemispherical

Kesimpulan

Setelah melakukan rangkaian simulasi, pengolahan data, dan analisa maka dapat ditarik kesimpulan sebagi barikut :

• Analisa simulasi dengan initial velocity dibawah 400 m/s menunjukkan bahwa proyektil dengan bentuk ogive-nose

memiliki efisiensi penembusan pelat target lebih baik

dibandingkan dengan bentuk conical-nose dan hemispherical-nose.

• Bentuk proyektil ogive-nose memiliki kemampuan untuk

melakukan kedalaman penetrasi lebih baik dibandingkan dengan bentuk proyektil conical-nose. Kedalaman penetrasi kedua bentuk proyektil tersebut mengalami kenaikan seiring dengan naiknya kecepatan awal yang diberikan.

Sekian terima kasih

Mohon saran dan kritik guna

kesempurnaan