Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet

Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet

Menggunakan Metode Fotoelastisitas

Tono Sukarnoto dan Soeharsono

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, UnivcrsitasTrisakti Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.4, Jl. KyaiTapaNo 1,Grogol, Jakarta Barat 11440

Telp. 5663232 Ext: 431, Fax: 5605841. E-mail: tsukarnoto@yahoo.com

ABSTRACT: Stress Distribution Analysis on Bolt Head with Various Fillets Using Photoelasticity

Method. A geometry modification can be use to reduce stress concentration. This research is investigating the influence offillet radius in the head ofbolt. Different than most common bolt, thefillet is made at the bottom surface of head around its neck. To show the stress distribution we use classical experimental mechanics method, photo elasticity. Loading comesfrom a lead screw and measured by a load cell connected to a computer data logger. As the result, a 5 mm fillet radius may reduce maximum shear stress up to 35% than nofillet radius, so its effective to minimize stress concentration in head bolt. Keywords'. Photoelasticity, bolt, stress distribution

PENDAHULUAN

Baut merupakan salah satu elemen mesin yang

penggunaannya sangat luas. Fungsi utama baut adalah

menyambung dua komponen atau lebih agar menjadi satu kesatuan yang utuh. Ketika dibutuhkan sambungan dapat dilepas kembali tanpa merusak.

Pada saat digunakan baut akan mengalami tegangan tarik maupun tegangan geser. Karena perubahan

geometri maka pada bagian-bagian tertentu terjadi konsentrasi tegangan. Beberapa cara dapat diiakukan

untuk mengurangi konsentrasi tegangan akibat

perubahan geometri ini yaitu, membuat radius filet, mengubah posisi filet atau bahkan dengan melubangi bagian tertentu di sekitar konsentrasi tegangan [1].

Pada baut, secara umum terdapat radius filet di

sudut antara kepala baut dengan badannya. Filet ini

efektif mengurangi konsentrasi tegangan di daerah

tersebut. Namun dalam pemakaian dapat terjadi filet ini terdeformasi oleh lubang baut sehingga radiusnya mengecil. Untuk itu dicoba membuat filet di bagian bawah kepala baut sehingga tidak terpengaruh kontak antara baut dan tempat mengikatnya.

Metode fotoelastisitas dipilih karena perubahan

tegangan yang terjadi dapat diamati secara langsung dari perubahan fringe cahaya pada spesimen model transparan yang ditempatkan di antara medan cahaya terpolarisasi [2]. Hasil pengukuran dengan metode ini

relatif akurat dan dapat dianalogikan dengan material

sesungguhnya dalam skala penuh atau pun diperkecil.

Fotoelastisitas yang digunakan adalah dua dimensi. Analisis orde fringe diiakukan secara digital sehingga

sangat menghemat waktu serta tidak terlalu memerlukan

keahlian khusus sebagaimana cara manual [3].

Kontak Person: Tono Sukarnoto

JurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, USAKTI Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.2,Jl. Kyai Tapa No. I Grogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431 Fax: 5605841, E-mail: tsukamoto@yahoo.com

Fotoelastisitas Dua Dimensi

Analisis tegangan menggunakan metode

fotoelastisitas berdasarkan atas fenomena material, yang

bersifat isotropic ketika tidak dibebani. Tetapi akan berubah menjadi doubly refractive {optically anisotropic) ketika dibebani. Namun karakteristik ini

akan hilang ketika kembali tidak dibebani. Besar beban yang dibebankan pada model dibawah batas elastis

material. Contoh material ini seperti: epoxy, high polymer materials, dan Iain-lain [4].

Aplikasi dari fotoelastisitas dapat terbagi menjadi

dua bagian tergantung dari bentuk geometri model yang dianalisis. Jika model yang dianalisis berupa bidang,

maka gaya-gaya dapat dianalisa sebagai tegangan dan

regangan pada bidang, maka metode dua dimensional dapat diiakukan. Untuk model berbentuk selain bidang

dan lebih kompleks, maka digunakan metode analisis tiga dimensional.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa terdapat suatu kelas material dimana ia bersifat isotropic

ketika tidak dibebani, dan menjadi doubly refractive

{optically anisotropic) ketika dibebani. Material inilah yang dikenal sebagai crystals yang apabila dilewati oleh cahaya, akan direfleksikan menjadi dua cahaya, inilah yang disebut sebagai double refraction. Metode

fotoelastisitas ini dikembangkan berdasarkan sifat-sifat fisik dari material transparan tersebut, dengan catatan besar beban yang diuji tidak melewati batas elastis dari material [4].

Dalam menganalisis tegangan dengan

menggunakan metode fotoelastisitas terdapat dua jenis polariskop yang dapat digunakan. Polariskop merupakan susunan peralatan optik yang digunakan dalam

mendeteksi distribusi tegangan yang terjadi. Kedua jenis

polariskop yang biasa digunakan adalah:

• Polariskop bidang {planepolariscope) (Gambar 1) • Polariskop circular{circularpolariscope){G&mbar 2)

Polariskop bidang

Ketika model uji dibebani maka akan bersifat

doubly refractive dan titik dimana cahaya lewat akan terpolarisasi sesuai dengan arah tegangan utama yang bekerja 0\ dan rj2. Sumbu polarisator akan membentuk sudut (j) terhadap sumbu ot dan a2 (Gambar 1). Apabila

besar sudut $ yang terjadi adalah nol atau it/2, maka

sumbu polarisator akan berimpit dengan a, atau a2.

Karena sumbu analisator adalah tegak lurus terhadap arah sumbu polarisator, maka intensitas cahaya yang

keluar dari analisator adalah nol. Akibatnya pada semua titik pada model uji dimana arah dari tegangan utama berimpit dengan orientasi dari polarisator-analisator,

cahaya yang keluar dari analisator akan nol [5].

Titik-titik dimana arah tegangan utama berimpit dengan orientasi dari kombinasi polarisator-analisator

disebut dengan garis isoklinis.

Polariskop circular

Pada susunan polariskop circular digunakan dua

buah pelat seperempat gelombang (quarter wave plate)

yang masing-masing diletakkan diantara model uji dan

polarisator serta antara model uji dan analisator. Susunan

polariskop circular ini dapat dilihatpada Gambar 2. Pada susunan polariskop circular, posisi titik-titik

pada model uji dimana nilai dari a, dan a2 membuat perbedaan fase relatif 2mn. Disebabkan perbedaan fase

relatif berhubungan dengan o"|-a2, maka semua titik-titik pada model uji dimana nilai dari csra2 yang

menimbulkan perbedaan fase relatif sebesar 2m7t (dimana m = 0, 1,2, ...), intensitas cahaya yang keluar dari analistor akan nol. Maka dari itu pada layar akan

terlihat susunan garis gelap {dark band) atau fringe yang dikenal sebagai garis isokromatis [5].

Gambar 1. Susunan polariskop bidang, S = sumber cahaya, P = polarisator, M = model uji, A = analisator [5]

METODOLOGI

Peralatan

Peralatan terdiri dari perangkat fotoelastisitas, perangkat mekanis untuk pembebanan dan perangkat pengolah

gambar. Rangkaian perangkat fotoelastisitas terdiri dari

sumber cahaya, polarisator, analisator dan sepasang pelat seperempat gelombang (Gambar 3).

138

Gambar 2. Susunan polariskop circular, P= polarisator.

Qi= Pelat 'A X pertama, M= model, Q2= Pelat V* X kedua.

Perangkat pembebanan berupa kerangka dengan lead screw untuk mengatur beban (Gambar 4). Sebagai

pengukur beban digunakan load cell model cincin yang

dilengkapi dengan rangkaian strain gage dan

dihubungkan dengan komputer data logger. Model transparan baut dipasang dengan bagian kepala di bavvah kemudian diberi beban aksial ke atas.

Pola isokromat dan isoklinis tiap spesimen direkam dengan kamera digital. Selanjutnya gambar yang

diperoleh diproses dengan komputer untuk mendapatkan ordefringe yang dicari.

F SC

>£

U U I

L U

P Qi

M

Q2

A

c

Gambar 3. Susunan peralatan optik, SC=sumber cahaya,

P= polarisator, Q,= Pelat V* Xpertama, M= model.

Q2= Pelat V* X kedua, A= analisator, C= kamera digital

Gambar 4. Perangkat Mekanis, a= ulir pembeban, b= rangka, c= load cell. d= model beban transparan

Benda Uji

Pada penelitian ini dibuat empat model baut dengan variasi pada radius filetnya. Mulai dari tanpa filet, spesimen 1 (R = 0), spesimen 2 radius filet (R) = 2,5 mm, spesimen 3 R = 4 mm dan spesimen 4 R = 5 mm (Gambar 5). Beban konstan diberikan dalam arah aksial di badan model sehingga terjadi tegangan kontak

antara kepala model dengan tumpuannya.

Bahan model transparan dari lembaran epoxy araldit B tebal 10 mm. Pada saat pemesinan hams diperhatikan masalah gaya pemotongan dan panas yang timbul. Panas akibat gaya pemotongan yang tinggi saat

pemesinan harus dihindari karena akan menimbulkan tegangan batas yang tertinggal pada model [2]. Untuk itu

diperlukan mata potong yang tajam serta mesin yang presisi sehingga pemesinan diiakukan dengan mesin

CNC.

il

X •-* <2^ •A vo>

r^i

o "-X 0:< *•*. •:> s. > s°>>

Gambar 5. Model dan Variasi Radius Benda Uji

Radius filet R=0, R=2,5, R= 4 dan R=5 mm berturut-turut untuk gambar a, b, c, dan d.

Prosedur Pengujian

Ekperimen ini diiakukan dalam beberapa tahap

yaitu:

- Pengambilan pola gambar isoklinis - Pengambilan pola gambar isokromatis

- Penggabungan pola garis isoklinis

- Penggabungan pola garis isokromatis untuk medan gelap dan terang

- Analisis pola gambar

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis pertama untuk pola isoklinis

Pola garis isoklinis diambil pada sudut-sudut 0°

sampai dengan 90° dengan interval 15°. Contoh gambar hasil pengujian isoklinis dapat dilihat pada Gambar 6. Sedangkan contoh gambar dari pola garis isoklinis ditunjukkan pada Gambar 10.

Analisis kedua untuk pola isokromat

Pola garis isokromatis pada spesimen 1 sampai 4 diiakukan dengan beban 350 N pada medan gelap dan medan terang. Contoh gabungan untuk medan gelap dengan medan terang dengan beban 350 N pada Gambar 7. Pola garis medan gelap dapat dilihat pada Gambar 8 sedangkan medan terangnya dapat dilihat pada

Gambar 9. 90 75' 60 45 > -15 0 _--r- • .ts. jr •» i _ \ yf ill \ v s {Fft* \ ss E&h Gambar 6. Pola Garis Isoklinis Spesimen 3 (angka di sebelah kiri

adalah sudut isoklinis)

Gambar 7. Pola gabungan medan gelap dan terang isokromat

Garis Pengamatan

I .) vCW- •••-:••*

'ISfrr-S r;

\. \

Gambar 9. Pola garis medan terang pada spesimen 3 beban 350 N

Perhitungan

Hasil dari perhitungan yang didapat akan disajikan

dalam bentuk grafik yang menjelaskan hasil analisis terhadap benda uji. Dari model benda uji tersebut, distribusi tegangan yang akan dibahas adalah distribusi tegangan sepanjang garis pengamatan seperti terlihat

pada Gambar 8. Dengan mengambil titik pengamatan sebagai fungsi sudut isoklinis dan ordt fringe maka akan dihasilkan grafik sebagai berikut untuk model spesimen

no 3 (Gambar 10 & 11).

Sudut

I | I |c | I 1 I | I I I 1 I I ' |» I—Tltlk Pengamatan

1 2 3 4 5 6 7 8 9 LO

Gambar 10. Sudut Isoklinis pada spesimen 3

Fringe

Medan terang Medan gelap

I | I 1 I | I | I | I | I 1 I | I | I I Nth Penganatan

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Gambar 11.Grafik ordo isokromat padaspesimen 3 beban350 N

140

Dengan menggunakan metode separasi tegangan

diketahui at atau a2 serta x,2 pada permukaan bebas

nilainya adalah nol. Distribusi tegangan yang terjadi dari

hasil eksperimental untuk setiap nomor fringe dapat

dihitung sebagai berikut:

/ \ . N

Txy = V°"i ~ 0"2 jsm 2a = fr.— sin 2a

h (1)

dimana diketahui:

fr {ni\a\ fringe tegangan) = 11,2 kN/m [2]

h(tebal spesimen) = 10mm =0,01m

N (jumlahfringe)

txy: Tegangan gesermaksimum o~|dan a2: tegangan utama

Berdasarkan rumus di atas, maka distribusi

tegangan xxy hasil eksperimental untuk setiap titik

pengamatan untuk keempat spesimen dapat ditunjukkan

pada grafik Gambar 12.

Perbandingan Tegangan Fotoelastisitas Tegangan (MPa) 2.00E+06 1.80E+06 ; r 1.60E+O8 1.40E+06 1.20E+06 1.00E+06 8.00E+05 6.00E+05 4.00E+05 2.00E+05 0.00E+00 -2.00E+05 • Spesimen 1 ' Spesimen 2 * -Titik Pengamatan - Spesimen 3 - Spesimen 4

Gambar 12. Grafik perbandingan tegangan-tegangan fotoelastisitas

beban 350 N untukkeempat spesiemen.

Secara keseluruhan tegangan terbesar untuk

keempat spesimen terjadi di titik pengamatan nol pinggir

filet dan makin mengecil dengan makin menjauhnya titik

pengamatan, hal ini menunjukkan terjadinya konsentrasi

tegangan di daerah tersebut.

Tegangan maksimum terbesar terjadi pada

spesimen no 1 (tanpa radius) dan yang terkecil pada

spesimen no 4 (radius celah paling besar). Hal ini sesuai

dengan

teori

bahwa

konsentrasi

tegangan

akibat

perbedaan geometri akan berkurang dengan pemberian

radius filet.

Dalam perancangan baut pemberian radius yang

selama ini diiakukan di bagian filet di leher baut, dapat

diubah dengan memindahkan letak radius di bagian

bawah kepala bautdi sekeliling lehernya. Tentunya besar radius yang dapat diberikan bergantung kepada ukuran

bautnya, selain itu perlu dipertimbangkan aspek mampu

bentuk iformability) dari material baut tersebut.

SIMPULAN

Berdasarkan analisis dari hasil eksperimental yang telah dibahas, dapat diambil kesimpulan bahwa pemberian filet dengan radius tertentu di sekeliling Ieher baut efektif mengurangi konsentrasi tegangan di kepala baut.

Radius filet 5 mm memberikan pengurangan

tegangan geser maksimum sampai 35 % dibandingkan

tanpa radius, sedangkan radius 2.5 mm mengurangi

tegangan maksimum sebesar 14%.

Radius filet pada kepala baut dapat menjadi alternatif desain geometri untuk pengurangan

konsentrasi tegangan selain dari radius filet di leher baut sebagaimana baut pada umumnya.

DAFTAR PUSTAKA 1,

4.

5.

A Ahlquist, I Ionescu, Moslehy; Stress reduction in

Gear Tooth using Photoelasticity and Finite Element Analysis, Journal of Experimental Techniques, 2001,25 (5), pp 19-21.

Durelli, A.J. ; Applied Stress Analysis ; Prentice -Hall ofIndia Private Limited; New Delhi; 1970. Zuccarello; Complete Isochromatic Fringe-order Analysis in Digital Photoelasticity by Fourier Transform and Load Stepping, Strain International Journal for Strain measurement, 2005,41 (2). Dally, James W. ; Wiliiam F. Riley ; Experimental Stress Analysis (Third Edition) ; 1991, McGraw

-Hill International Editions.

Srinath, L.S; M.R. Raghavan; K. Lingaiah; G.

Gargesha; B. Pant; K. Ramachandra; Juvinall, R.C.;

Experimental Stress Analysis; 1980, Tata McGraw