SIMULASI DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR NON-STANDARD YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI TESIS

(1)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009.

SIMULASI DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM

SEPEDA MOTOR NON-STANDARD YANG DIKENAI

BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI

TESIS

Oleh

IZWAR LUBIS 057015007/TM

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2009

SE K O L A H P A SC_{A S AR JA}NA

(2)

SIMULASI DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM

SEPEDA MOTOR NON-STANDARD YANG DIKENAI

BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI

TESIS

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Magister Teknik Mesin, pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

IZWAR LUBIS

057015007/TM

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2009

(3)

Judul Tesis : SIMULASI DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR NON-STANDARD YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI

Nama Mahasiswa : Izwar Lubis Nomor Pokok : 057015007 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 Direktur

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B., M.Sc)

(4)

Telah diuji pada

Tanggal : 30 Maret 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. Ikhwansyah Isranuri

(5)

ABSTRAK

Penelitian ini merupakan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda motor

non-standard dengan menggunakan software MSC/NASTRAN 4.5. Helm sepeda motor

yang digunakan sebagai spesimen pada penelitian ini adalah helm sepeda motor merek X yang bukan standard tapi banyak dijual dipasaran dan digunakan oleh pengendara sepeda motor. Bentuk helm yang akan disimulasikan pada penelitian ini adalah helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1), helm separuh kepala ditambah busa

(tipe a2), helm penuh tanpa busa (tipe b1), dan helm penuh ditambah busa (tipe b2).

Material tempurung adalah Polypropilene-Etilene Copolimer dan material peredam benturan (busa) adalah Polyethylene Foam LD18. Helm dimodel dengan menggunakan AutoCAD dan di simulasi dengan menggunakan Software

MSC/NASTRAN 4.5 yaitu suatu program analisa elemen hingga yang digunakan untuk menganalisa struktur. Model pembebanan dilakukan pada arah impak (lokasi a) atas, belakang, samping, dan depan sebesar 10,19 MPa dengan waktu impak 0,037 s. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa untuk helm tipe b2 jika arah impak diberikan

pada arah depan helm (arah-X) maka dapat diamati bahwa tegangan yang timbul pada lokasi b sebesar +0,07 MPa arah-Y dan +0,04 MPa arah-Z. Sedangkan pada helm tipe

b1 dengan arah impak yang sama diperoleh tegangan yang timbul sebesar +0,27 MPa

arah-Y dan +0,11 MPa arah-Z. Pada helm tipe a1 dengan arah impak yang sama

diperoleh tegangan yang timbul sebesar +2,45 MPa arah-Y dan +2,03 MPa arah-Z. Pada helm tipe a2 dengan arah impak yang sama diperoleh tegangan yang timbul

sebesar +0,71 MPa arah-Y dan +0,45 MPa arah-Z. Dari ke empat tipe helm dapat disimpulkan bahwa helm tipe b2 dapat memperkecil tegangan sehingga dengan

menambah busa pada helm benturan yang diterima helm dapat memperkecil tegangan yang masuk ke helm dan kepala aman terhadap benturan dari berbagai arah akibat dari kecelakaan.

(6)

ABSTRACT

This study is a simulation of the strees ddistribution on a non-standard motorcycle helmet by using the software of MSC/NASTRAN 4.5. The motorcycle helmet used as the specimen in this study was the non-standard motorcycle helmet of X brand which is mostly sold in the market and worm by the motorcycle riders. The types of helmet simulated in this study were type a1 (half-face helmet without foam rubber), type a2 (half-face helmet with foam rubber), type b1 (full-face helmet without foam rubber), and type b2 (full-face helmet with foam rubber). The material for the helmet shell was Polypropilene-Etilene Copolimer and the material for the impact breaker (foam rubber) was Polyethylene Foam LD18. Helmet was modeled by using AutoCAD and stimulated through the software of MSC/NASTRAN 4.5 which is a finite element analysis program used to a analyze the structure. Loading model was done on the impact direction (location a) such as above, back, side, and front for 10.19 MPa with the impact time of 0.037 s. The result of simulation shows that, for the helmet of type b2, if the impact direction was from the front of the helmet (direction-X), the stress appears on location b was + 0,07 MPa direction-Y and +0,04 MPa direction Z. While for the helmet of type b1 with the some impact direction, the stress was +0,27 MPa direction-Y and +0,11 MPa direction-Z. For the helmet of type a1 with the same impact direction, the stress was +2.45 MPa direction-Y and +2,03 MPa

direction-Z. For the helmet of type a2 with the same impact direction, the stress was

+0,71 MPa direction –Y and +0,45 MPa direction –Z. The conclusion is that, of the four types of helmet, the helmet of type b2 can reduce the stress that with giving more foam rubber to the helmet, the impact received by the helmet can reduce the stress gets into the helmet and the head is safe from the impact coming from various directions resulted from the accident.

(7)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul “Silmulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi”. Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari Komisi Pembimbing.

Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Prof. Dr. Bustami Syam, MSME selaku Ketua Komisi Pembimbing, Ketua Proyek Riset Hibah Pascasarjana, Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU dan Direktur IC-Star USU yang telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis.

Ucapan terimakasih dan penghargaan juga ditujukan penulis kepada Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng dan Ir. Tugiman MT, selaku anggota komisi pembimbing dan yang telah banyak memberikan arahan pada penulis dalam melaksanakan penelitian ini sampai menjadi sebuah tesis.

Penghargaan dan terima kasih penulis kepada Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B., M.Sc, selaku Direktur Sekolah Pascasarjana USU dan Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri M.Eng selaku Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah

(8)

memberikan kesempatan pada penulis dalam mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU.

Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di Program Magister Teknik Mesin dan seluruh rekan-rekan mahasiswa yang tergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan dan Alumni Magister Teknik Mesin yang telah banyak memberikan masukan.

Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Penulis menyadari masih banyak ketidak sempurnaan dari penulisan tesis ini, oleh karenanya keritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan.

Medan, 30 Maret 2009 Peneliti,

Izwar Lubis 057015007

(9)

RIWAYAT HIDUP

Nama : Izwar Lubis

Tempat/Tgl. Lahir : Pematangsiantar, 09 Desember 1979

Agama : Islam

Alamat : Jl. Karya Wisata, Komp. JIP 1 Blok III no 14 Kelurahan Gedung Johor Medan 20144

Telp. (061) 7874275 HP. 081260474343

Email

Jenis Kelamin : Laki-laki

Pendidikan Tahun

Jenjang Pendidikan

Masuk Tamat

1985 1992 Sekolah Dasar (SD) Taman Siswa Pematangsiantar 1992 1995 Sekolah Menengah Pertama (SMP) Negeri 10

Pematangsiantar

1995 1998 Sekolah Menengah Atas (SMA) Taman Siswa Pematangsiantar

1998 2005 Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin USU Medan

Riwayat pekerjaan

No Pekerjaan Tahun

(10)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ... i ABSTRACT ...ii

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ...viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

DAFTAR ISTILAH ... xv

LAMBANG YUNANI ... xvi

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 3

1.3. Tujuan Penelitian ... 4

1.4. Manfaat Penelitian ... 5

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1. Landasan Teori ... 6

2.2. Prinsip-prinsip Cedera Kepala ... 8

2.3. Metode Pengukuran Helm ... 11

2.4. MSC/NASTRAN 4.5 ... 19

2.5. Metode Elemen Hingga ... 21

2.6. Kerangka Konsep Penelitian ... 29

BAB 3 METODE PENELITIAN ... 30

3.1. Tempat dan Waktu ... 30

3.2. Bahan, Peralatan dan Metode ... 30

3.3. Variabel yang Diamati ... 38

(11)

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 40

4.1. Pendahuluan ... 40

4.2. Simulasi Helm Sepeda Motor Non-Standard ... 40

4.2.1 Helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1) ... 44

4.2.2 Helm separuh kepala ditambah busa (tipe a2) ... 64

4.2.3 Helm penuh tanpa busa (tipe b1) ... 73

4.2.4 Helm penuh ditambah busa (tipe b2) ... 82

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 92

5.1. Kesimpulan ... 92

5.2. Saran ... 93

(12)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

3.1 Sifat mekanik impak material helm [4] ... 33

4.1 Hasil tegangan pada helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1) ... 64

4.2 Hasil tegangan pada helm separuh kepala ditambah busa (tipe a2) ... 73

4.3 Hasil tegangan pada helm penuh tanpa busa (tipe b1) ... 81

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman 2.1 Komponen helm sepeda motor (a) Helm separuh kepala

(b) Helm penuh ... 6

2.2 Statistik penyebab cedera kepala [6] ... 8

2.3 (a) Gaya yang menerpa kepala (contoh mekanisme akselerasi) (b) Gaya yang menerpa kepala (contoh mekanisme deselerasi) ... 9

2.4 Klasifikasi sudut impak pada kepala manusia ... 10

2.5 Perilaku gelombang longitudinal ... 13

2.6 Susunan batang uji ... 14

2.7 Perilaku batang setelah terjadi impak ... 15

2.8 Perilaku tegangan pada interfaceinput bar dan spesimen ... 17

2.9 Kurva toleransi untuk impak kepala ... 18

2.10 Variasi ukuran kerusakan kepala (HIC) dengan percepatan impak (V2) dan percepatan dimensi (a/g) ... 19

2.11 Elemen dx dy dz ... 23

2.12 Bentuk elemen solid tetrahedral ... 24

2.13 Kerangka konsep penelitian ... 29

3.1 Helm non-standard ... 31

3.2 Ukuran helm separuh kepala ... 32

3.3 Ukuran helm penuh ... 32

3.4 Kotak dialog untuk di import ke NASTRAN ... 34

3.5 Kotak dialog ukuran mesh ... 34

3.6 Kotak dialog material dan sifat mekaniknya ... 35

3.7 Kotak dialog constraint/DOF ... 35

3.8 Kotak dialog model fungsi ... 36

3.9 Kotak dialog beban dalam bentuk tegangan ... 36

3.10 Kotak dialog analisa dinamik ... 37

(14)

3.11 Kotak dialog analisa... 37

3.12 Diagram aliran pelaksanaan penelitian ... 39

4.1 Helm separuh kepala (half face) ... 41

4.2 Helm penuh (full face) ... 41

4.3 Helm separuh kepala setelah di import dari AutoCAD ... 42

4.4 Helm penuh setelah di import dari AutoCAD ... 42

4.5 Lokasi impak pada helm separuh kepala ... 43

4.6 Lokasi impak pada helm penuh ... 44

4.7 Model helm di Nastran setelah di import dari AutoCAD ... 45

4.8 Kotak dialog mesh ... 46

4.9 Helm yang sudah di mesh ... 46

4.10 Kotak dialog jenis material ... 47

4.11 Kotak dialog material dan sifat mekaniknya ... 48

4.12 Kotak dialog constraint ... 48

4.13 Helm yang di constraint ... 49

4.14 Kepala saat membentur aspal ... 50

4.15 Kotak dialog pemilihan elemen ... 51

4.16 Kotak dialog beban impak dalam bentuk tegangan ... 52

4.17 Helm yang diberikan beban... 52

4.18 Kotak dialog analisa dinamik ... 53

4.19 Tegangan insiden vs waktu impak ... 54

4.20 Kotak dialog model fungsi ... 54

4.21 Kurva tegangan insiden vs waktu impak ... 55

4.22 Nastran analysis control... 55

4.23 Distribusi tegangan normal arah-X impak atas ... 56

4.24 Distribusi tegangan normal arah-Z impak atas... 56

4.25 Tegangan vs waktu (tegangan normal lokasi a dititik impak) ... 57

(15)

4.27 Distribusi tegangan normal arah-Y impak belakang ... 58

4.28 Distribusi tegangan normal arah-Z impak belakang ... 58

4.30 Tegangan vs waktu (tegangan normal di lokasi b) ... 59

4.31 Distribusi tegangan normal arah-X impak samping ... 60

4.32 Distribusi tegangan normal arah-Y impak samping ... 60

4.35 Distribusi tegangan normal arah-Y impak depan ... 62

4.36 Distribusi tegangan normal arah-Z impak depan ... 62

4.39 Helm separuh kepala ditambah busa ... 65

(16)

4.72 Helm penuh ditambah busa ... 82

(17)

(18)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman 1. Analisa menggunakan MSC/NASTRAN 4.5 ... 96 2. Pemodelan menggunakan software AutoCAD ... 97 3. Material Foam ... 98

(19)

DAFTAR ISTILAH

Notasi Satuan

A1 = Luas penampang batang 1 ... m2

C0,1 = Kecepatan rambat gelombang dalam batang 1 ... m/det

CI = Kecepatan rambat gelombang dalam batang impak... m/det

CII = Kecepatan rambat gelombang dalam batang penerus ... m/det

CIII = Kecepatan rambat gelombang dalam spesimen ... m/det

Ccd = Kecepatan rambat gelombang pada spesimen ... m/det

CL = Kecepatan gelombang longitudinal ... m/det

D1 = Perubahan panjang batang uji ... Mm E = Modulus young material ... GPa Ek = Energi kinetic ...Joule

Em = Modulus young ... MPa

Ei = Modulus impak ... MPa

Eko = Energi kinetik mula-mula ...Joule

Es = Energi regangan ...Joule

Eso = Energi regangan mula-mula ...Joule

m = Massa benda mula-mula ... Kg N = Nilai data yang diperoleh setelah pengimpakan

P = Gaya tarik pada komposit ... N S = Standar deviasi

t = Waktu rambat gelombang ... det t1 = Waktu rambat gelombang antara strain gage a dan b ... det

tL = Waktu rambat gelombang longitudinal ... det

tI = Waktu rambat gelombang dalam batang impak ... m/det

V0 = Kecepatan partikel mula-mula ... m/det

Vo = Tegangan setelah pengimpakan ... Volt V1 = Kecepatan batang 1 sebelum tumbukan ... m/det

VI = Kecepetan partikel masuk ... m/det

VR = Kecepatan partikel yang direfleksikan ... m/det

VS = Tegangan pengujian ... Volt

VT = Kecepatan partikel yang ditransmisikan ... m/det ∆m = Perubahan massa ... Kg

(20)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. LAMBANG YUNANI Satuan σ = Tegangan ... MPa α = Faktor transmisi β = Faktor refleksi

βσ = Tegangan yang direfleksikan ... MPa

ε = Regangan

η = Faktor gage

ρ = Massa jenis...kg/m3

ρ 1 = Rapat jenis material batang 1 ...kg/m3

ρ2 = Rapat jenis material batang 2 ...kg/m3

ρ3 = Rapat jenis material batang 3 ...kg/m3

σ1 = Tegangan pada batang 1 ... MPa

σ2 = Tegangan pada batang 2 ... MPa

σI = Tegangan yang masuk ... MPa

σR = Tegangan yang direfleksikan ... MPa

σT = Tegangan yang ditransmisikan ... MPa

(21)

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Keselamatan pada saat berkendara merupakan yang utama yang perlu diperhatikan. Kenyamanan dan keamanan pada saat berkendaraan merupakan idaman dan keinginan pengendara sepeda motor khususnya, namun masih banyak pengendara sepeda motor yang belum memahami betapa pentingnya menggunakan pelindung diri saat mengendarai sepeda motor. Angka kecelakaan kendaraan bermotor di jalan raya khusus untuk Kota Medan relatif cukup tinggi, dimana kecelakaan ini sering kali menyebabkan cedera kepala. Kepala merupakan bagian yang paling vital dari tubuh manusia karena di kepala terdapat otak yang mengatur aktivitas manusia dan merupakan pusat berfikir.

Konstribusi kecelakaan pada umumnya disebabkan oleh benturan secara langsung oleh suatu benda terhadap kepala pengendara, yang terjadi secara tiba-tiba: seperti dari samping, belakang, depan, maupun dari atas. Penyebab terjadinya kecelakaan bisa disebabkan beberapa faktor, antara lain, pengendara yang kurang hati-hati, kondisi jalan yang tidak baik, kecelakaan akibat kelalaian dari pengendara lain dan banyak faktor yang menyebabkan terjadinya kecelakaan.

Aturan hukum yang mengatur tentang kewajiban menggunakan helm pengaman yang standard telah digulirkan Surat Keputusan Menteri Perhubungan No.KM.188/AJ.403/PHB-86 [1] tentang topi pengaman (helm) sebagai perlengkapan

(22)

teknis kendaraan bermotor dan kegunaannya bagi pengemudi dan penumpangnya, namun kenyataannya masih banyak pengendara sepeda motor yang mengabaikan ketentuan tersebut.

Salah satu solusi yang harus ditempuh adalah melindungi kepala dengan menggunakan helm. Namun masih banyak pengendara sepeda motor menggunakan helm non-standard yang hanya memikirkan harga yang relatif terjangkau dan di samping itu juga menghindari diri dari polisi, umumnya belum memenuhi syarat keselamatan, artinya tidak menjamin keselamatan kepala pengendara dari tabrakan dengan kecepatan tinggi saat mengendarai sepeda motor.

Simulasi komputer yang digunakan dengan program MSC/NASTRAN 4.5 bermaksud untuk memperoleh informasi distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm serta mengecek daerah konsentrasi tegangan yang potensial terjadinya inisiasi keretakan. Penelitian tentang beban impak yang terjadi pada helm sepeda motor telah dilakukan beberapa peneliti dengan menggunakan simulasi komputer, diantaranya V. Kostopoulos, [2] dan F.M. Shuaeib, [3] menggunakan softwere LS-DYNA3D dan Mahadi B, [4] telah melakukan pengujian pada helm industri non-standard, Nelly Emalia H., et al [5] melakukan pengujian kekuatan akibat beban impak pada helm sepeda motor.

Untuk melakukan simulasi komputer helm sepeda motor non-standard ini dapat dilakukan di International Center for Science, Technology and Art (IC-STAR) USU. Helm sebagai subjek penelitian, yang akan di simulasi adalah helm sepeda

(23)

motor non-standard. Penelitian helm tersebut sebagai pemodelan dalam simulasi dikarenakan masih banyak dipakai pengendara sepeda motor di Medan.

1.2.Perumusan Masalah

Benturan yang terjadi apabila menggunakan helm non-standard dapat menimbulkan cedera pada jaringan kulit, tulang maupun struktur kepala maupun otak. Terjadinya kecelakaan pada saat mengendarai sepeda motor dapat menimbulkan cedera pada kepala. Permasalahan yang ditinjau dalam simulasi ini adalah salah satu kecelakaan yang terjadi di jalan, dimana seorang pengendara sepeda motor yang menggunakan helm non-standard jatuh pada kecepatan yang tinggi sehingga helm mengenai aspal jalan secara langsung, dengan berbagai posisi jatuhnya helm ke aspal. Dari permasalahan tersebut perlu diketahui seberapa besar tegangan yang diterima helm baik secara langsung maupun tidak langsung, jenis keretakan pada helm yang terjadi.

Untuk menjawab permasalahan tersebut di atas maka perlu dilakukan simulasi yang dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan. Dalam penelitian ini akan digunakan Software AutoCAD, MSC/NASTRAN 4.5. Metode elemen hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan dengan bantuan MSC/NASTRAN 4.5, perangkat lunak ini adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas

(heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika dan untuk membuat

(24)

helm sebenarnya. Sehingga dengan simulasi tersebut dapat diamati distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm. Sebelum dilakukan simulasi pada helm untuk memperoleh distribusi tegangan (MPa) yang timbul pada helm dan mengecek daerah konsentrasi tegangan yang potensial terjadi inisiasi retakan, Dari sifat mekanik diperoleh informasi antara lain: Youngs Modulus, Poisson’s Ratio, Mass Density.

1.3.Tujuan Penelitian

1.3.1. Tujuan umum

Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengetahui respon impak pada helm non-standard yang dikenai beban impak kecepatan tinggi dengan simulasi komputer (MSC/NASTRAN 4.5).

1.3.2. Tujuan khusus

1. Untuk mengetahui respon dan distribusi tegangan secara menyeluruh pada struktur helm sepeda motor non-standard dengan simulasi komputer.

2. Untuk mengetahui tegangan dititik impak yang potensial terjadinya inisiasi retakan.

3. Untuk mengetahui daerah distribusi tegangan terkecil antara helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1), helm separuh kepala ditambah busa (tipe a2), helm

penuh tanpa busa (tipe b1), dan helm penuh ditambah busa (tipe b2)

(25)

1.4.Manfaat Penelitian

Penelitian ini nantinya merupakan satu upaya nyata bagi pihak perguruan tinggi, khususnya bagi lembaga penelitian, dalam memberikan informasi bahayanya menggunakan helm non-standard.

Adapun manfaat dari penelitian adalah:

1. Memberi informasi kepada dunia industri dan pemerintah dalam hal ini Deperindag dan Depnaker tentang mencegah cedera kepala akibat kecelakaan pada saat mengendarai sepeda motor dengan memakai helm non-standard, sehingga pada saat jatuh kepala pengendara mengenai aspal . Dalam hal ini memberitahukan agar pengendara sepeda motor berkewajiban menyediakan alat pelindung diri (APD) yang standard dan pengendara sepeda motor diharuskan menggunakannya.

2. Memberikan masukan kepada dunia kesehatan/medis tentang besarnya insiden tegangan dan distribusi tegangan yang dapat menyebabkan cedera pada kepala melalui simulasi ini.

3. Memberikan masukan kepada Badan Stadarisasi Nasional (BSN) untuk mempertimbangkan bahaya penggunaan helm sepeda motor non-standard

dalam standarisasi lolos mutu helm sepeda motor.

4. Memberikan informasi kepada masyarakat tentang cedera yang mungkin terjadi pada kepala apa bila menggunakan helm non-standard.

(26)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Landasan Teori 2.1.1. Standarisasi

Secara umum helm yang digunakan oleh pengendara sepeda motor sebagai alat pelindung diri pada negara-negara maju sudah mempunyai standard tertentu sesuai dengan kebijakan dan peraturan yang ditetapkan oleh pemerintahnya. Beberapa standard yang dikenal luas dan banyak menjadi referensi, adalah: ANSI Z 89.1-1997 (USA), JIS T 8131-1977 (Jepang), SNI 09-1811-1998 (Indonesia).

2.1.2. Komponen helm

Helm yang akan di simulasi pada penelitian ini adalah helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1), helm separuh kepala ditambah busa (tipe a2), helm penuh tanpa

busa (tipe b1), dan helm penuh ditambah busa (tipe b2), konstruksi helm terdiri atas

beberapa bagian. secara umum bagian tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Gambar 2.1 Komponen helm sepeda motor (a) Helm separuh kepala, (b) Helm penuh

(27)

Keterangan Gambar:

1. Tempurung adalah lapisan keras yang berfungsi melindungi kepala terhadap benturan atau goresan dengan benda keras atau benda tajam, bersifat keras,

homogen dan memiliki ketebalan yang sama untuk keseluruhan bagian dan

tidak hanya dikhususkan pada tempat-tempat 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 jaringan helm dapat diatur.

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.

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 jaringan helm

6. Bantalan kepala, bersifat lunak, berbentuk jaringan berhubungan langsung dengan kepala serta memberikan kenyamanan pada pemakai helm.

7. Tali dagu, agar jaringan 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.

(28)

8. Kaca, untuk melindungi mata dari debu, sinar matahari dan menghalang angin yang akan masuk ke helm pada saat berkendara

9. Kain Pelapis, menjaga agar posisi kepala pada saat memakai helm tetap nyaman.

2.2. Prinsip-prinsip Cedera Kepala

Cedera kepala adakalanya terkait secara epidemiologi dengan kejadian penyebabnya (misalnya, kecelakaan kendaraan bermotor). Walaupun sebagian mekanisme cedera, tapi dapat dipandang sebagai keadaan penyebab yang terkait dengan cedera. Prevalensi kejadian penyebab dapat dilihat pada Gambar 2.2. Statistik ini, walaupun bersifat umum, terbatas kegunaannya dalam memastikan resiko atau memahami faktor-faktor spesifikasi yang menyebabkan cedera kepala.

Gambar 2.2 Statistik penyebab cedera kepala [6]

50% 21% 12% 10% 7% Motor vehicle Falls

Assaults and violence Sports and Recretion Miscellaneous

(29)

Cedera kepala terjadi sebagai reaksi terhadap aplikasi gaya mendadak pada kepala dan struktur-struktur terkaitnya. Banyak faktor yang saling terkait yang bergabung dalam menentukan mekanisme cedera yang pasti. Beberapa faktor ini melibatkan jenis gaya dan besar, lokasi, arah, durasi dan kecepatannya [6].

Gaya-gaya yang menyebabkan cedera kepala dirincikan sebagai langsung atau tidak langsung. Pembedaan langsung (kontak) terjadi akibat tubrukan, misalnya oleh pukulan petinju. Pembebanan tidak langsung (inersia) terjadi bila gaya-gaya dihantarkan kepada kepala melalui struktur didekatnya. Apakah langsung atau tidak langsung, gaya yang terjadi yang diam akan cenderung mengakselerasi kepala. Gaya yang menerpa kepala yang diam akan cendrung mengakselerasi massanya. Sementara gaya yang arah datangnya berlawanan dengan gerakan kepala akan mendeselerasi masa kepala (Gambar 2.3). Pukulan kuat pada kepala merupakan contoh mekanisme akselerasi. Mekanisme deselerasi terlibat bila gerakan kepala dihentikan secara tiba-tiba oleh permukaan yang tidak mau mundur. Mekanisme akselerasi dan deselerasi ini kerapkali dituding dalam cedera kepala yang disebabkan trauma kepala, dan sudut impak dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.3 (a) Gaya yang menerpa kepala (contoh mekanisme akselerasi) (b) Gaya yang menerpa kepala (contoh mekanisme deselerasi)

(30)

Gambar 2.4 Klasifikasi sudut impak pada kepala manusia

Pemahaman tentang anatomi kepala juga sangat penting terhadap pemberian beban dan respon yang diterimanya. Tulang tengkorak mempunyai sifat viskoelastis, tulang ini mempunyai ketebalan dan kekuatan seiring dengan bertambahnya umur manusia. Ketebalan tulang tengkorak berkisar antara 3 mm sampai dengan 6 mm, dengan kekuatan modulus elastisitas 3,3 GPa sampai 9,9 GPa.

(31)

2.3. Metode Pengukuran Helm

2.3.1. Pengukuran Kekuatan Helm

1. Uji jatuh bebas

Selama ini helm di uji menggunakan prosedur pengujian standard

menggunakan test rig dengan teknik jatuh bebas. Pengujian standard ini bertujuan untuk melihat seberapa besar kemampuan helm dalam menyerap energi impak. Selain itu uji standard juga bertujuan meneliti keparahan rusak helm yang memungkinkan merusak lapisan kulit kepala melalai penetrasi. Memakai uji standard yang ada, baik memakai standard Jepang JIS maupun

Standard Nasional Indonesia (SNI), striker hanya dijatuhkan dari ketinggian

(H) = (2 – 3) m. Dengan demikian kecepatan striker hanya lebih kurang

gH

v= 2 =6.3 m/detik. Kecepatan striker sebesar ini masih tergolong kecepatan impak rendah. Padahal kenyataan di lapangan besar kemungkinan kecepatan berkendaraan yang lebih tinggi sangat memungkinkan terjadinya benturan yang tinggi pula. Dengan demikian menggunakan prosedur standard

yang sudah umum dipakai akan tidak mampu memberi keamanan kepada pengendara. Untuk itu helm yang digunakan pengendara sepeda motor seperti itu seyogianya uji yang disyaratkan dengan alat uji yang mampu memberikan impak kecepatan tinggi.

(32)

2. Uji impak kecepatan tinggi

Uji impak kecepatan tinggi dapat memberikan gambaran terhadap kenyataan di lapangan dimana benturan pada saat terjadinya insiden dengan kecepatan yang tinggi, yang mampu meluncurkan helm dengan kecepatan yang bervariasi dan dapat mencapai ±50 m/detik.

2.3.2. Teknik propagasi tegangan

Aplikasi teknik propagasi tegangan untuk mengukur kekuatan material pertama sekali dikembangkan oleh Kolsky [7], yang menemukan suatu cara pengukuran kekuatan tekan material menggunakan prinsip propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Hasilnya sangat mengagumkan karena dengan teknik itu persamaan konstitutif kompresi dapat diperoleh sampai pada laju pembebanan melebihi 104 s-1. Pemakaian metoda Kolsky untuk mendapatkan sifat mekanik berbagai bahan telah dilaporkan oleh beberapa peneliti lain.

2.3.3. Rambatan gelombang pada batang

Gelombang tegangan adalah gelombang mekanis, yaitu gelombang yang memerlukan suatu medium untuk dapat mentransmisikannya. Kecepatan rambat sebuah gelombang sangat ditentukan oleh sifat-sifat medium yang dilaluinya. Gelombang dibagi atas 2 bagian, yaitu: (1) gelombang transversal, dan (2) gelombang longitudinal. Gelombang longitudinal digunakan sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan tarik impak. Untuk membahas perilaku gelombang longitudinal pada

(33)

sebuah batang logam, dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gaya impak diberikan pada ujung kiri batang, yang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C1, pada waktu t.

Keseimbangan momentum pada Gambar 2.5 berupa:

t A V t C A t F V m t F V m o o o o l o o o σ ρ = = = ∆ ) ( σ =_o ρ_o C_lV_o ...(2.1) dimana:

Cl = Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang

Vo = Kecepatan partikel

σo = Tegangan pada batang.

Modulus elastisitas suatu bahan dapat dinyatakan dengan persamaan:

ρ 2 l C E = ρ E C_l = ...(2.2) Vo,t Cl,t C

(34)

Subtitusi Persamaan (2.2) ke Persamaan (2.1) akan diperoleh:

V

E_o _o

o ρ

σ = ...(2.3)

2.3.4. Impak pada batang

Susunan batang yang digunakan pada metode pengujian impak ini diperlihatkan secara skematis pada Gambar 2.6, yang terdiri dari tiga batang: batang impak, batang penerus, dan spesimen.

Gambar 2.6 Susunan batang uji

Spesimen dapat berbentuk batang atau tabung dengan geometri sederhana dan diletakkan bersentuhan secara kolinir dengan batang penerus. Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan batang penerus dan

spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu: V2 = V3 = 0. Setelah impak, lihat

Gambar 2.7. (dimana C0,1, C0,2, dan C0,3 adalah kecepatan gelombang dalam

masing-masing batang), gelombang longitudinal tekan akan merambat dari bidang antar muka impak (impact interface) batang impak dan batang penerus ke dalam masing-masing batang. Akibatnya, bidang antar muka impak dan spesimen pada akhirnya mempunyai kecepatan yang sama sebesar V’. Pada bidang antar muka akan terjadi

Batang penerus Spesimen Batang impak 1 2 3 V1

(35)

keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, yang dapat dinyatakan dengan hubungan:

σ1 A1 = σ2 A2 ... (2.4) dimana: A1 A2 σ1 σ2

= Luas penampang batang 1 = Luas penampang batang 2 = Tegangan pada batang 1 = Tegangan pada batang 2

Gambar 2.7 Perilaku batang setelah terjadi impak

Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan σ = Eρ V di mana: σ = tegangan impak, ρ = massa jenis bahan, E = youngs modulus, dan V = kecepatan partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1

akan timbul tegangan sebesar: ) ( ₁ ' 1 1 1 = ρ E V −V σ ' 1 1 1 1 1 1 ρ E V ρ EV σ = − ... (2.5) 3 V’ V’ V1 2 1 C02 C01 σ1 σ2

(36)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. dimana: V1 V’ ρ1

= Kecepatan sebelum tumbukan = Kecepatan setelah tumbukan = Kerapatan material batang 1.

Selanjutnya kita tinjau batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’. Melalui Gambar 2.6 dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:

' 2 2 2 ρ E V σ = 2 2 2 ' E V ρ σ = ... (2.6)

Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka σ = σ1 = σ2. Selanjutnya tinjau rambatan gelombang

tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar 2.7.

Tegangan yang masuk dari ujung kiri input bar sebesar σ akan timbul pada

interface input bar dan spesimen pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2 adalah panjang input

bar dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini, ada

tiga bentuk gelombang tegangan yang terlibat, yaitu: (1) Tegangan yang terjadi (σ), Tegangan yang ditransmisikan (σT), Tegangan yang direfleksikan (σR).

Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut [14]:

σ σ 3 2 2 2 3 3 2 3 2 2 o o T C E A C E A Co E A + = ...(2.7)

(37)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. σ σ 3 2 2 2 3 3 3 2 2 2 3 3 o o o o R C E A C E A C E A C E A + − = ...(2.8)

Gambar 2.8 Perilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen

Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, didapat hubungan:

ασ

σT = ... (2.9)

βσ

σR = ... (2.10)

Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama maka dengan mensubstitusikan harga E2 = E3, Co2 = Co3, A2 = A3, dan L2 = L3 ke dalam persamaan

(2.9) dan (2.10), diperoleh σT = 0 dan σR = 0. Ini berarti besar tegangan yang

ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.

2.3.5. Toleransi untuk Impak kepala [23]

Kepala merupakan bagian yang sangat penting maka untuk mengambil data yang ingin dimasukkan kedalam simulasi komputer sebagai beban F(t) maka dapat dilihat pada toleransi dibawah ini:

V’ σ11 σR VR σT VT A2 ρ2 Co,2 A3ρ3 Co,3

(38)

Garis akhir kerusakan kepala (Gambar 2.9): Av =

g

a_{... (2.11)}

Percepatan maksimum = 300 . g (g = percepatan grafitasi bumi) [1]:

a = v2/2Δ ... (2.12)

Jangka waktu yang dibutuhkan adalah:

t = 2Δ/v ... (2.13)

Waktu batas yang di toleransikan adalah 2,5 ms ≤ T ≤ 50 ms (Gambar 2.9)

Gambar 2.9 Kurva toleransi untuk impak kepala

Ukuran kerusakan kepala (HIC):

HIC = −

{

∫

2 −

}

1 T T v 2 1 1 2 T ) A dt/(T T) (T ...(2.14)

(39)

Untuk percepatan tubuh yang utuh:

{

(2 )

}

1000

/ 1.5

4

2 g g∆ =

V ... (2.15)

Gambar 2.10 Variasi ukuran kerusakan kepala (HIC) dengan percepatan impak (v2) dan percepatan dimensi (a/g)

2.4. MSC/NASTRAN 4.5

Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan denghan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation. Perengkat lunak ini adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan MSC/NASTRAN, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) ataupun dengan membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN.

(40)

Tidak ada masalah dimana kita membuat geometri, kita dapat memakai untuk membuat model elemen hingga yang lengkap. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai automatik. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN’s libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan kerancangan.

Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi. digunakan karena praktir, lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen hingga mendekati masalah yang sebenarnya.

Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemehan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Dan kelemehan yang lain adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya.

Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between, Generate

Region, On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan sifat material

dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN libraries. MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap langkah proses modelling dan masih banyak lagi keunggulan dan kemudahan yang disediakannya.

(41)

2.5. Metode Elemen Hingga

Metode Elemem Hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan teknik dalam 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), meliputi analisa truss dan frame serta masalah-masalah yang berhubungan dengan tegangan-tegangan yang terkonsentrasi.

b. Buckling

c. Analisa getaran

Problem non-struktur yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode ini meliputi:

a. Perpindahan panas dan massa

b. Mekanika fluida, termasuk aliran fluida lewat media poros

c. Distribusi dari potensial listrik dan potensial magnet

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan 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.

(42)

Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang kompleks, pembebanan yang rumit, tidak mudah diperoleh. Formulasi elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.

Motode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan dari seuatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagian yang utuh.

Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan 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, tidaklah mudah diperoleh.

Formulasi dari elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.

Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan suatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi kedalam bagian-bagian yang kecil (diskritisasi).

Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam metode elemen hingga dirumuskan sebagai berikut :

(43)

1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi

Tipe elemen yang digunakan dalam metode elemen hingga ini yaitu : elemen segitiga dan segi empat untuk dua dimensi, sedangkan untuk kasus-kasus tiga dimensi digunakan elemen tetrahedral, heksagonal, dan balok. Selanjutnya bagilah benda tersebut dalam elemen-elemen, langkah ini disebut langkah diskritisasi.

2. Pemilihan fungsi pemindah/fungsi interpolasi

Jenis-jenis fungsi yang sering digunakan adalah fungsi linier, fungsi kuadratik,

kubik, atau polinomial derajat tinggi.

3. Mencari hubungan strain-displacement dan stress-strain. Sebagai contoh untuk kasus satu dimensi berlaku hubungan : ε_x=

dx du

...(2.16) σ_x = E ε_x...(2.17) Untuk menurunkan persamaan 2.16 tinjaulah sebuah elemen kecil dx dy dz dari sebuah benda seperti pada gambar 2.11

dz P dx dy Gambar 2.11 Elemen dx dy dz y, v z, ,w x, u

(44)

Apabila benda mengalami perubahan bentuk dan u,v,w merupakan komponen perpindahan titik P maka satuan perpanjangan (unit elongation) pada titik P dalam arah sumbu x adalah

dx du

.

4. Mendapatkan matriks kekakuan dari elemen

Untuk benda yang terdiri dari beberapa buah elemen maka dilakukan penggabungan dari matriks kekakuan elemen menjadi matriks kekakuan global yang berlaku untuk seluruh benda atau struktur

5. Gunakan persamaan kesetimbangan

{ }

F =

[ ]

k

{ }

d ...(2.18) kemudian masukkan syarat batas yang diketahui.

6. Selesaikan persamaan pada langkah lima dengan menghitung harga yang belum diketahui.

7. Hitung stress dan strain dari tiap elemen.

2.5.1 Elemen tetrahedral

Bentuk elemen tetrahedral ditunjukan pada gambar berikut ini .

Gambar 2.12 Bentuk elemen solid tetrahedral

z,w 1 2 3 4 y,v x,u

(45)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. Perpindahan {d} adalah :                           = 4 4 4 1 1 1 . . } { w v u w v u d ...(2.19)

fungsi perpindahan (u) adalah :

(

)

(

)

(

)

(

)

_          + + + + + + + + + + + + + + + = 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 6 1 u z y x u z y x u z y x u z y x v u δ γ β α δ γ β α δ γ β α δ γ β α ...(2.20) dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut :

4 4 3 4 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 6 z y x z y x z y x z y x v= ...(2.21)

v menyatakan volume dari elemen tetrahedral. Koefisienαi, βi,δi, ( i = 1,2,3,4 ) dalam persamaan sebelumnya diberikan sebagai berikut :

5 4 4 3 3 3 2 2 2 1 z y x z y x z y x = α 4 4 3 3 2 2 1 1 1 1 z y z y z y = β ...(2.22)

(46)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. 4 4 3 3 2 2 1 1 1 1 z y z y z y = γ 4 4 3 3 1 1 1 1 1 1 y x y x y x = δ ……….(2.23) 4 4 4 3 3 3 1 1 1 2 z y x z y x z y x − = α 4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 z y z y z y = β ……….(2.24) 4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 z x z x z x = γ 4 4 3 3 1 1 2 1 1 1 y x y x y x = δ ………...(2.25) 4 4 4 3 3 3 1 1 1 3 z y x z y x z y x = α 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 z y z y z y = β ………...(2.26) 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 z x z x z x = γ 4 4 2 2 1 1 3 1 1 1 y x y x y x − = δ ……….(2.27) 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 z y x z y x z y x − = α 3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 y x y x y x − = β ……….(2.28)

(47)

Izwar Lubis : Simulasi Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Non-Standard Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, 2009. 3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 z x z x z x = γ 3 3 2 2 1 1 4 1 1 1 y x y x y x = δ ………....(2.29)

Fungsi perpindahan dalam kaitannya dengan fungsi bentuk N ditulis sebagai berikut:

                                                =           4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 w v u w v u w v u w v u N N N N N N N N N N N N w v u ...(2.30) dimana v z y x N 6 1 1 1 1 1 δ γ β α + + + = v z y x N 6 2 2 2 2 2 δ γ β α + + + = ………....(2.31) v z y x N 6 3 3 3 3 3 δ γ β α + + + = v z y x N 6 4 4 4 4 4 δ γ β α + + + =

(48)

strain dari elemen untuk kasus stress tiga dimensi diberikan dalam persamaan berikut

ini:

{ }

ε =

[ ]{ }

B d ...(2.32)

[ ]

                    = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 β δ γ δ β λ δ γ β B ……….(2.33)

hubungan stress-strain diberikan melalui persamaan:

{ }

σ =

[ ]

D

{ }

ε ...(2.34) dimana

[ ]

D adalah :

[ ]

(

)(

)

                          − − − − − − − + = 2 2 1 0 2 2 1 0 0 2 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 1 1 v v v v v v v v v v v E D ...(2.35)

(49)

2.6. Kerangka Konsep Penelitian

Hasil yang diperoleh dalam suatu penelitian sering dipengaruhi oleh variable-variabel penelititan itu sendiri. Untuk mengontrol pegaruh variable-variabel satu dengan yang lainnya maka perlu dibuat kerangka konsep penelitian seperti pada pada Gambar 2.13:

Gambar 2.13 Kerangka konsep penelitian

Permasalahan : Distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm

Simulasi KOMPUTER

Hasil yang diperolah

- Tegangan pada seluruh permukaan helm

- Lokasi tegangan yang menyebabkan inisiasi

retak pada helm Variable bebas:

• Model helm

(50)

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Simulasi menggunakan Software MSC/NASTRAN 4.5 dilaksanakan sejak tanggal pengesahan usulan oleh pengelola program sampai dinyatakan selesai. Tempat pelaksanaan di IC-STAR USU menggunakan Software MSC/NASTRAN 4.5 dan pemodelan dilakukan dengan menggunakan AutoCAD yang mendekati bentuk sebenarnya.

3.2. Bahan, Peralatan dan Metode

3.2.1. Bahan (helm toko)

Pada penelitian ini helm yang akan diuji yaitu helm separuh kepala tanpa busa (tipe a1), helm separuh kepala ditambah busa (tipe a2), helm penuh tanpa busa (tipe

b1), dan helm penuh ditambah busa (tipe b2), helm ini adalah helm non-standard, helm sepeda motor ini dipilih atas dasar masih banyak digunakan pengendara sepeda motor.

Peneliti mengasumsikan bahwa helm jenis ini belum memenuhi kategori

standard, alasannya karena tidak terdapat lebel maupun stiker uji standard yang

(51)

Gambar 3.1 Helm non-standard

3.2.2. Peralatan

Pada Penelitian ini simulasi menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN 4.5, AutoCAD untuk pemodelan dalam bentuk solid, sedangkan untuk pemodelan elemen hingga dikerjakan menggunakan software MSC/NASTRAN 4.5 dengan mengimport dari model AutoCAD.

3.2.3. Metode

3.2.3.1.Pembuatan gambar helm dengan menggunakan AutoCAD

Untuk mendapatkan gambar yang sesuai dengan aslinya, pertama helm diukur secara manual, setelah diukur mulai menggambar dengan menggunakan AutoCAD. Gambar dapat dilihat pada Gambar 3.2:

(52)

Gambar 3.2 Ukuran helm separuh kepala

Gambar 3.3 Ukuran helm penuh

3.2.3.2. Material yang dipilih untuk helm sepeda motor non-standard

Karena penelitian ini simulasi maka material tempurung diasumsikan

Polypropilene-Etilene Copolimer karena sudah ada yang melakukan pengujian pada

helm industri non-standard [4] dan material peredam benturan (busa) adalah

(53)

Tabel 3.1 Sifat mekanik impak material helm [4]

Jenis Pengujian Rata-rata Std.Dev.

Tensile Yield Strength (MPa) 33,4481 1,94

Elastik Modulus (MPa) 1651,899 176,012

Elongation at Break (%) 20,248 1,637

Diketahui sifat mekanik impak material helm:

a. Massa jenis helm (ρ) = 0,852243 x 10-6 kg/mm3 b. Cepat rambat gelombang (C0) = 1,392227 mm/s

Diketahui sifat mekanik material busa (Lampiran 3):

a. Mass density = 2 x 10-8 kg/mm3

b. Young’s modulus = 0,2 MPa

c. Poisson’s ratio = 0,1

3.2.3.3. Penelitian secara simulasi komputer

Simulasi dengan menggunakan komputer dilaksanakan di IC-STAR USU.

Software yang digunakan adalah MSC/NASTRAN 4.5 for Windows yang berbasis

Metode Elemen Hingga (MEH). MSC/NASTRAN 4.5 mampu menyelesaikan persoalan-persoalan struktur dan material untuk menganalisa tegangan (stress),

getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer).

Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan

(54)

utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Dan kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungannya yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya. Simulasi komputer dilakukan untuk mengklarifikasikan prilaku mekanik yang terjadi akibat pengujian secara

experimental. Untuk membantu dalam simulasi ini, khususnya dalam membuat model

akan digunakan software AutoCAD. Langkah-langkah yang dilakukan pada simulasi dengan menggunakan MSC/NSTRAN 4.5 adalah:

1. Helm di Import dari AutoCAD dalam bentuk SAT, setelah itu baru bisa dibuka di MSC/NASTRAN 4.5

Gambar 3.4 Kotak dialog untuk di import ke NASTRAN 2. Pemberian Mesh, besar ukuran mesh dapat ditentukan

(55)

3. Material helm dipilih Polypropilene-Etilene Copolimer, karena tidak ada didalam kotak dialog maka sifat-sifat mekanik yang dimasukkan adalah

modulus elastisitas, masa jenis dan poisson ratio.

Gambar 3.6 Kotak dialog material dan sifat mekaniknya

4. Constraint dilakukan karena pada simulasi helm dipotong setengah maka

bagian helm yang dipotong yang diberikan constraint.

(56)

5. Untuk melihat kurva tegangan vs waktu maka dapat dilakukan dengan memasukkan data pada kotak dialog Function Definition

Gambar 3.8 Kotak dialog model fungsi 6. Pembebanan dipilih dalam bentuk Tegangan

(57)

7. Dynamic Analysis dalam simulasi ini diperlukan pembebanan dalam bentuk

dinamis dengan waktu penjalaran di helm.

Gambar 3.10 Kotak dialog analisa dinamik

8. Langkah terakhir adalah melakukan Analisa dengan memilih Analysis type

dalam bentuk transient dynamic dan output Type dalam bentuk displacement and stress

(58)

3.3. Variabel yang Diamati

Adapun variable yang akan diamati dalam simulasi dengan software

MSC/NASTRAN 4.5 secara keseluruhan variabel yang diamati pada penelitian ini adalah:

1. Dimensi dan geometri helm 2. Waktu terjadinya beban impak

3. Tegangan insiden yang masuk ke dalam helm

4. Distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm

5. Kekuatan helm terhadap beban impak

3.4. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian

Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis. Pelaksanaan penelitian dimulai dari penelusuran literatur dan penyusunan proposal penelitian, pemeriksaan ketersediaan peralatan, pengujian statik berupa pengujian tarik untuk mendapatkan sifat mekanik helm non-standard serta simulasi komputer. Semua hasil akan diolah dan diperoleh kesimpulan yang berupa jawaban dari tujuan penelitian. Untuk lebih jelas dapat dilihat diagram alir pelaksanaan penelitian

(59)

Gambar 3.12 Diagram alir pelaksanaan penelitian

Mulai

Simulasi Komputer

Penelusuran literature dan penyusunan proposal

Pemeriksaan ketersediaan peralatan dan bahan

Menggambar helm non-standard dengan AutoCAD

Pengadaan helm non-standard

• Model half face

• Model full face

Distribusi tegangan

Selesai