BAB II LANDASAN TEORI

7 BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Prinsip Kerja dan Fungsi

Crash test membutuhkan penyerapan energi secara bertahap untuk mengurangi peak load dan akselerasi yang diberikan kepada pengemudi. Ini menyatakan bahwa kekakuan yang lebih rendah diinginkan agar energi diserap selama benturan [17]. Impact attenuator, perangkat penyerap energi yang dapat dideformasi yang terletak di depan Front Bulkhead [1] dipasang di bagian depan mobil untuk mencapai tujuan ini. Ini adalah bagian penting dari kendaraan Formula SAE dan merupakan struktur yang sangat vital dari mobil karena merupakan

"penghalang keselamatan antara pengemudi dan permukaan yang terkena dampak"

[6].

Performa kecelakaan telah menjadi salah satu bidang utama studi keselamatan pasif otomotif [18]. Berdasarkan pengalaman masa lalu, diyakini bahwa kemungkinan kendaraan menabrak benda padat, seperti trotoar atau dok pemuatan sangat tinggi [19]. Persyaratan fungsional FSAE dari impact attenuator adalah: ketika perangkat dipasang di bagian depan kendaraan dengan massa total 300 kg, perlambatan rata-rata dan perlambatan puncak masing-masing tidak boleh lebih dari 20g dan 40g ketika kendaraan melaju dengan kecepatan konstan 7 m/s.

Total energi yang diserap harus setidaknya 7350 Joule [1]. Gambar 2.1 berikut adalah salah satu contoh desain impact attenuator.

Gambar 2.1 Impact Attenuator [20] commit to user

8

Biasanya, ketika kecelakaan terjadi, cedera fisik terjadi ketika deformasi sistem biologis berada di luar batas penahan yang dapat menyebabkan kerusakan pada fitur anatomi tubuh pengendara [21]. Sebuah studi parametrik tentang risiko cedera dalam tabrakan mobil balap yang dirancang untuk penyelesaian Europe Formula Student disajikan oleh Davies et al [21]. Motivasi untuk melakukan penelitian ini adalah karena fakta bahwa dalam kompetisi ini hanya sebatas menilai keselamatan pengemudi yang diperlukan saja [21]. Sebagaimana dibahas dalam makalah ini, FSAE rules sengaja disatukan untuk memberikan fleksibilitas dalam merancang impact attenuator.

Ada juga batasan geometri dalam desain impact attenuator. Panjang minimum adalah 200 mm dan harus memiliki tinggi setidaknya 100 mm dan lebar 200 mm untuk jarak maksimum 200 mm ke depan sekat depan [1]. Jika terjadi benturan, maka perangkat tersebut harus tidak menembus sekat depan dan tidak boleh menjadi bagian dari struktur bodywork, melainkan dipasang dengan aman dan langsung ke sekat depan [1]. Ketika dampak off-center dan off-axis terjadi, sangat penting bahwa ada jalur beban yang cukup untuk beban transversal dan vertikal[21],[22]. Lebih lanjut dinyatakan dalam peraturan bahwa pada semua mobil balap, pelat anti-intrusi harus dimasukkan. Ini dapat dibuat dari baja padat 1,5 mm atau aluminium padat 4,0 mm. Selain itu, semua benda yang tidak boleh dihancurkan seperti main hoop, baterai, reservoir hidraulik harus diletakkan di belakang sekat karena tidak boleh berada di zona impact attenuator [1].

2.2 Riset Material Terdahulu

Dynamic Test dilakukan untuk menentukan kapasitas daya serap energi dari impact attenuator selama tabrakan berlangsung [8]. Metode yang paling umum digunakan untuk pengujian impact attenuator adalah drop test [20]. Drop test dilakukan dengan menjatuhkan benda yang massa dan ketinggiannya diketahui pada impact attenuator dengan mengukur deformasi spesimen [23]. Untuk menguji impact attenuator, metode yang dilakukan adalah dengan menjatuhkan beban dari ketinggian yang telah dihitung dan ditentukan [7]. Jadi dalam konteks itu Abrahamson et al [20] menguji dua spesimen impact attenuator yang dirancang sesuai dengan aturan FSAE 2010, dengan metode uji menjatuhkan objek bermassa commit to user

9

berat. Dimensi spesimen pertama adalah (10 x 8 x 5 inci) sedangkan dimensi spesimen kedua adalah (10 x 10 x 4 inci). Kedua spesimen terbuat dari aluminium honeycomb PlGAPCGA-XR1-5.2-1 / 4-P-3003. Selanjutnya Tes dilakukan dengan menggunakan benturan massa 661 lb. Massa benturan dijatuhkan dari ketinggian 8.3 kaki dengan kecepatan benturan di atas 23ft / detik. Peak deceleration dan mean deceleration dari spesimen pertama adalah 46,88 G dan 17,86 G, sedangkan spesimen kedua yang sama adalah 36,2 G dan 14 G.

Biaya pengembangan dan pengujian desain baru dalam hal keselamatan dapat dikurangi dengan menggunakan komputasi simulasi kecelakaan [3], [24]. Kondisi keselamatan kendaraan dapat ditentukan dengan mensimulasikannya dalam kondisi aktual [25], [26]. FEA (Finite Element Analysis) adalah alat yang berguna untuk menentukan kondisi penghancuran impact attenuator [5]. Beberapa peneliti telah melakukan berbagai uji simulasi untuk menyelidiki kondisi impact attenuator terhadap pengaruh yang dihasilkan.

Peneliti, Williams et al. [10] menyelidiki kondisi tumbukan dari bagian depan mobil sport Caterham 7. Simulasi terperinci dilakukan dengan menggunakan model kendaraan elemen hingga untuk mereplikasi uji hambatan kaku dalam kode analisis elemen hingga ANSYS LS-DYNA3D. Ini memberikan pemahaman tentang peristiwa dampak keseluruhan serta kontribusi masing-masing komponen. Sebagai hasilnya, korelasi yang sangat baik dicapai antara hasil tes dan simulasi.

Gambar 2.2 Model Shell Aktual dan Prediksi Caterham 7 [10]

Lebih lanjut, Hamidreza et al. [2], mendesain crash absorber yang optimal.

Hal ini melibatkan uji eksperimental tabrakan aksial dan sudut miring dari tabung.

Korelasi dilakukan dengan LS-DYNA memberikan hasil yang memuaskan. Teknik commit to user

10

multi-desain optimisasi (MDO) telah diterapkan untuk memaksimalkan penyerapan energi dan penyerapan energi spesifik tabung persegi, persegi panjang dan lingkaran.

Di sisi lain, David et al. [26], menganalisis dampak frontal dari kendaraan Formula SAE. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengevaluasi risiko cedera pada pengemudi selama skenario tabrakan frontal. Lebih dari itu, analisis ini menekankan pentingnya memiliki desain headrest yang baik untuk menyerap energi terhadap dampak pada kepala pengemudi. Juga disarankan bahwa untuk meminimalkan cedera pengemudi, tabung harus dipasang dengan aman pada jarak yang masuk akal dari kaki pengemudi.

Setelah itu Heimbs et al. [11], menyelidiki kondisi tabrakan kerucut nose struktur impact mobil balap F1. Mereka mengembangkan model elemen hingga untuk simulasi dinamis dengan LS-DYNA dengan penekanan pada pemodelan material komposit. Dalam hal mekanisme penghancuran, energi yang diserap serta tingkat perlambatan, hasil numerik dibandingkan dengan data uji tabrakan.

Belakangan, Jovan et al. [3], dalam karya mereka mendemonstrasikan perbandingan impact attenuator, sebagai struktur independen dan perakitan lengkap dengan bodi mobil. Model geometrik lengkap struktur kendaraan dibangun dalam perangkat lunak pemodelan 3-D CATIA sesuai dengan persyaratan desain aturan SAE 2008. Simulasi peristiwa kecelakaan dilakukan dalam Radioss Code.

Studi ini mengungkapkan bahwa kedua struktur menunjukkan perilaku penghancuran yang sama dan memiliki tingkat penyerapan energi yang sama di paruh pertama simulasi sementara pada akhir simulasi impact attenuator terkait dengan struktur rangka lebih banyak berubah bentuk dibandingkan dengan struktur independen. Setahun kemudian, dalam karya selanjutnya Belingardi et al. [24]

menunjukkan bahwa komposit serat karbon berkinerja sangat baik dalam kecelakaan. Penelitian ini melibatkan merancang impact attenuator untuk mobil Formula SAE. Perilaku tabrakan bahan komposit rapuh dipelajari menggunakan model analitik sederhana dan model elemen hingga. LS-DYNA digunakan untuk memprediksi pola tabrakan serta kekakuan dari impact attenuator.

commit to user

11

Gambar 2.3 Posisi Dua Struktur Selama Pembebanan Kejut [3]

Dalam karya terbaru Mayank et al. [5], diusulkan penggunaan impact attenuator berbentuk kuboid pada kendaraan penumpang. Pemodelan geometrik dari impact attenuator dilakukan dalam perangkat lunak pemodelan 3-D SolidWorks dan simulasi dilakukan dalam perangkat lunak elemen hingga ANSYS.

Dalam analisis dua bahan yaitu, lembaran Besi Galvanis (lembaran GI) dan Aluminium 2024 lembar dengan ketebalan 1 mm dipertimbangkan. Hasil yang diperoleh dari analisis menunjukkan besarnya maksimum percepatan puncak, deselerasi puncak dan kecepatan dampak di bawah batas yang dapat diterima dan kurang dari 20 G.

2.3 Crashworthiness

Pengertian crashworthiness secara umum adalah ketahanan struktur terhadap tabrakan. Pentingnya crashworthiness didalam dunia transportasi telah diaplikasikan di berbagai negara maju. Pada bidang otomotif, hampir semua produsen mobil telah melakukan uji crashworthiness terhadap kendaraan jenis terbaru sebelum menjualnya ke konsumen, contohnya subaru yang baru-baru ini melakukan uji crashworthiness untuk model mobil terbarunya.[27]

Ada dua kriteria yang harus dipenuhi oleh mobil untuk memenuhi crashworthiness : (i) Kompartemen penumpang tidak berubah bentuk dan tidak ada intrusi benda luar yang bisa membahayakan penumpang. (ii) Tersedianya jarak deformasi di depan kompartemen penumpang sehingga deselarasi berlebihan pada penumpang dapat dicegah.

commit to user

12

Pada mobil untuk melindungi bagian kompartemen penumpang karena tabrakan dibagian depan dipasang sistem bumper. Sistem bumper ini akan menyerap energi tumbukan akibat tabrakan dengan cara berdeformasi. Dengan berdeformasi, sistem bumper dapat mengurangi kerusakan pada kompartemen penumpang yang mengakibatkan penumpang terluka serta memberikan perlambatan yang berada pada tingkat aman terhadap tubuh penumpang.

Sistem bumper terdiri dari frontal bar dan longitudinal. Ketika tabrakan didepan terjadi frontal bar menyalurkan energi tumbukan. Energi tersebut kemudian diserap oleh longitudinal, dengan cara deformasi plastis berupa lipatan- lipatan berulang pada longitudinal.

Gambar 2.4 Uji Crashworthiness pada Mobil [28]

2.4 Tumbukan

Dalam evolusi teori impact, empat aspek utama muncul sebagai subjek yang berbeda (tetapi tidak berhubungan). Bergantung pada karakteristik impact (kecepatan, bahan), asumsi yang dibuat dan hasil yang dicari, satu aspek akan menjadi lebih dominan daripada yang lain sehingga mengarah pada pendekatan solusi untuk analisis dampak. Keempat aspek tersebut [29] ada empat aspek dalam masalah tumbukan yaitu : (i) Mekanika klasik, (ii) Propagasi gelombang elastik, (iii) Mekanika Kontak, (iv) Deformasi Plastis

2.4.1 Mekanika Klasik

Mekanika klasik ini dalam teorinya menggunakan penerapan hukum mekanika yang digunakan untuk memprediksi kecepatan setelah terjadi tumbukan.

Inti dari pendekatan ini dibentuk dengan Hukum impuls-momentum. Sebagian commit to user

13

besar engineer kini dapat mengakses sifat aljabar metode ini yang membuat pengembangan matematika. Hilangnya energi yang melekat pada proses tumbukan nyata diperhitungkan dengan menggunakan koefisien restitusi. Keakuratan koefisien ini sangat penting untuk mendapatkan hasil yang baik. Sayangnya, pendekatan ini tidak dapat memprediksi kekuatan kontak antara bodi atau tekanan didalamnya.

2.4.2 Propagasi Gelombang Elastik

Merupakan tumbukan yang disertai dengan gelombang tegangan yang merambat di benda yang mengalami tumbukan dimana menjauhi daerah tempat terjadinya tumbukan. Jika energi yang diubah menjadi getaran menjadi fraksi penting dari total energi, maka pendekatan mekanika klasik menjadi tidak cukup untuk memeriksa masalah tumbukan ini. Pendekatan ini digunakan pada tumbukan pada batang arah longitudinal, tumbukan suatu benda penumbuk pada batang dan untuk mengetahui efek viskoelastis pada perilaku tumbukan.

2.4.3 Mekanika Kontak

Tegangan (Stress) kontak yang dihasilkan dari tumbukan dua benda telah menjadi bidang lain yang menarik dalam studi tentang tumbukan. Mekanika kontak konvensional terutama berkaitan dengan kontak statis meskipun sudah diperluas mendekati solusi ketika melibatkan tumbukan. Untuk permukaan bola , digunakan teori Hertz untuk mendapatkan hubungan antara gaya dengan deformasi yang diperlukan untuk menghitung waktu yang diperlukan dan perpindahan maksimum pada saat terjadi tumbukan. Pendekatan ini telah diperluas untuk kasus- kasus yang melibatkan deformasi plastis, umumnya dengan asumsi bahan yang digunakan memiliki titik leleh. Model numerik dari zona kontak juga digunakan ketika teori Hertz tidak berlaku. Persamaan deformasi gaya sering ditambah dengan istilah redaman untuk mencerminkan disipasi di bidang kontak, sehingga memungkinkan kita untuk memodelkan area kontak secara efektif sebagai sistem peredam pegas.

2.4.4 Deformasi Plastis

Ketika regangan plastis melampaui skala deformasi yang terkandung, model propagasi gelombang elastis tidak lagi dapat diterapkan untuk menganalisis masalah tumbukan. Ini adalah domain dari dampak kecepatan tinggi yang commit to user

14

umumnya dikaitkan dengan bahan peledak dan proyektil. Dalam teori hidrodinamik, deformasi permanen dianggap sebagai hasil dari perubahan kepadatan tubuh. Persamaan keadaan untuk material yang menghubungkan tekanan dengan perubahan densitas dan suhu atau entropi digunakan bersama dengan hukum kekekalan momentum, energi, dan massa. Dalam teori propagasi gelombang elastik, bahan tersebut dianggap tidak dapat dimampatkan dalam domain plastik. Juga, persamaan keadaan yang menghubungkan tegangan, regangan dan laju regangan diasumsikan tidak tergantung pada suhu.

2.5 Dasar Metode Elemen Hingga

Aplikasi Metode Elemen Hingga sebagai salah satu metode numerik untuk menyelesaikan berbagai permasalahan rekayasa tentu saja tidak terlepas dari perkembangan komputer dengan berbagai bidang terkait lainnya seperti Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Engineering (CAE) terus menerus menjadi konsentrasi yang diminati bidang rekayasa. Hal ini dapat dibuktikan dari makin ramainya penawaran berbagai perangkat lunak metode elemen hingga dengan beragam kemampuan rekayasa yang berkemampuan tinggi untuk memenuhi tantangan dan permintaan dari kalangan industry dalam membantu menyelesaikan masalah-masalah aktual mereka.

Pada penggunaannya, secara umum perangkat lunak metode elemen hingga memiliki tiga tahapan utama, yakni: (i) Preprocessing, (ii) Analysis, (iii) Post- Processing.

2.5.1 Preprocessing

Pada tahap ini pengguna membuat model yang menjadi bagian untuk dianalisis yang mana geometri tersebut dibagi-bagi menjadi sub-bagian-sub- bagian yang terdiskritisasi atau disebut “elemen”, dihubungkan pada titik diskritisasi yang disebut “node”. Node tertentu akan ditetapkan sebagai bagian melekat yang kaku (fix displacement) dan bagian lain ditentukan sebagai bagian kena beban (load).

2.5.2 Analysis

Pada tahap ini data-data yang dimasukkan pada tahap preprocessing sebelumnya akan digunakan sebagai input pada code elemen hingga untuk membangun dan menyelesaikan sistem persamaan aljabar linier atau nonlinier. commit to user

15

k . (x) = F (2.1)

Dimana x dan F merupakan displacements dan gaya luar yang diberikan pada suatu titik. Informasi matrix k tergantung pada tipe persoalan yang sedang terjadi, dan modul akan mengarah pada pendekatan analisis truss dan tegangan linier elastis. Perangkat lunak berbayar sudah memiliki kemampuan lebih yang mampu menyelesaikan banyak tipe persoalan.

2.5.3 Post-Processing

Menampilkan hasil akhir setelah penganalisisan oleh modul penganalisis dengan menampilkan data displacements dan tegangan pada posisi bagian yang terdiskritisasi pada model geometri. Post-processor biasanya menampilkan grafis dengan kontur warna yang menggambarkan tingkatan tegangan yang ternjadi pada model geometri. (Saeed Moaveni, 1999)

Perangkat lunak metode elemen hingga ada yang merupakan perangkat lunak berbayar (commercial FEA software) dan ada pula perangkat lunak yang tidak berbayar (free FEA software).

Metode Elemen Hingga (Finite Element Method) adalah salah satu metode numerik untuk menyelesaikan berbagai problem rekayasa, seperti mekanika struktur, mekanika tanah, mekanika batuan, mekanika fluida, hidrodinamik, aerodinamik, medan magnet, perpindahan panas, dinamika struktur, mekanika nuklir, aeronautika, akustik, mekanika kedokteran dan sebagainya.

Struktur rangka batang dimana batang-batang antara dua titik hubung yang membentuk elemen rangka secara otomatis diperlakukan sebagai elemen hingga seperti yang terlihat pada gambar 2.3, sedang gambar 2.4 menunjukan diskretisasi benda pejal umum yang keduanya dianalisis dengan metode elemen hingga.

Tujuan utama analisis dengan menggunakan metode elemen hingga adalah untuk memperoleh pendekatan tegangan dan peralihan (displacement) yang terjadi pada suatu struktur (Indrakto, Rifky. 2007)

2.6 Tipe-Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga

Terdapat berbagai tipe bentuk elemen dalam metode elemen hingga yang dapat digunakan untuk memodelkan kasus yang akan dianalisis, yaitu :

commit to user

16 2.6.1 Elemen satu dimensi

Elemen satu dimensi terdiri dari garis (line). Tipe elemen ini yang paling sederhana, yakni memiliki dua titik nodal, masing-masing pada ujungnya, disebut elemen garis linier. Dua elemen lainnya dengan orde yang lebih tinggi, yang umum digunakan adalah elemen garis kuadratik dengan tiga titik nodal dan elemen garis kubik dengan empat buah titik nodal.

a. Kubik b. Kuadratik c. Linier

Gambar 2.5 Elemen Satu Dimensi [3]

2.6.2 Elemen dua dimensi

Elemen dua dimensi terdiri dari elemen segitiga (triangle) dan elemen segiempat (quadrilateral). Elemen orde linier pada masing-masing tipe ini memiliki sisi berupa garis lurus, sedangkan untuk elemen dengan orde yang lebih tinggi dapat memiliki sisi berupa garis lurus, sisi yang berbentuk kurva ataupun dapat pula berupa kedua-duanya.

a. Segitiga b. Segiempat

Gambar 2.6 Elemen Dua Dimensi [3]

commit to user

17 2.6.3 Elemen tiga dimensi

Elemen tiga dimensi terdiri dari elemen tetrahedron, dan elemen balok.

a. Tetahedra b. Hexahedra

Gambar 2.7 Elemen Tiga Dimensi [3]

2.7 Parameter Crashworthiness Impact Attenuator

Pada aplikasinya IEA(Impact Energy Absorption) membutuhkan komponen yang sangat penting yaitu modul penyerap energi impak [30]. Modul penyerap energi impak merupakan salah satu komponen paling penting dalam penerapan teknologi crashworthiness untuk meningkatkan keselamatan sarana transportasi.

Modul penyerap impak yang ideal adalah modul penyerap impak yang mampu mengatur kekuatan impak maksimum yang diijinkan sepanjang stroke selain pengaruh pembebanan elastis. Pada penelitian sebelumnya Ezra dan Fay telah mengklasifikasikan specific energy (Se) dan stroke efficiencies (Stc) pada beberapa modul penyerap impak. Alghamdi telah mereview beberapa ben- tuk modul penyerap energi impak dan menghasilkan beberapa bentuk deformasi [31].

Mekanisme-mekanisme tersebut di atas dibandingkan secara kritis dari beberapa parameter antara lain adalah: Energi spesifik, effisiensi stroke, dan effisiensi gaya hancur. Parameter tersebut diatas merupakan parameter yang mempengaruhi keberhasilan dari modul penyerap impak.

Modul penyerap impak memiliki keanekaragaman jenis dan bentuk, beragam modul penyerap impak dapat dibandingkan untuk mengetahui kelebihan dan kekurangannya masing-masing, yang selanjutnya dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik dari suatu modul penyerap impak.

Adapun parameter crashworthiness pada impact attenuator [32] : (i) Primary Peak Force, (ii) Mean Crushing Force, (iii) Energy Absorption, (iv) Specific Energy Absorption, (v) Crushing Force Efficiency. commit to user

18 2.7.1 Primary peak force (Pmax)

Primary peak energy merupakan gaya yang terjadi saat modul pertama kali terdeformasi.

2.7.2 Mean crushing force

Mean crushing force (Pmean) merupakan gaya rata-rata yang dibutuhkan untuk membuat suatu struktur terdeformasi. Mean crushing force dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.1) berikut.

𝑃_{𝑚𝑒𝑎𝑛} = 𝐸𝐴/𝛿 (2.1)

2.7.3 Energy absorption (EA)

Total energi terserap (EA) merupakan jumlah keseluruhan hasil kali antara gaya hancur dengan perpindahan. Hasil simulasi yang didapatkan berupa grafik force-displacement. Secara sederhana, besar total energi yang terserap merupakan luas daerah terarsir dibawah grafik force-displacement.

2.7.4 Specific energy absorption (SEA)

Specific energy absorption didefinisikan sebagai energi yang diserap per unit massa. Nilai specific energy absorption dapat dicari menggunakan persamaan (2.2) berikut.

𝑆𝐸𝐴 = 𝐸𝐴/𝑚 (2.2)

2.7.5 Crushing force efficiency (CFE)

Efisiensi gaya hancur merupakan suatu parameter yang membandingkan antara mean crushing force dengan primary peak force. Crushing force efficiency dapat dicari menggunakan persamaan berikut.

𝐶𝐹𝐸 = ^{𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛}

𝑃𝑚𝑎𝑥 (2.3)

commit to user