commit to user
PEMODELAN TEGANGAN SISA
PADA KOMPOSIT AGAVE CANTULA ROXB–RHDPE
DENGAN ANSYS
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
YOSAFAT CAHYO PROBOTINANTO NIM. I1410035
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
commit to user
iv
ABSTRAK
PEMODELAN TEGANGAN SISA
PADA KOMPOSIT AGAVE CANTULA ROXB–RHDPE DENGAN ANSYS
Yosafat Cahyo Probotinanto Jurusan Tekink Mesin Universitas Sebelas Maret
Surakarta
Tegangan sisa yang terbentuk pada saat pembuatan komposit sangat berpengaruh pada sifat mekaniknya. Oleh karena itu, simulasi pembentukan tegangan sisa pada proses pembuatan komposit perlu dilakukan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh laju pendinginan terhadap distribusi tegangan sisa pada komposit serat cantula / RHDPE. Simulasi dilakukan dengan program ANSYS menggunakan elemen SOLID 227. Proses simulasi dilakukan dalam 3 variabel laju pendinginan, yaitu 0,5 °C/menit, 1 °C/menit, dan 60 °C/menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan sisa yang terbentuk pada komposit cantula / RHDPE meningkat dengan penambahan laju pendinginan. Pada arah radial terjadi tegangan sisa berupa tarik dalam serat. Pada arah longitudinal, tegangan sisa berupa tegangan tarik muncul di matrik dan tegangan tekan di serat.
commit to user
v
ABSTRACT
RESIDUAL STRESS MODELING
IN THE AGAVE CANTULA ROXB FIBER-RHDPE COMPOSITE USING ANSYS of polymer composites. Therefore, residual stress simulation is a very important thing to do in composite manufacturing processes. The aim of this study is to investigate the influences of cooling rate on the residual stress distribution of cantala fiber/Recycled High Density Polyethylene (RHDPE) composite. The simulation in this study has been done by finite element analysis from SOLID 227 element in the ANSYS software. 3 cooling rate variations were used, they are 0.5 °C/minute, 1 °C/minute, and 60 °C/minute. The results show that the magnitudes of residual stresses were increased with an increase in cooling rate. In the radial direction, the residual stresses were tensile inside the fibers. While in the longitudinal direction, the residual stresses were tensile in the matrix zones and they were compressive in the fiber zones.
commit to user
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
berkat dan kesempatan yang diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik di
Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah
berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini, yaitu :
1. Bapak Eko Prasetya B., S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah
membantu dan memberi arahan dalam penelitian skripsi ini
2. Bapak Ir. Wijang Wisnu R., M.T., selaku Pembimbing II yang turut serta
membimbing dan membantu dalam penulisan skripsi ini
3. Bapak Purwadi Joko W., S.T., M.Kom. dan Bapak Wibowo, S.T., M.T.,
selaku penguji tugas akhir yang telah memberikan saran, kritik, dan masukan
yang membangun
4. Bapak Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T., selaku Koordinator Tugas Akhir
5. Seluruh dosen Teknik Mesin UNS, yang telah mendidik dan memberi ilmu
pengetahuan yang cukup untuk menyelesaikan skripsi ini
6. Seluruh manusia teknik baik di dalam maupun di luar kampus Teknik Mesin
UNS yang selalu bersedia memberikan bantuan
7. Teman-teman Teknik Mesin UNS yang selalu memberikan rasa kebersamaan
dan senasib
8. Cayox-PC, selaku mesin utama dalam skripsi ini yang telah bekerja keras
melakukan simulasi puluhan jam dan selalu setia menemani penulis dalam
menyelesaikan skripsi ini
9. Kamar No. 3 Kost Aryo Putro (kamar = gudang), sebagai tempat bernaung
penulis
10. Seluruh keluarga, saudara, dan kerabat yang dengan penuh kesabaran
mendukung secara spiritual dan material kepada penulis
11. Engelica Glenys Kezia Xaviera, Anne Kanaya Athalia, dan Steffanie Ruth
commit to user
vii
12. Semua pembaca skripsi ini, yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk
membuka dan membaca hasil karya penulis walaupun hanya sampai halaman
ini saja
13. khusus kepada Ibu Valentina Ngatiyem, yang telah melahirkan penulis dari
dalam rahimnya ke dunia ini, dan sekarang berada di sisi Tuhan Yang Maha
Esa dengan tak henti-hentinya selalu mendoakan penulis.
Penulis menyadari bahwa dalam skripsi ini masih terdapat kesalahan dan
kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang
membangun dari semua pihak untuk memperbaiki skripsi ini.
Akhir kata, penulis berharap semoga hasil karya penulis ini dapat
bermanfaat bagi siapa pun juga.
Surakarta, 2015
commit to user
viii
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... iv
KATA PENGANTAR ... vi
DAFTAR ISI ... viii
1.6 Sistematika Penelitian ... 3
BAB II LANDASAN TEORI ... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ... 5
2.2 Kajian Teori ... 8
2.2.1 Komposit serat ... 8
2.2.2 Tegangan sisa pada komposit serat ... 9
2.2.3 Serat Cantula ... 9
2.2.4 RHDPE (Recycled High Density Polyethylene) ... 10
2.2.5 Metode Elemen Hingga (MEH) ... 10
2.2.6 Tegangan prinsipal ... 12
2.2.7 Tegangan von Mises ... 15
2.2.8 Perpindahan panas konduksi unsteady dengan kondisi batas konveksi pada dinding datar (plane wall) ... 17
2.2.9 Buckling pada serat ... 19
2.2.10 Elemen SOLID 227 KEYOPT 11 ... 20
2.2.11 Uji konduktivitas panas dengan Thermal Conductivity Apparatus Ogawa Seiki Co. Ltd... 21
BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN ... 23
3.1 Alat dan Bahan Penelitian ... 23
3.1.1 Alat penelitian ... 23
3.1.2 Bahan penelitian ... 23
3.2 Prosedur Penelitian ... 23
3.2.1 Penelitian material properties ... 23
3.2.2 Konversi nilai laju pendinginan praktek ke kondisi batas konveksi simulasi ... 23
3.2.3 Pembuatan program simulasi ... 24
3.3 Diagram Alir Penelitian ... 27
BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 28
4.1 Hasil Penelitian Material Properties ... 28
4.2 Hasil Meshing Model ... 28
4.3 Hasil Simulasi Perpindahan Panas ... 29
4.4 Distribusi Tegangan Sisa ... 30
4.5 Tegangan Sepanjang Antarmuka Serat dan Matrik ... 33
commit to user
ix
4.6.1 Analisa vektor arah radial serat ... 34
4.6.2 Analisa vektor arah memanjang serat ... 34
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 36
5.1 Kesimpulan ... 36
5.2 Saran ... 36
DAFTAR PUSTAKA ... 37
LAMPIRAN ... 39
commit to user
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Distribusi tegangan sisa pada silinder baja-epoxy dengan beban
pendinginan ... 6
Gambar 2.2 (a) Tegangan sisa pada komposit bis-GMA / keramik ... 6
(b) Tegangan sisa pada bagian polimer ... 7
Gambar 2.3 Pemodelan komposit serat karbon – PPESK (a) 3D unit-cell ... 7
(b) dengan meshing ... 7
Gambar 2.4 Distribusi tegangan sisa komposit serat karbon – PPESK dengan beban pendinginan ... 8
Gambar 2.5 Tegangan sisa pada komposit serat ... 9
Gambar 2.6 Serat cantula tanpa perlakuan ... 10
Gambar 2.7 Serbuk RHDPE ... 10
Gambar 2.8 Metode elemen hingga pada keliling lingkaran ... 11
Gambar 2.9 Tegangan 3 dimensi pada kubus ... 12
Gambar 2.10 Tetrahedron BCDO ... 13
Gambar 2.11 Penguraian tegangan prinsipal menjadi keadaan hidrostatik dan deviatorik ... 15
Gambar 2.12 Skema perpindahan panas konduksi unsteady dengan kondisi batas konveksi pada bidang datar ... 17
Gambar 2.13 Dua jenis microbuckling (a) extensional ... 19
(b) shear... 19
Gambar 2.14 Geometri elemen SOLID 227 ... 20
Gambar 2.15 Susunan pengujian kondiktivitas panas ... 21
Gambar 3.1 Pengambilan unit cell model dari bentuk komposit ... 24
Gambar 3.2 Kondisi batas konveksi pada model ... 25
Gambar 3.3 Diagram alir program ... 26
Gambar 3.4 Diagram alir penelitian ... 27
Gambar 4.1 Model dengan meshing dan tipe material ... 28
Gambar 4.2 Hasil simulasi perpindahan panas dengan variasi koefisien konveksi (a) 0,1 W/m2°C ... 29
(b) 0,2 W/m2°C ... 29
(c) 8,7 W/m2°C ... 29
Gambar 4.3 Distribusi tegangan sisa pada simulasi dengan variasi koefisien konveksi (a) 0,1 W/m2°C ... 30
(b) 0,2 W/m2°C ... 30
(c) 8,7 W/m2°C ... 31
Gambar 4.4 Penampang depan hasil distribusi tegangan sisa ... 32
Gambar 4.5 Tegangan sepanjang antarmuka serat dan matrik komposit serat cantula / RHDPE ... 33
Gambar 4.6 Tegangan sepanjang antarmuka serat dan matrik komposit carbon fiber / PPESK ... 33
commit to user
xi
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konstanta A1 dan λ1 berdasarkan Biot number ... 18
Tabel 4.1 Hasil penelitian material properties ... 28
Tabel 4.2 Perbandingan nilai laju pendinginan simulasi dengan praktek ... 30
Tabel 4.3 Hasil tegangan sisa keramik – zirconia ... 32
