TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi dua atau lebih material baik secara mikro atau makro, dimana sifat material yang tersebut berbeda bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya (Smith, 1996). Komposit juga suatu perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun.
Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antara material harus berikatan dengan kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent. Pendapat lain mengatakan bahwa komposit adalah sebuah kombinasi material yang berfasa padat yang terdiri dari dua atau lebih material secara skala makroskopik yang mempunyai kualitas lebih baik dari material pembentuknya (Jacob, 1994). Dari sekian banyak jenis material pembentuk komposit, semuanya dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian, yaitu matriks, material penguat (reinforcement) dan material pengisi (filler).
Komposit dapat didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam, fiber atau serat ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong kemudian dicampur secara acak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-ply laminae), dan lainnya.
dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi.
Lembaran komposit disebut sebagai lamina, Serat yang dipakai seperti di industri pesawat terbang biasanya terbuat dari karbon dan gelas, sedangkan resinnya adalah epoxy, sejenis polimer. Pada bahan material komposit dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 material komposit
Material komposit merupakan material non logam yang saat ini semakin banyak digunakan mengingat kebutuhan material disamping memprioritaskan sifat mekanik juga dibutuhkan sifat lain yang lebih baik misalnya ringan, tahan korosi dan ramah lingkungan. Komposit juga memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari logam, kekakuan jenis (modulus Young/density) dan kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi serat yang berbeda, gabungan lamina ini disebut sebagai laminat.
2.1.1 Sejarah Komposit
Kata komposit (composite) merupakan kata sifat yang berarti susunan atau gabungan. Komposit berasal dari kata kerja to compose´ yang berarti menyusun atau menggabung. Jadi secara sederhana bahan komposit berarti bahan gabungan dari dua atau lebih bahan yang berlainan. Penggu naan material komposit telah dikenal selama ribuan tahun pada alam sekitar kita. Pada jaman mesir kuno, jerami digunakan pada dinding untuk meningkatkan penampilan struktur. Kayu merupakan komposit alami yang sering digunakan selama ini. Para pekerja kuno telah mengenal istilah komposit dengan menggunakan ter untuk mengikat alang-alang untuk membuat kapal komposit 7000 tahun yang lalu. Perkembangan dari material komposit tidak terbatas hanya pada material bangunan dan hal ini dapat dilihat pada abad pertengahan. Asia tengah, busur dibuat dari otot binatang, getah kayu dan benang sutera dengan bahan perekat sebagai pengikat.
Hasil dari komposit yang berlapis-lapis (laminated) memiliki daktilitas dan kekerasan (hardness) dari unsur pokoknya namun kekuatan merupakan efek sinergi dari gabungan sifat material. Beton, material yang digunakan oleh seluruh dunia dan juga material berbasis semen lainnya juga merupakan suatu komposit. Perilaku dan sifat dari beton dapat dimengerti dan direncanakan, diprediksi dengan lebih baik bila dilihat sebagai komposit dan begitu pula dengan beton bertulang.
2.1.2 Karakteristik dan Aplikasi Bahan Komposit
Komposit didefinisikan sebagai dua macam atau lebih material yang digabungkan atau dikombinasikan dalam skala makroskopis (dapat terlihat langsung oleh mata) sehingga menjadi material baru yang lebih berguna.
Tahap pertama peringkat atas suatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih atom yang berbeda bolehlah dikatakan sebagai bahan komposit. Ini termasuk alloy polimer dan keramik. Bahan-bahan yang terdiri dari unsur asal saja yang tidak termasuk dalam peringkat ini.
Tahap kedua peringkat mikrostruktur suatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih struktur molekul atau fasa merupakan suatu komposit. Mengikuti definisi ini banyak bahan yang secara tradisional dikenal sebagai komposit seperti kebanyakan bahan logam. Contoh besi keluli yang merupakan alloy multifusi yang terdiri dari karbon dan besi.
Tahap ketiga peringkat makrostruktur merupakan gabungan bahan yang berbeda komposisi atau bentuk bagi mendapatkan suatu sifat atau ciri tertentu. Dimana konstituen gabungan masih tetap dalam bentuk asal, dimana dapat ditandai secara fisik dan melihatkan kesan antara muka antara satu sama lain. Dari beberapa definisi diatas, maka dapat disimpulkan bahwa, bahan komposit adalah bahan yang heterogen yang terdiri dari dari fasa tersebar dan fasa yang berterusan.
tinggi, tahan korosi, memiliki biaya perakitan yang lebih murah dan memiliki densitas yang rendah.
2.1.3 Klasifikasi Komposit
Secara garis besar ada 3 macam jenis klasifikasi komposit berdasarkan penguat yang digunakannya, yaitu :
A.Komposit Serat (fibricus composite)
Komposit serat yaitu jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat/fiber atau komposit yang terdiri dari serat dan matriks (bahan dasar) yang diproduk secara fabrikasi, misalnya serat ditambah dengan resin sebagai bahan perekat. Sebagai contoh adalah FRP (fiber reinforce plastik) plastik diperkuat dengan serat dan banyak digunakan. Yang sering disebut fiber glass. Fiber ini bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman.
Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dipakai pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi dari pada matrik penyusun komposit. Pemilihan serat atau penguat harus mempertimbangkan beberapa hal salah satunya harga. Hal yang penting karena sebagai pertimbangan bila akan digunakan pada skala produksi besar.
Jenis komposit serat terbagi menjadi 4 macam yaitu :
(a) (b) (c) (d)
Gambar 2.2 Jenis komposit serat (a) Continous fiber composite, (b) Woven fiber composite, (c) Chopped fiber composite, (d) Hybrid composite B. Komposit Lapis (laminated composite)
Komposit Lapis yaitu jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri dari lapisan dan matriks, yaitu lapisan yang diperkuat oleh resin sebagai contoh plywood, laminated glass yang sering digunakan sebagai bahan bangunan dan kelengkapannya. Pada komposit lapis dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 komposit lapis C. Komposit Partikel (particulate composite)
Komposit partikel yaitu komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya. Partikel dan matriks yaitu butiran (batu, pasir) yang diperkuat dengan semen yang kita jumpai sebagai beton. Komposit partikel banyak dibuat untuk bahan baku industri. Proses produksi yang mudah juga menjadi salah satu pertimbangan bila komposit akan diproduksi massal. Pada gambar 2.4 memperlihatkan gambar komposit partikel.
matriks partikel
2.1.4 Sifat Bahan Komposit
Sifat-sifat pada bahan komposit pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serta dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan konvensional seperti keluli. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam.
Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri pembuatan seperti automobile dan angkasa lepas. Ini karena berhubungan dengan penghematan bahan bakar. Dalam industri angkasa lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikan komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti komposit mempunyai rintangan terhadap bahan yang baik terutamanya komposit yang menggunakan serat karbon.
Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah rintangan terhadap kakisan yang lemah terutama produk yang kebutuhan sehari-hari. Kecendrungan komponen logam untuk mengalami kakisan menyebabkan biaya pembuatan yang tinggi. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya guna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan. Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan matriks untuk menghasilkan komposit hibrid.
2.2 Serat
paling sering dijumpai adalah serat pada ilmu Manusia menggunakan serat dalam banyak hal untuk membuat tali, kain, atau sintetis (serat buatan manusia). Serat sintetis dapat jumlah yang besar. Adapun jenis-jenis dari serat alami yaitu:
a. Serat kaca b. Serat bambu c. Serat rock wool
2.2.1 Serat Rock Wool
Rock wool adalah suatu bahan insulation jenis isolasi termal dan akustik. Terbuat dari bahan tambang fiber ringan dengan inti berupa batu alam yang dipadukan dengan damar panas. Namun, sifat dari rock wool dapat secara substansial diubah dengan menyesuaikan kandungan mineral. Pada awal 1960-an ditemukan bahwa setelah beberapa modifikasi proses rock wool manufaktur akan mendukung dan dibawah praktik penanganan yang tepat, meningkatkan pertumbuhan tanaman. Hal ini diproduksi khusus hortikultura Rock wool adalah yang terutama dijual sebagai substrat hidroponik. (Mulai sekarang istilah "Rock wool" khusus akan mengacu pada kelas produk hortikultura).
2.2.2 Proses Manufaktur Pada Serat Rock Wool
Semua rock wool tidak sama. Yang terbaik yang dihasilkan dari murni batuan basaltik . Para rock wool dihasilkan dari diabas memiliki keseimbangan mineral yang inert dan tidak reaktif. Beberapa rock wool yang dihasilkan dari terak yang tersisa dari operasi peleburan. Ini rock wool mengandung proporsi yang tinggi dari logam dan mungkin agak reaktif dengan larutan nutrisi. Rock wool berkualitas tinggi harus memiliki diameter seragam serat, pemerataan pengikat dan rendahnya proporsi shot (pelet mineral yang belum dipintal menjadi serat
Kualitas yang paling penting kelas rock wool tinggi harus miliki adalah pembasahan seragam. Rock wool harus basah dengan mudah tetapi tidak tetap direndam air. Drainase yang baik adalah penting.
Karakteristik membasahi rock wool bervariasi. Serat rock wool secara alami hidrofobik (mereka menolak air) karena kehadiran minyak mineral. Dalam rock wool kualitas tertinggi minyak mineral dikeluarkan selama proses manufaktur dan agen pembasahan mineral yang tergabung dalam mencair. Bentuk hortikultura kelas rock wool alami menarik air dan membasahi dengan mudah. Sementara ini adalah proses kualitas tertinggi kualitas yang sebenarnya dari rock wool akan tergantung pada perawatan yang diambil di bidang manufaktur.
2.2.3 Manfaat dan Ukuran Jenis Rock Wool
Fungsi umum dari rock wool adalah untuk memberikan isolasi di rumah tinggal atau bangunan komersial. Rock wool juga dapat melindungi pipa, kapal, rumah mobile dan peralatan memasak domestik. Meskipun paling umum dikenal untuk menyediakan isolasi di rumah, orang juga menggunakan rock wool sebagai media tumbuh hortikultura. Adapun manfaat lainnya yaitu :
1. Memiliki daya konduksi termal yang rendah 2. Cocok untuk aneka kebutuhan industri
3. Dapat digunakan pada suhu 100 °C sampai 820 °C 4. Tidak berkarat/berjamur
6. Tidak mudah terbakar
Rock wool menyediakan berbagai keuntungan, termasuk tahan api dan kedap suara. Karena serat yang tidak mudah terbakar dan memiliki titik leleh yang ekstrim lebih dari 2.150 °F, isolasi rock wool bertindak sebagai penghalang api. Karakteristik tahan apinya dapat menunda penyebaran api, yang bisa menambahkan menit berharga untuk melarikan diri saat kebakaran. Rock wool juga menolak air, anti membusuk dan jamur, termasuk berbagai jenis pertumbuhan bakteri. Karena menolak air, rock wool tidak akan melemah atau kendur. Isi dari rock wool padat, sehingga mengurangi aliran udara dan transmisi gelombang suara.
Pada rock wool juga terdapat ukuran dan jenis dapat di lihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 ukuran dan jenis rock wool
Type Plain Blanket Wire Mesh Rigid Board Pipe Section Density
(kg/m3) 60 80 100 60 80 100 60 80 100 120
Mean Temp. °C
Thermal Conductivity: W/m.K (kcal/m.h.°C)
100 °C 0.043 (0.037) 0.042 (0.036) 0.041 (0.035) 0.043 (0.037) 0.042 (0.036) 0.041 (0.035) 0.043 (0.037) 0.042 (0.036) 0.041 (0.035) 0.038 (0.033) 200 °C 0.061
(0.052) 0.057 (0.049) 0.057 (0.049) 0.061 (0.052) 0.057 (0.049) 0.057 (0.049) 0.061 (0.052) 0.057 (0.049) 0.057 (0.049) 0.052 (0.044) 300 °C 0.087
(0.075) 0.077 (0.066) 0.073 (0.063) 0.087 (0.075) 0.077 (0.066) 0.073 (0.063) 0.087 (0.075) 0.077 (0.066) 0.073 (0.063) 0.070 (0.060) 400 °C 0.123
(0.106) 0.099 (0.085) 0.095 (0.082) 0.123 (0.106) 0.099 (0.085) 0.095 (0.082) 0.123 (0.106) 0.099 (0.085) 0.095 (0.082) 0.092 (0.079) Sumber : Indonetwork.co.id/tradeoffers/Kebutuhan_Industri/ukuran bentuk rock wool.html
2.3 Resin
dimana bahan mineralnya adalah Coal (Batu Bara), Ptroleum dan Bahan-bahan tanaman.
2.3.1 Klasifikasi Dari Resin
Secara umum resin diklasifikasikan menjadi 2 bagian :
1. Thermoplastik
Thermoplastik adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali dengan menggunakan panas. Thermoplastik juga merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastik meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan.
Bahan termoplastik yang lazim dipergunakan sebagai matrik komposit adalah sebagai berikut :
a. Acetal
b. Acryronitrile Butadiene Styrene (ABS) c. Nylon
d. Polyenthyene (PE) e. Polypropylene (PP)
f. Polyethylene Terephthalate (PET) 2. Thermoset
Polimer thermoset biasanya memiliki daya tahan terhadap temperature pencetakannya lebih tinggi dari pada thermoplastik. Bahan termoset yang lazim dipergunakan sebagai matrik komposit adalah sebagai berikut :
a. Polyester b. Vinyl Resin c. Epoxy d. Phenolic e. Polyurethane
2.3.2 Resin Polyester
Tabel 2.2 spesifikasi resin polyester
Item Satuan Nilai Tipikal Catatan
Berat jenis Kekerasan
Suhu distorsi panas Penyerapan air (suhu ruang) Kekuatan fleksural Modulus fleksural Daya rentang Modulus rentang Elongasi - - o C % % Kg/mm2 Kg/mm2 Kg/mm2 Kg/mm2 % 1.215 40 70 0.188 0.466 9.4 300 5.5 300 2.1
25 oC - - 24 jam 7 hari - - - - -
Sumber : Tata Surdia, pengetahuan bahan teknik, Jakarta : Pradnya paramita, 2000. 2.3.3 Sifat-Sifat Resin Polyester
1. Didalam sifat termalnya, resin polyester memiliki suhu deformasi termal lebih rendah dari pada resin termoset lainnya.
2. Matriks tersebut dapat menghasilkan keserasian matriks penguat dengan mengontrol faktor jenis dan jumlah komponen, katalis, waktu dan suhu. 3. Memiliki sifat listirik yang cukup baik diantara resin termoset lainnya. 4. Mengenai ketahanan kimia, kuat terhadap asam tetapi lemah terhadap
alkali dan bahan ini mudah mengembang dalam pelarut yang melarutkan polimer stiren.
5. Kemampuan terhadap cuaca sangat baik, tahan terhadap kelembapan dan sinar Ultra Violet bila dibiarkan diluar.
2.4 Metode Hand Lay Up
Metode Hand lay up yang disebut juga dengan way lay up merupakan sebuah metode pembuatan komposit yaitu dengan mengisiskan resin kedalam cetakan dengan tangan keserat didalam suatu wadah. Dalam metode ini serat bisa disusun, dianyam, atau diikat. Biasanya untuk meratakan permukaan dari resin digunakan roller atau kuas. Perataan atau penekanan ini dilakukan agar antara resin dan serat benar-benar menyatu dengan baik.
Hand lay up adalah metode yang paling sederhana dan merupakan proses dengan metode terbuka dari proses fabrikasi komposit. Adapun proses dari pembuatan dengan metoda ini adalah dengan cara menuangkan resin dengan tangan kedalam serat berbentuk anyaman, rajuan atau kain, kemudian memberi takanan sekaligus meratakannya menggunakan rol atau kuas. Proses tersebut dilakukan berulang-ulang hingga ketebalan yang diinginkan tercapai. Pada proses ini resin langsung berkontak dengan udara dan biasanya proses pencetakan dilakukan pada temperatur kamar.
diaplikasikan yaitu cairan resin dioleskan diatas sebuah cetakan dan kemudian serat layer pertama diletakkan diatasnya, kemudian dengan menggunakan roller/kuas resin kembali diratakan. Langkah ini dilakukan terus menerus hingga didapatkan ketebalan spesimen yang diinginkan. Pada proses metode hand lay up dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 proses hand lay up
Kelebihan penggunaan metode proses hand lay up ini adalah :
1. Mudah dilakukan
2. Cocok di gunakan untuk komponen yang besar 3. Volumenya rendah
2.5 Desain Struktur pada Pesawat Tanpa Awak
Tabel 2.3 spesifikasi data khusus hasil desain No Spesifikasi Karakteristik
1 Aifoil NACA 2412
2 Jenis Wing Straight Wing
3 Panjang Fuselage 2027 mm
4 Lebar 202 mm
5 Motor penggerak Motor elektrik 6 Putaran Propeler 3000 rpm
7 Jumlah Blade 2 buah
8 Diameter Propeler 300 mm 9 Material Bahan Komposit
10 Berat body 10000 gr
Adapun komponen-komponen pesawat tanpa awak adalah badan pesawat, sayap pesawat, glider, ekor pesawat dan landing gear. Pada pembahasan ini hanya membahas badan pesawat (fuselage) pada pesawat tanpa awak dengan melihat detail proses metode hand lay up, melakukan simulasi untuk mencari nilai tegangan regangan dan menghitung titik berat pada badan pesawat tanpa awak.
2.5.1 Badan Pesawat ( Fuselage )
Fuselage merupakan salah satu struktur utama pesawat yang terhubung dengan sayap, ekor, dan landing gear. Struktur fuselage berfungsi mentransfer beban dari struktur sayap, ekor, dan landing gear. Struktur fuselage ini harus mampu menahan beban seperti berikut tanpa mengalami kegagalan struktur maupun masalah fatigue:
a. Beban dari ekor akibat trim, maneuvering, turbulence, dan gust, b. Beban landing gear akibat impact saat mendarat, beban saat taxi, dan
ground maneuvering,
Struktur fuselage harus dibuat cukup kaku dan kuat untuk menahan segala pembebanan yang akan terjadi selama pesawat ini beroperasi. Hal ini berfungsi untuk menghindari terjadinya defleksi dan vibrasi pada saat operasionalnya. Akan tetapi, struktur fuselage ini harus dibuat tetap seringan mungkin.
Dalam merancang badan pesawat ini, aerodinamis badan pesawat adalah hal yang paling penting. Tipe dan koefisien badan pesawat dapat dilihat pada gambar 2.6 sebagai acuan. Badan pesawat yang digunakan adalah tipe 8 dengan koefisien drag (Cd)0,458, dimana Cd yang akan digunakan untuk menghitung gaya hambat yang dialami pesawat tanpa awak. Pada badan pesawat terdapat tipe dan koefisien badan pesawat dapat dilihat pada gambar 2.6.
Sumber : lennon Andy ,2006. Aircraft Design Gambar 2.6 tipe dan koefisien badan pesawat
Gambar 2.7 Badan pesawat tanpa awak
Berikut adalah gambar teknik tiap pandangan badan pesawat tanpa awak :
a. Pandangan depan badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.8.
b. Pandangan samping badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Pandangan Samping badan pesawat tanpa awak
Gambar 2.10 Pandangan belakang badan pesawat tanpa awak
d. Gambar teknik badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 Gambar teknik badan pesawat tanpa awak
2.5.2 Assembling Pesawat Tanpa Awak
Gambar 2.12 Assembling pesawat tanpa awak
2.6 Analisis Kekuatan Bahan Komposit 2.6.1 Teori Tegangan untuk Komposit
Intensitas gaya (gaya persatuan luas) disebut tegangan (stress). Dengan menganggap bahwa tegangan terdistribusi secara merata pada seluruh bidang batang penghubung. Gambar 2.13 memperlihatkan suatu elemen tegangan berdimensi tiga, atau tegangan triaksial (triaxial stress), dimana menunjukkan tiga tegangan normal σx, σy dan σz, semuanya positif; dan enam tegangan geser τxy, τxz, τyx, τyz, τzx, τzy, juga semuanya positif.
Elemen tersebut berada dalam kesetimbangan statis, sehingga tegangan normal yang arahnya keluar, adalah tegangan tarik yang dinyatakan positif. Orientasi elemen tegangan terjadi dalam ruang dimana semua komponen tegangan geser berharga nol. Bila elemen mempunyai orientasi khusus seperti ini, maka garis normal terhadap setiap permukaan merupakan arah utamanya. Tegangan normal yang terjadi merupakan tegangan utama atau tegangan prinsipal (principal stress) yaitu σ1, σ2, σ3.
Dengan prinsip kesetimbangan gaya pada masing-masing arah utama, maka diperoleh persamaan pangkat tiga, yaitu:
σ3-(σx + σy +σz) σ2+(σx σy + σx σz + σy σz - τ2xy - τ2yz - τ2zx ) σ - (σx σy σz + 2τxzx - σ x2yz - σ y2zx - σ z2xy) = 0 (2.1)
Gambar 2.14 memperlihatkan diagram lingkaran Mohr untuk kasus beban triaksial yang terjadi untuk kondisi σ1 > σ2 > σ3. Berdasarkan teori ini tegangan geser maksimum adalah:
2
3 1 max
σ σ
τ = − (2.2)
Regangan yang terjadi memenuhi persamaan:
(2.3)
Dimana :
L = Panjang awal sebelum pembebanan.
Gambar 2.14 lingkaran mohr untuk kasus beban triaksial
Pertambahan panjang persatuan disebut regangan (ε), ditunjukan oleh karena regangan normal (ε) adalah perbandingan antara dua ukuran
panjang, merupakan besaran yang berdimensi (dimenssion less quantity) tidak memilki satuan. Dalam pembahasan regangan pada sebuah titik, yang penting diperhatikan adalah pergeseran (displacement) relatif dari titik-titik yang berdekatan. Pertambahan panjang yang terjadi pada suatu elemen diilustrasikan pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 komponen-komponen regangan xy dalam bidang xy
Pada bidang xy dapat terjadi ketiga komponen regangan, yaitu: regangan normal εx dalam arah x, regangan normal εy dalam arah y, dan regangan geser γxy. Sebuah elemen bahan yang hanya dikenai regangan-regangan ini dikatakan berada dalam regangan bidang (plane strain).
Dari sini diperoleh bahwa elemen yang mengalami regangan bidang tidak memiliki regangan normal εz dan regangan geser γxz dan γyz berturut-turut dalam bidang xz dan yz. Jadi, regangan bidang didefinisikan dengan rumus sebagai berikut:
2.6.2 Teori Regangan Normal Maksimum
Teori regangan maksimum disebut juga dengan teori Saint Venant aplikasinya hanya digunakan dalam selang elastis pada tegangan. Teori ini menyatakan keluluhan akan terjadi ketika regangan terbesar dari tegangan utama menjadi sama dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Jika diasumsikan kekuatan luluh dalam tarikan dan tekanan adalah sama, maka regangan pada tegangan dapat disamakan dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Kondisi luluh dapat dirumuskan sebagai berikut:
(2.5) Jika salah satu dari tiga tegangan-tegangan utama adalah nol dan dua tegangan yang bekerja adalah Aσ dan Bσ maka untuk tegangan beraksial kriteria luluh dapat dituliskan sebagai berikut.
(2.6)
2.6.3 Teori Tegangan Geser Maksimum
Teori ini mengatakan bahwa kegagalan yang dimulai ketika
tegangan geser maksimum pada setiap elemen menjadi sama dengan tegangan geser dalam uji tarik spesimen tersebut mulai luluh. Jika ditentukan tegangan-tegangan utama seperti, σ1> σ2 > σ3 maka dari teori tegangan geser maksimum menduga senantiasa keluluhan akan terjadi
pada persamaan.
2.6.4 Teori Pusat Gravitasi Dan Pusat Massa Untuk Sistem Partikel
Pusat gravitasi (g) adalah titik pusat yang menempatkan berat yang dihasilkan dari suatu sistem partikel. Untuk menunjukkan bagaimana menentukan titik ini dengan mempertimbangkan sistem n partikel tetap dalam suatu wilayah ruang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.16. Bobot partikel terdiri dari sistem kekuatan paralel yang dapat diganti dengan (setara) berat resultan tunggal memiliki titik didefinisikan g dari aplikasi. Untuk menemukan koordinat x, y, z dari g, kita harus melihat prinsip yang diuraikan.
Gambar 2.16 menentukan titik partikel tetap dalam suatu ruang
Hal ini membutuhkan bahwa berat yang dihasilkan sama dengan berat total semua partikel n dapat dirumuskan sebagai berikut:
(2.8)
Jumlah momen bobot semua partikel tentang sumbu x, sumbu y, dan sumbu z, kemudian sama dengan saat berat resultan tentang sumbu ini. Dengan demikian, untuk menentukan koordinat g. kita dapat menyimpulkan jumlah momen sumbu y. hasil ini dapat dilihat pada rumus.
Demikian juga, untuk menjumlahkan momen terhadap sumbu x, kita dapat memperoleh koordinat y.
(2.10) Meskipun bobot tidak menghasilkan sejenak tentang sumbu z, kita dapat memperoleh sumbu z pada koordinat g dengan membayangkan sistem koordinat. Dengan partikel tetap di dalamnya, seperti yang diputar 90º tentang x (atau sumbu y), Gambar 2.16 Menjumlahkan momen terhadap sumbu x, kita memiliki rumus.
(2.11) Kita bisa menggeneralisasi formula ini, dan menulis semua secara simbolis dalam bentuk rumus berikut.
(2.12) x, y, z mewakili koordinat pusat gravitasi g dari sistem partikel.
x, y, z mewakili koordinat dari setiap partikel dalam sistem.
∑W adalah jumlah yang dihasilkan dari bobot semua partikel dalam sistem.
Persamaan-persamaan ini mudah diingat jika diingat bahwa mereka hanya mewakili keseimbangan antara jumlah dari momen bobot masing-masing partikel dari sistem dan saat berat yang dihasilkan untuk sistem.
(2.13)
Sebagai perbandingan, saat itu lokasi pusat gravitasi bertepatan dengan pusat massa. Ingat, bagaimanapun bahwa partikel memiliki "berat" hanya ketika di bawah pengaruh daya tarik gravitasi, sedangkan pusat massa tidak bergantung pada gravitasi. Sebagai contoh, itu akan menjadi tidak berarti untuk menentukan pusat gravitasi dari suatu sistem partikel yang mewakili planet tata surya kita, sementara pusat massa dari sistem ini adalah penting.
2.6.5 Titik Berat, Pusat Massa dan Centeroid Untuk Tubuh
Pusat gravitasi tubuh kaku terdiri dari jumlah tak terbatas partikel, dan jadi jika prinsip-prinsip yang digunakan untuk menentukan Persamaan 2.16 diterapkan pada sistem partikel menyusun tubuh kaku, menjadi perlu untuk menggunakan integrasi dari pada penjumlahan istilah diskrit. Mengingat partikel sewenang-wenang yang terletak di (x, y, z) dan memiliki berat dW. Gambar 2.17, dihasilkan persamaan.
(2.14)
Dalam rangka menerapkan persamaan ini dengan benar, berat differensial dW harus dinyatakan dalam volume yang terkait dV nya. Jika y mewakili berat tertentu dari tubuh. Diukur sebagai berat per satuan volume, maka dW = γ dV dan karena itu.
Pusat massa. Kepadatan p, atau massa per satuan volume. berkaitan dengan γ dengan persamaan γ = pg. di mana g adalah percepatan gravitasi. Mengganti hubungan ini ke persamaan 2.15 dan membatalkan g baik dari pembilang dan penyebut menghasilkan persamaan yang sama (dengan p menggantikan γ) yang dapat digunakan untuk menentukan pusat massa tubuh.
Gambar 2.17 menentukan pusat massa tubuh
Gambar 2.18 lokasi pusat massa
Jika suatu benda dibagi menjadi elemen Volume dV. Gambar 2.18 lokasi pusat massa C (x, y, z) untuk volume objek dapat ditentukan dengan menghitung "momen" dari unsur-unsur tentang masing-masing sumbu koordinat. Rumus yang dihasilkan.
(2.16) Dengan cara yang sama, pusat massa untuk daerah permukaan suatu benda, seperti plale atau shell, Gambar 2.19, dapat ditemukan dengan membagi wilayah tersebut menjadi elemen differensial dA dan menghitung "momen" elemen daerah ini tentang masing-masing sumbu koordinat, yaitu.
(2.17)
Gambar 2.19 daerah pusat massa
(2.18)
Gambar 2.20 garis pusat massa
2.6.6 Simulasi Numerik dengan Ansys 14.0
Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu software Ansys. Program Ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys.
Metode elemen hingga merupakan metode yang digunakan oleh para engineer untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis yang dihadapinya. Adapun permasalahan teknik dan masalah matematis yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode elemen hingga dapat dibagi dalam dua kelompok, yaitu masalah analisa struktur dan non struktur. Permasalahan dalam bidang stuktur meliputi analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran. Sedangkan dalam bidang non struktur meliputi masalah perpindahan panas, mekanika fluida, dan distribusi potensial listrik dan magnet.
matematika memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji.
Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang komplek, pembebanan yang rumit, tidaklah mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini. Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui setiap titik secara diskrit. Mulai dengan pemodelan dari suatu 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 kecil (diskrisasi).
Analisa tegangan dapat memecahkan beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi mendekati masalah yang sebenarnya.
2.6.7 Metode Meshing (Ansys Meshing)
Meshing merupakan bagian integral dari proses simulasi rekayasa dibantu komputer. Mesh mempengaruhi akurasi, dan kecepatan konvergensi dari solusi. Selain itu, waktu yang dibutuhkan untuk membuat dan mesh model sering porsi yang signifikan dari waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan hasil dari solusi. Dari mudah, meshing otomatis ke mesh sangat dibuat, Ansys menyediakan solusi akhir. Setelah desain terbaik ditemukan, meshing teknologi dari Ansys menyediakan fleksibilitas untuk menghasilkan jerat yang berkisar dalam kompleksitas dari hex murni untuk hibrida yang sangat rinci, pengguna dapat menempatkan mesh yang tepat di tempat yang tepat dan memastikan bahwa simulasi akurat akan memvalidasi model fisik.
Elemen bentuk meshing yaitu:
2. Berbentuk segi tiga 3. Berbentuk segi enam 4. Tetrahedral
Adapun jenis penggunaan dari metode meshing yaitu:
1. Automatic Metode Meshing,
Jika Anda memilih metode kontrol otomatis, tubuh akan menyapu jika memungkinkan. Jika tidak, Tetrahedrons (patch Penurut) digunakan. Global option Elemen Midside Nodes memungkinkan Anda untuk mengontrol apakah jerat harus dibuat dengan node midside (unsur kuadrat / urutan kedua) atau tanpa node midside (elemen linier / urutan pertama). Mengurangi jumlah node midside mengurangi jumlah derajat kebebasan. Pilihan untuk global opsi Elemen Midside Nodes meliputi Program Controlled, Turun, dan Kept.
Opsi Turun menghapus node midside pada semua elemen. Contoh di bawah ini merupakan untuk benda padat.
2. Tetrahedrod / Hybrid Meshing Method, dimana semua jala tetrahedral dibuat. Pengaturan algoritma ditampilkan memungkinkan untuk memilih bagaimana mesh tetrahedral dibuat berdasarkan pilihan
3. Hex dominan Meshing Method, dimana hex jala dominan bebas dibuat. Pilihan ini direkomendasikan bagi tubuh yang tidak dapat menyapu.
4. Sapu Meshing Metode, mesh menyapu dipaksa pada "sweepable" tubuh (termasuk sumbu-sweepable tubuh, yang tidak ditampilkan saat menggunakan acara tubuh sweepable fitur). Mesher akan gagal jika mesh menyapu tidak dapat dihasilkan pada tubuh dengan kontrol metode sapuan.
