i Disertasi
untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana strata 3
Program Studi Teknik Mesin
diajukan oleh : Hadi Saputra 13/352565/STK/401
Kepada
PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA 2018
i Disertasi untuk memperoleh
derajat Doktor dalam Ilmu Teknik Mesin pada Universitas Gadjah Mada
Dipertahankan di hadapan Dewan Penguji Program Pascasarjana
Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Pada tanggal: 05 Juni 2018
Oleh:
Hadi Saputra
Lahir 25 Juli 1969 di Jombang, Jawa Timur
ii
iii Penulis menyatakan dengan sesungguhnya bahwa disertasi ini adalah asli hasil karya penulis dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi manapun, dan sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya di bagian naskah dan daftar pustaka disertasi ini
Yogyakarta, 05 Juni 2018
Hadi Saputra
iv Sejak revolusi industri muncul komunitas kelas menengah baru dengan gaya hidup yang unik. Mereka perlu alat transportasi yang andal untuk memenuhi gaya hidupnya. Hal tersebut menyebabkan jumlah kendaraan meningkat dengan tajam yang disertai dengan peningkatan jumlah kecelakaan. Hal tersebut membuat alat keamanan kendaraan menjadi komponen yang popular. Crash box merupakan salah satu alat keamanan pasif kendaraan yang berfungsi untuk menyerap energi saat kendaraan bertabrakan. Tujuan penelitian ini untuk mengembangkan komponen penyerap energi dari bahan komposit serat alam.
Komponen yang menjadi objek penelitian ini adalah crash box Mazda CX5. Komponen ini akan diganti dengan crash box yang terbuat dari material komposit serat bambu strip dengan matriks epoxy resin. Tanaman bambu yang digunakan adalah yang tumbuh di daerah Ngoro, Kota Jombang, Jawa Timur, Indonesia.
Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan urutan sebagai berikut, pertama dengan melakukan perhitungan kemampuan penyerapan energi komponen crash box MAZDA CX5 yang menjadi acuan dengan menggunakan perangkat lunak ABAQUS.
Kedua perancangan crash box innovative dengan CAD-CATIA V5R20. Ketiga simulasi crash pada crash box innovative. Keempat pembuatan prototipe sesuai hasil simulasi crash yang paling optimal dengan vakum infus dan manual. Kelima pengujian dan simulasi kuasi-statik tekan pada prototipe dan crash box Mazda CX5. Simulasi crash dilakukan dengan standar National Car Assessment Program yang dibuat oleh National Highway Transportation Safety Administration, untuk kendaraan dengan berat 1000 kg dan kecepatan 15,6 m/s, dengan arah tabrakan sejajar sumbu crash box.
Hasil penelitian menunjukkan crash box MAZDA CX5 mampu menyerap energi, U sebesar 5,91 kJ, Specific Energy absorption, SEA 21,53 kJ/kg, dan crash force efficiency, CFE 0,54. Crash box innovative yang terbuat dari material komposit serat bambu strips- epoxy resin, dengan geometri silinder berdiameter dalam 110 mm, tinggi 210 mm, dan tebal 20 mm yang salah satu ujungnya diberi chamfer 45o mampu menyerap energi, U 7,90 kJ, SEA 28,93 kJ/kg, dan CFE 0,54. Pengujian crush pada crash box innovative yang dibuat dengan vakum infus menunjukkan hasil berturut-turut U 5,01 kJ, SEA 18,23 kJ/kg, CFE 0,55 dan hasil pengujian pada crash box yang dibuat dengan cara manual, U 6,02 kJ, SEA 21,91 kJ/kg, CFE 0,69 dan simulasi crush menunjukkan hasil U, 2,88 kJ, SEA 10,47 kJ/kg, CFE 0,53. Tingkat akurasi diantara pengujian dan simulasi crush pada crush box Mazda CX5 menunjukkan hasil yang hamper sama, yakni, U 6,50 kJ, SEA 23,63 kJ/kg, serta CFE 0,58 dan U 6,33 kJ, SEA 23,30 kJ/kg, serta CFE 0,57. Kesimpulan yang dapat diambil, (1) metode simulasi yang digunakan akurat, (2) prototipe silinder dengan diameter dalam 110 mm, ketebalan 20 mm, serta salah satu ujung di chamfer 45o yang dibuat dengan vakum infus dapat menggantikan crash box MAZDA CX5, (3) tipe kerusakan prototipe ini progressive failure dengan mode splaying dan fragmentation.
Kata kunci: crash box, serat bambu strip, crush, crash
v Since the industrial revolution emerged a new middle-class community with a unique lifestyle. They need a reliable means of transportation to fulfil their lifestyle. This causes the number of vehicles to increase sharply accompanied by an increase in the number of accidents. This makes vehicle safety devices a popular component. The crash box is one of the passive vehicle devices that serves to absorb energy when the vehicle collides. The purpose of this research is to develop energy absorbent component from the natural fibre composite material. Components that became the object of this research is the crash box of Mazda CX5. This component will be replaced with the crash box made of bamboo fibre composite strip material with epoxy resin matrix. The bamboo plant used is growing in Ngoro area, Jombang City, East Java, Indonesia.
The method used in this research is conducted in the following order, first by calculating the energy absorption capability of MAZDA CX5 crash box components which become the reference by using ABAQUS software. Both design crash box innovative with CAD-CATIA V5R20. The three simulated crashes on the innovative crash box. The four prototypes according to the results of the most optimal crash simulation with infusion and manual vacuum. Fifth test and quasi-static simulation press on the prototype and crash box Mazda CX5. The crash simulation was carried out with the National Car Assessment Program standard made by the National Highway Transportation Safety Administration, for vehicles weighing 1000 kg and a speed of 15.6 m / s, with the crash direction parallel to the crash axis.
The results showed that the MAZDA CX5 crash box was able to absorb energy, U of 5.91 kJ, Specific Energy absorption, SEA 21.53 kJ / kg, and crash force efficiency, CFE 0.54. Innovative crash box made of a bamboo strips-epoxy resin-fibre composite material, with 110 mm inner, 210 mm, and 20 mm thick inner geometry with one end chamfer 45o able to absorb energy, U 7.90 kJ, SEA 28, 93 kJ / kg, and CFE 0.54. The crush test on the innovative crash box made with infusion vacuum showed a successive result of U 5.01 kJ, SEA 18,23 kJ / kg, CFE 0,55 and test result on crash box made by manual, U 6,02 kJ, SEA 21,91 kJ / kg, CFE 0.69 and simulated crushes showed U result, 2,88 kJ, SEA 10,47 kJ / kg, CFE 0,53. The level of accuracy between crush test and simulation on the Mazda CX5 crush box shows almost the same results, i.e., U 6.50 kJ, SEA 23.63 kJ / kg, and CFE 0.58 and U 6.33 kJ, SEA 23.30 kJ / kg, and CFE 0.57. Conclusions can be drawn, (1) the simulation method used is accurate, (2) cylindrical prototype with 110 mm inner diameter, 20 mm thickness, and one end of chamfer 45o made with infusion vacuum can replace MAZDA CX5 crash box ) type of prototype damage is a progressive failure with splaying and fragmentation mode.
Keywords: crash box, bamboo fiber strip, crush, crash
vi KATA PENGANTAR
Pertama kali penulis panjatkan puji Syukur ke hadirat Allah SWT, Yang Maha Penyayang dan Maha Pengasih atas segala rahmat dan karunia-Nya yang dilimpahkan kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan Disertasi pada program Pascasarjana Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya penulis sampaikan kepada, Prof. Ir. Jamasri, Ph.D, guru besar Ilmu Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, bahwa selaku Promotor beliau telah menghantarkan penulis melewati jenjang pendidikan tertinggi. Dengan penuh kesabaran dan penuh pengertian, beliau senantiasa membimbing, mendorong semangat dan meningkatkan rasa percaya diri penulis. Kepada beliau, semoga Allah SWT selalu melimpahkan rahmat dan hidayah, serta melipatgandakan pahalanya.
Ungkapan terima kasih dan penghargaan yang tulus penulis sampaikan kepada guru penulis dalam bidang ilmu komposit di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Ir. Heru Santoso Budi Rochardjo, M.Eng, Ph.D selaku Ko-Promotor yang telah memberikan saran-saran, bimbingan dan koreksi sehingga penelitian dan disertasi ini dapat penulis selesaikan. Semoga Allah SWT selalu melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya pada beliau.
Ungkapan terima kasih dan penghargaan yang tulus penulis sampaikan kepada tim penilai dan penguji disertasi. Semoga Allah SWT selalu melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya.
Penulis menghaturkan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Prof.
M. Noer Ilman, S.T., M.Sc., Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan kesempatan bagi penulis untuk mengikuti pendidikan Program Doktor di Universitas Gadjah Mada.
vii Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada yang terhormat Prof. Dr.
Ing. Ir. Harwin Saptoadi, MSME, selaku Ketua Program Studi S3 Teknik Mesin dan Industri, Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, yang telah mendorong, dan memotivasi agar dapat menyelesaikan studi secepat mungkin dengan kualitas yang baik.
Ungkapan terima kasih penulis sampaikan kepada Ketua Yayasan Potensi Pembangunan IST AKPRIND Bapak Suwardi, SE dan Rektor IST AKPRIND Dr.
Ir. Amir Hamzah, M.T. dan mantan rektor IST AKPRIND Dr. Ir. Sudarsono, M.T.
atas izin yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan Program Doktor. Kepada Dekan IST AKPRIND Dr. Ir. Toto Rusianto, M.T. dan Mantan Ketua Jurusan IST AKPRIND Drs. Khairul Muhajir, M.T. yang telah memberikan dorongan dan motivasi untuk mengikuti Program Doktor.
Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Kepala Laboratorium Bahan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan izin untuk menggunakan fasilitas laboratorium yang beliau pimpin. Kepada para staf laboratorium sdr Sunhaji dan Sriyanto yang telah membantu penulis dalam penelitian dan atas saran-saran yang diberikan dalam memecahkan persoalan yang ada dalam proses penelitian penulis.
Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Kepala Laboratorium Bahan Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan izin untuk menggunakan fasilitas laboratorium yang beliau pimpin. Kepada para staf laboratorium sdr Zamzuri dan Gianto yang telah membantu penulis dalam penelitian dan atas saran-saran yang diberikan dalam memecahkan persoalan yang ada dalam proses penelitian penulis.
Penulis sampaikan ungkapan terima kasih yang tidak terhingga kepada seluruh guru penulis mulai dari Sekolah Dasar Negeri Sengon I, Sekolah Pertama Negeri I, dan Sekolah Menegah Atas Negeri 2, di mana seluruhnya berada di Kota Jombang Jawa Timur, para dosen penulis di Program Fakultas Non Gelar Teknologi, Jurusan Teknik Mesin, ITS Surabaya, Program S1-Ekstensi Jurusan Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada, dan Program S2-Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada yang telah mendidik penulis selama ini.
viii Kepada teman-teman peserta didik Program Doktor Universitas Gadjah Mada, yang telah memberikan banyak bantuan secara teknis maupun non teknis dalam diskusi selama ini.
Ucapan terima kasih dan ungkapan penghargaan yang setinggi-tingginya penulis haturkan kepada almarhum ayahanda penulis Mathadi serta almarhumah Ibunda penulis Sri Rukmi yang telah mengukir jiwa raga penulis, melahirkan, membesarkan, mengayomi, mendidik, mendoakan, dan membentuk jati diri penulis menjadi yang sekarang ini, sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan Program Doktor, semoga Allah SWT berkenan untuk memberikan rahmat dan hidayah-nya serta mengampuni segala dosanya.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang tidak terhingga kepada istri penulis yang tercinta Yulistiarini Kumaraningrum, S.P., M.M. atas segala pengertian, kesetiaan, kesabaran, dan kesediaan untuk berkorban selama penulis menempuh Program Doktor. Kepada ke-empat anak penulis yang sangat penulis cintai dan penulis sayangi: Farhana Sabrina Saputri, Farahiyah Sharfina Saputri, Raihan Ramadhan Saputra, dan Aulia Adinda Saputri, Ayah mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya karena kalian telah mendorong, menginspirasi, memberikan semangat, serta turut berkorban selama Ayah menempuh Program Doktor, semoga kalian menjadi anak yang saleh, berguna bagi agama, negara dan masyarakat serta senantiasa dalam lindungan dan bimbingan Allah SWT.
Akhirnya penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak dan teman-teman sejawat lain yang tidak dapat penulis sebutkan namanya satu - persatu, yang telah ikut membantu penulis dalam berbagai hal dan ikut mendorong semangat penulis untuk menyelesaikan pendidikan Program Doktor. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan berkah- Nya kepada kita semua.
Yogyakarta, 05 Juni 2018
Hadi saputra
ix DAFTAR ISI
HALAMAN MUKA i
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
PERNYATAAN iii
INTISARI iv
ABSTRACT v
KATA PENGANTAR vi
DAFTAR ISI ix
DAFTAR GAMBAR xi
DAFTAR TABEL xiv
DAFTAR LAMPIRAN xv
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1Latar Belakang Penelitian 1
1.2Perumusan Masalah 4
1.3Keaslian Penelitian 4
1.4Tujuan Penelitian 5
1.5Manfaat Penelitian 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI 6
2.1Tinjauan Pustaka 6
2.1.1 Tinjauan umum 6
2.1.2 Perancangan kendaraan 7
2.1.3 Komponen penyerap energi 8
2.1.4 Crash box dari material logam 9
2.1.5 Crash box dari lightweight materials 12
2.1.6 Crash box dari komposit serat sintetis 13
2.1.7 Crash box dari komposit serat alam 15
2.1.8 Ringkasan tinjauan pustaka 17
2.2Landasan Teori 32
2.2.1 Material komposit 32
2.2.2 Sifat mekanik material komposit 37
2.2.3 Pemodelan material komposit di ABAQUS 49
2.2.4 Proses penyerapan energi pada crash box 53
2.2.5 Metode Elemen Hingga 54
2.2.6 Pemodelan plastisitas material logam 55
2.2.7 Pengukuran masa jenis dan perhitungan modulus elastisitas 56
x
BAB III METODE PENELITIAN 59
3.1Bahan dan peralatan 59
3.2Alur Penelitian 60
3.3Urutan alur penelitian 72
3.3.1 Persiapan model teknologi untuk simulasi 72 3.3.2 Perhitungan energi yang mampu diserap oleh
crash box MAZDA CX5 74
3.3.3 Perancangan crash box innovative 78
3.3.4 Data sifat mekanik material komposit 80
3.3.5 Pembuatan prototipe dari material komposit serat bambu 84 3.3.6 Pengujian quasi-static compression crush 89
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 92
4.1Perhitungan penyerapan energi pada crash box MAZDA CX5 92 4.1.1 Hasil simulasi ulang crash profil segi empat 92 4.1.2 Hasil simulasi crash pada crash box MAZDA CX5 93 4.1.3 Hasil pengujian dan simulasi crush pada crash box MAZDA CX5 96
4.2Perancangan crash box innovative 103
4.2.1 Data sifat mekanik material komposit 103
4.2.2 Hasil simulasi crash pada crash box innovative 105 4.2.3 Hasil simulasi crush pada crash box BFRC chamfer 45o dan
tebal 20 mm 110
4.3Pembuatan dan pengujian crash box BFRC 111
4.3.1 Hasil pembuatan prototipe crash box BFRC 111 4.3.2 Hasil Pengujian crush prototipe crash box BFRC 112 4.3.3 Perbandingan hasil pengujian dan simulasi crush pada
crash box BFRC 120
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 123
5.1Kesimpulan 123
5.2Saran 124
DAFTAR PUSTAKA 125
Lampiran 1 Uji komposisi material crash box MAZDA CX5 133
Lampiran 2 Hasil pengujian bambu strip 135
Lampiran 3 Hasil pengujian matriks 141
Lampiran 4 Hasil perhitungan unjuk kerja crash box 150
xi DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bentuk Alexander model (Lu dan Tongxi, 2003) 9 Gambar 2.2 Kerusakan akibat crash pada material komposit 14 Gambar 2.3 Klasifikasi berdasarkan penguatnya (Gibson, 1994) 32 Gambar 2.4 Klasifikasi berdasarkan matriksnya (Gibson, 1994) 32
Gambar 2.5 Diagram infus vakum (Corp., 2018) 33
Gambar 2.6 Titik P di material anisotropik 34
Gambar 2.7 Regangan normal 35
Gambar 2.8 Regangan geser 35
Gambar 2.9 Tensor tegangan titik P pada material anisotropik 36 Gambar 2.10 Representative Volume Element (RVE) lamina 37 Gambar 2.11 Tegangan normal dalam arah longitudinal pada RVE 39 Gambar 2.12 Pembebanan RVE dalam arah transversal 40 Gambar 2.13 Beban tegangan geser, 𝐺12 (in-plane shear stress) pada RVE 42
Gambar 2.14 Intralaminar shear, 𝜎4 43
Gambar 2.15 Transversal crack pada unidirectional lamina 46 Gambar 2.16 Komponen tegangan geser (Barbero, 2011) 47 Gambar 2.17 Tingkat (a) mikro, (b) meso, dan (c) makro-mekanik
(Barbero, 2013) 49
Gambar 2.18 Kriteria kerusakan dengan continuum damage mechanics 52 Gambar 2.19 Kurva hubungan beban – perpindahan crash dan crush 53
Gambar 2.20 Serat tunggal 57
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 60
Gambar 3.2 Peta jalan penelitian secara utuh 61
Gambar 3.3 Persiapan model simulasi 62
Gambar 3.4 Simulasi crash pada crash box Mazda CX5 63
Gambar 3.5 Perancangan crash box innovative 64
Gambar 3.6 Sifat mekanik material komposit 65
Gambar 3.7 Simulasi crash pada crash box digital 66
Gambar 3.8 Pembuatan prototipe crash box BFRC 67
Gambar 3.9 Pengujian crash box BFRC 68
Gambar 3.10 Simulasi crush pada crash box BFRC 69
Gambar 3.11 Simulasi crush pada crash box Mazda CX5 70 Gambar 3.12 Pengujian crush pada crash box Mazda CX5 71 Gambar 3.13 Konfigurasi simulasi ulang (Tarlochan et al., 2013) 73
Gambar 3.14 Posisi crash box kendaraan 74
Gambar 3.15 Bentuk crash box (Anon, 2013) 74
Gambar 3.16 Bentuk crash box Mazda CX5 75
xii Gambar 3.17 Konfigurasi dan boundary condition awal simulasi crash 75 Gambar 3.18 Model tiga dimensi crash box MAZDA CX5 76 Gambar 3.19 Partisi dan diskritisasi CAD Model crash box 76 Gambar 3.20 Las titik di (a) Crash Box, (b) CAD Model, (c) FE Model 77
Gambar 3.21 Prototipe tanpa trigger di ujungnya 79
Gambar 3.22 Prototipe dengan trigger chamfer 45o 79
Gambar 3.23 Prototipe dengan trigger step 80
Gambar 3.24 Diagram konfigurasi awal simulasi crash 82 Gambar 3.25 Model ¼ bagian crash box, a. CAD Model , b. FE Model 83
Gambar 3.26 Posisi reference point 83
Gambar 3.27 Serat bambu dalam bentuk strip 84
Gambar 3.28 Tempat penyimpanan serat (dry box) 84
Gambar 3.29 Cetakan pertama pipa PVC 85
Gambar 3.30 Cetakan kedua untuk membuat chamfer 85
Gambar 3.31 Cetakan ke tiga dari material MDS 85
Gambar 3.32 Susunan satu set cetakan 86
Gambar 3.33 Tahap pertama 86
Gambar 3.34 Tahap ke dua 87
Gambar 3.35 Pelapisan breather dan dimasukkan cetakan ke tiga 87
Gambar 3.36 Instalasi infus vakum 88
Gambar 3.37 Gelas plastik, pengaduk, dan timbangan digital 89 Gambar 3.38 Concrete compression testing machine 89
Gambar 3.39 Posisi spesimen pada awal pengujian 90
Gambar 3.40 Pemasangan dial indicator 90
Gambar 3.41 Handy-Cam Sony tipe HDR-CX405 91
Gambar 4.1 Hasil simulasi ulang profil persegi empat 92 Gambar 4.2 Hasil simulasi crash pada crash box MAZDA CX5 93 Gambar 4.3 Mekanisme perubahan bentuk crash box MAZDA CX5 94 Gambar 4.4 Hasil pengujian kuasi - statik crush pada
crash box MAZDA CX5 96
Gambar 4.5 Mekanisme kerusakan crash box MAZDA CX5 akibat uji crush 97 Gambar 4.6 Hasil simulasi crush pada crash box MAZDA CX5 98 Gambar 4.7 Perbandingan hasil simulasi dan pengujian akibat beban crush 99 Gambar 4.8 Posisi kritis kerusakan di hasil simulasi dan pengujian 100 Gambar 4.9 Kerusakaan pada posisi kitis nomor 1 100 Gambar 4.10 Kerusakan pada posisi kritis nomor 2 101 Gambar 4.11 Kerusakaan pada posisi kritis nomor 3 101 Gambar 4.12 Kerusakaan pada posisi kritis nomor 4 102 Gambar 4.13 Kerusakaan pada posisi kritis nomor 5 102 Gambar 4.14 Kerusakan pada posisi kritis nomor 6 102 Gambar 4.15 Hasil simulasi crash pada crash box BFRC dengan
chamfer 45o dan tebal 20 mm 108
xiii Gambar 4.16 Mekanisme kerusakan crash box BFRC chamfers 45o, 20 mm 109 Gambar 4.17 Hasil simulasi crush pada crash box BFRC chamfer 45o,
20 mm 110
Gambar 4.18 Prototipe crash box BFRC dibuat dengan vakum infus 111 Gambar 4.19 Prototipe crash box BFRC yang dibuat dengan cara manual 111 Gambar 4.20 Hasil pengujian crush pada BFRC yang dibuat dengan
vakum infus 112
Gambar 4.21 Mekanisme kerusakan prototipe crash box BFRC dibuat
dengan vakum infus 113
Gambar 4.21 Mekanisme kerusakan 113
Gambar 4.22 Mekanisme kerusakan di daerah elastis 114 Gambar 4.23 Mekanisme kerusakan sebelum beban 150kN 114 Gambar 4.24 Penurunan beban ke 135 kN akibat terkelupasnya matriks 115 Gambar 4.25 Peningkatan beban hingga 170 KN di perpindahan 9 mm 115 Gambar 4.26 Crack mulai terbentuk pada perpindahan 9 sampai 10 mm 116 Gambar 4.27 Tumbuhnya crack mengakibatkan beban turun menjadi
160 kN 116
Gambar 4.28 Beban puncak terjadi pada perpindahan 14 mm 117
Gambar 4.29 Penurunan beban ke nilai 120 kN 117
Gambar 4.30 Tekuk pada ujung prototipe 118
Gambar 4.31 Crack terus tumbuh hingga perpindahan 50 mm 118
Gambar 4.32 Kerusakan progressive failure 119
Gambar 4.33 Hasil pengujian prototipe yang dibuat secara manual 119 Gambar 4.34 Kerusakan prototipe yang dibuat secara manual 120 Gambar 4.35 Hasil simulasi dan pengujian crush pada crash box BFRC 121
xiv DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Ringkasan pustaka untuk tinjauan umum 19
Tabel 2.2 Ringkasan pustaka perancangan kendaraan 21 Tabel 2.3 Ringkasan pustaka komponen penyerap energi 22
Tabel 2.4 Crash box dari material logam 23
Tabel 2.5 Crash box dari lightweight materials 26
Tabel 2.6 Crash Box dari material komposit serat sintetik 28
Tabel 2.7 Crash box dari material serat alam 30
Tabel 2.8 Perbandingan notasi penyederhanaan (Barbero, 2013) 37 Tabel 3.1 Model dan profil persegi empat (Tarlochan et al., 2013) 72 Tabel 3.2 Sifat mekanik A36 mild Steel (Lacy et al., 2010) 73 Tabel 4.1 Unjuk kerja simulasi ulang crash pada profil persegi empat 93 Tabel 4.2 Hasil simulasi crash pada crash box MAZDA CX5 95 Tabel 4.3 Unjuk kerja pengujian crush pada crash box MAZDA CX5 97 Tabel 4.4 Unjuk kerja simulasi crush pada crash box MAZDA CX5 98 Tabel 4.5 Perbandingan unjuk kerja hasil pengujian dan simulasi 99 Tabel 4.6 Hasil pengujian tarik serat bambu strip 103 Tabel 4.7 Hasil pengujian tarik matriks Epoxy resin 104 Tabel 4.8 Sifat mekanik BFRC hasil perhitungan dengan CADEC 104
Tabel 4.9 Sifat mekanik material sintetik 105
Tabel 4.10 Hasil simulasi crash pada prototipe dengan material CFC 106 Tabel 4.11 Hasil simulasi crash pada prototipe komposit BFRC 107 Tabel 4.12 Unjuk kerja crash box BFRC dengan Chamfer 45o, tebal 20 mm 108 Tabel 4.13 Perhitungan unjuk kerja simulasi crush pada crash box BFRC
chamfer 45o dan tebal 20 mm 110
Tabel 4.14 Hasil pengujian quasi-static compression pada crash box BFRC 112 Tabel 4.15 Hasil perhitungan unjuk kerja prototipe kedua 120 Tabel 4.16 Unjuk kerja crush pada crash box hasil simulasi dan pengujian 122
xv DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Uji komposisi material crash box MAZDA CX5 133
Lampiran 2 Hasil pengujian bambu strip 135
Lampiran 3 Hasil pengujian matriks 141
Lampiran 4 Hasil perhitungan unjuk kerja crash box 150
xvi DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN
A : Section area
𝜶 : Coefficients of thermal expansion 𝜷 : Coefficients of moisture expansion
c : Damping
𝑪 : Stiffness tensor
𝑪𝒊𝒋𝒌𝒍 : Stiffness in index notation 𝑪𝜶,𝜷 : Stiffness in contracted notation CFE : Crash force efficiency
d : Fiber diameter D : Damage variable
𝑫́ : Damage evolution function 𝜹 : Displacement
𝜹̅ : Volume average displacement 𝜹̅𝒇 : Fiber-average displacement 𝜹̅𝒎 : Matrix-average displacements 𝜹̅𝒄 : Composite-average displacement 𝚫𝒕 : The change of time
𝚫𝑻 : The change in temperature
E : Modulus Young
𝑬𝟏 : Longitudinal modulus 𝑬𝟐 : Transversal modulus
𝑬𝟑 : Transversal-thickness modulus 𝑬𝒇 : Fiber-elastic modulus
𝑬𝒎 : Matrix-elastic modulus 𝑬𝒄 : Composite-elastic modulus 𝜺 : Strain tensor
xvii 𝜺𝒊𝒋 : Strain components in tensor notation
𝜺𝜶 : Strain components in contracted notation 𝜺̅ : Volume average strain
𝜺́ : Strain rate 𝜺𝟎 : Initial strain
𝑭𝟏𝒕 : Longitudinal tensile strength 𝑭𝟐𝒕 : Transversal tensile strength
𝑭𝟑𝒕 : Transversal - thickness tensile strength 𝑭𝟏𝒄 : Longitudinal compressive strength 𝑭𝟐𝒄 : Transversal compressive strength
𝑭𝟑𝒄 : Transversal – thickness compressive strength 𝑭𝟒 : Interlaminar shear strength in the 2-3 plane 𝑭𝟓 : Interlaminar shear strength in the 1-3 plane 𝑭𝟔 : In-plane shear strength in the 1-2 plane g : Damage activation function
G : Shear modulus
𝑮𝟏𝟐 : In-plane shear modulus 𝑮𝟏𝟑 : Interlaminar shear modulus 𝑮𝟐𝟑 : Out of plane shear modulus 𝑰𝑭 : Failure index
k : Stiffness
L : Length
𝑳𝒇 : Fiber length 𝑳𝒎 : Matrix length
𝑳𝒊𝒋 : Lagrangian strain tensor
M : Mass
𝝂 : Volume fraction
𝝊𝒊 : Volume fraction of i components 𝝊𝝊 : Void volume fraction
𝝎 : The natural frequency
xviii 𝑷𝒎𝒂𝒙 : The peak load
𝑷𝒂𝒗𝒈 : The average load 𝜼 : Viscosity
𝝆 : Density
𝝆𝒊 : Density of i components 𝝆𝒄 : Density of composite 𝝆𝒇 : Density of fibers 𝝆𝒎 : Density of matrix
s : Fiber distance in packing geometry 𝒔𝒇 : Fibers wide
S : Compliance
𝑺𝒊𝒋𝒌𝒍 : Compliance in index notation 𝑺𝜶,𝜷 : Compliance in contracted notation SEA : Specific energy absorption
t : Duration (time) 𝝈 : Stress tensor
𝝈𝒊𝒋 : Stress components in tensor notation 𝝈𝜶 : Stress components in contracted notation 𝝈̅ : Volume average stress
𝝑 : Poisson’s ratio
𝝑𝟏𝟐 : In-plane poisson’s ratio 𝝑𝟏𝟑 : Interlaminar poisson’s ratio 𝝑𝟐𝟑 : Out of plane poisson’s ratio
u : Displacement components in x-axis 𝒖𝒊 : Displacement vector components 𝒖̇ : Velocity
𝒖̈ : Acceleration
U : The energy absorbed
v : Displacement components in y-axis
V : Volume
xix 𝑽𝒊 : Volume of i components
𝑽𝒄 : Total volume of composite 𝑽𝒙, 𝑽𝒚 : Shear forces per unit length
w : Displacement components in z-axis w : Weight fraction
𝒘𝒊 : Weight fraction of i components 𝑾𝒊 : Weight of i components
𝑾𝒄 : Total weight of composite 𝝃 : Curve fitting parameter
x : X axis
y : Y axis
z : Z axis
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemanasan global yang melanda dunia saat ini, salah satu penyebabnya adalah akibat dari penggunaan energi yang kurang bijaksana (Eurobarometer, 2006).
Fenomena tersebut menyebabkan munculnya gerakan - gerakan sosial yang peduli pada lingkungan. Gerakan tersebut menuntut masyarakat dan industri lebih peduli dan ramah pada lingkungan. Dampaknya terjadi evolusi penggunaan material dari material yang berbasis fuel base menjadi material yang terbarukan, penggunaan bahan bakar secara lebih efisien dan proses pembuatan produk yang lebih ramah pada lingkungan (Conraud-koellner et al., 2009; Awad, 2011; Kalafatis et al., 1999; Straughan et al., 2014; Ali dan Ahmad, 2012; Ma dan Lu, 2013; Thakur, 2014; Szeteiová, 2010).
Sejak revolusi industri, bermunculan komunitas masyarakat kelas menengah baru. Gaya hidupnya yang unik membutuhkan sarana transportasi yang andal. Hal tersebut menyebabkan peningkatan jumlah kendaraan yang diikuti dengan peningkatan jumlah kecelakaan. Hal tersebut menyebabkan peralatan pengaman kendaraan menjadi populer dan penting. Peralatan tersebut dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu, peralatan pengaman kendaraan aktif dan pasif. Salah satu peralatan pengaman kendaraan pasif adalah crash box (Calienciug, 2012).
Peraturan tentang standar keamanan kendaraan dan perangkat keamanan jalan banyak dibuat di awal tahun 1960 di banyak negara. Hal tersebut menyebabkan industri automotif melakukan kajian secara menyeluruh pada sektor transportasi.
Kajian - kajian tersebut menyebabkan terjadinya perkembangan penelitian, perancangan, dan proses pembuatan kendaraan di industri automotif. Teori dan metode baru untuk perancangan dan pembuatan komponen kendaraan dibuat untuk memperbaiki metode yang telah ada. Salah satu contohnya adalah inovasi
dalam penggunaan struktur logam berdinding tipis pada kendaraan (Abramowicz, 2003; Živković, 2011).
Keunggulan struktur berdinding tipis tersebut disebabkan oleh faktor berat dan karakteristiknya dalam menyerap energi akibat benturan. Struktur ini membuang energi dalam bentuk lipatan - lipatan. Pengunaan struktur ini pada rangka kendaraan di antaranya sebagai A-pillar, Roof Rails, dan crash box (Gonçalves dan Ferreira, 2011; Wakeham, 2009).
Teori perhitungan penyerapan energi oleh struktur berdinding tipis pertama kali dilakukan oleh Alexander (1960) dengan model silindernya. Model perhitungan yang dibuat masih sangat sederhana meskipun dapat menjelaskan tentang fenomena lipatan yang terjadi pada eksperimen yang dilakukannya. Perkembangan selanjutnya model perhitungan tersebut diperbaiki oleh para peneliti lainnya, seperti Johnson (1972), Abramowicz dan Jones (1986), Grzebieta (1990), Wierzbicki et al. (1992), Singace dan Elsobky (1996), Karagiozova et al. (2000), dan lain-lain.
Crash box berfungsi untuk menyerap energi akibat tabrakan, sehingga dapat menurunkan laju kendaraan. Perlambatan tersebut diharapkan dapat mencegah terjadinya cedera di bagian dalam organ tubuh penumpang akibat gaya inersia yang terjadi saat kendaraan bertabrakan (Jacob et al., 2008; Saito et al., 2003).
Posisi komponen ini berada di daerah crumple zone, yang terletak di antara bumper dan face bar (Davoodi et al., 2008). Material yang digunakan untuk membuat komponen ini telah berkembang dari foam hingga material komposit.
Evolusinya dimulai dari crash box yang terbuat dari foam (Fremgen et al., 2005), mild steel (Tai et al., 2010), steel (Tarlochan et al., 2013), magnesium alloy (Marzbanrad dan Khosravi, 2014), hybrid Steel – foam (Yin et al., 2014), hybrid aluminium – foam (Pr dan Vitala, 2014), hybrid steel – glass fiber reinforced polyamide (Costas et al., 2014), sandwich panel yang kulitnya terbuat dari silk- cotton wood dan intinya terbuat dari aluminium honeycomb (Reddy et al., 2014), dan tabung persegi empat dari baja yang di isi dengan honeycomb yang terbuat dari glass-fiber reinforced polyamide (Paz et al., 2014).
Bentuknya bervariasi dari silinder, segi empat, lingkaran, elips, hingga bentuk yang tidak beraturan lainnya (Marzbanrad et al., 2009). Komponen ini mampu menyerap energi benturan dalam arah sejajar (Tai et al., 2010), menyudut (Tarlochan, 2013), maupun dalam arah yang bervariasi terhadap sumbunya.
Inovasi dalam pembuatan komponen ini terus dilakukan oleh para peneliti, seperti yang dilakukan oleh Yang dan Qi (2013) yang membuat crash box berbentuk persegi empat yang di isi dengan foam, Sharifi et al. (2015) yang meneliti kemampuan penyerapan energi circular bitubal, kemudian Qiu et al.
(2015) yang meneliti multi-cell hexagonal columns, dan lain – lain.
Penelitian dan penggunaan material komposit sintetis pada crash box saat ini banyak dilakukan oleh para peneliti. Material tersebut memiliki keunggulan yang terletak pada perbandingan berat dan kekuatannya, sehingga dapat meningkatkan efisiensi penggunaan bahan bakar kendaraan. Kelemahannya crash box tipe ini masih belum ramah lingkungan karena terbuat dari material yang tidak terbarukan (Williams dan Hall, 1992; Cui et al., 2011).
Serat alam sebenarnya sudah dimanfaatkan sejak tahun 1900-an, tetapi penelitian secara intensif pada material ini baru di awal tahun 1980-an. Saat ini, industri automotif terkenal seperti Mercedes Benz, Toyota, Volvo, dan lain-lain menggunakan material ini di setiap kendaraan yang diproduksinya, lebih kurang 20 kg. Material ini pada umumnya digunakan sebagai komponen secondary structure. Pemanfaatan serat alam untuk komponen primary structure kurang diminati karena kecenderungannya dalam menyerap air di udara bebas (Nyström, 2007).
Saat ini, sifat tersebut sudah dapat diatasi yaitu dengan perbaikan di daerah antara serat dan matriksnya. Perancangan material komposit yang diharapkan bersifat getas, maka ikatan di antara matriks dan serat dibuat kuat sekali dan sebaliknya bila diharapkan terjadi fiber pull out (Chai et al., 2009; Gamstedt dan Almgren, 2007; José da Silva et al., 2012).
Para peneliti saat ini telah menggunaan serat bambu sebagai penguat material komposit, seperti yang dilakukan oleh Pereira et al. (2015) dan Nurul Fazita et al.
(2016) yang memanfaatkannya sebagai body armor dan komponen packaging.
Pemanfaatan komposit dengan penguat serat bambu dan matriks epoxy untuk digunakan sebagai material komponen crash box, berdasarkan penelusuran di WIPO dan US Paten hingga saat ini, belum ditemukan.
Perancangan crash box dengan menggunakan metode elemen hingga telah dilakukan oleh banyak peneliti. Para peneliti tersebut di antaranya Scott dan Antonsson (1998), Moon et al. (2012), Abramowicz, (2003) serta Botkin et al.
(1998). Penggunaan perangkat lunak metode elemen hingga ini dilakukan karena proses perancangan crash box harus dilakukan dengan proses yang berulang.
Berdasarkan uraian tersebut penggunaan bahan komposit dengan penguat serat bambu untuk komponen penyerap energi belum ada yang melakukan dan berpotensi untuk dapat digunakan sebagai pengganti komponen crash box berdinding tipis yang menggunakan material logam. Tantangannya terletak pada kemungkinan material komposit serat bambu ini, apakah dapat dimanfaatkan sebagai material crash box. Apakah hasilnya dapat berkualitas minimal sama dengan komponen konvensional? Bagaimana cara membuatnya? Apakah mungkin dihasilkan komponen struktur yang ringan, murah, dan ramah lingkungan?.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas permasalahan yang ada adalah
a. Bagaimana mengetahui unjuk kerja crash box kendaraan yang ada di pasaran ? b. Bagaimana merancang crash box BFRC (Bamboo Fiber Reinforced Composite) yang dapat menggantikan crash box kendaraan yang ada di pasaran (Original Equipment Manufacture/MAZDA CX5) ?
c. Bagaimana membuat komponen crash box BFRC (Bamboo Fiber Reinforced Composite) ?
d. Bagaimana mengetahui unjuk kerja crash box BFRC ?
e. Bagaimana mengetahui prototipe crash box BFRC dapat menggantikan crash box Mazda CX5?
1.3 Keaslian Penelitian
Keaslian penelitian ini terletak pada,
a. Penggunaan serat bambu strip dengan ukuran rata-rata 210 x 10 x 1 mm yang dibuat dari tanaman bambu yang ditanam di daerah Ngoro, Kota Jombang, Jawa timur, Indonesia dengan matriks Epoxy resin tipe Bakelite EPR 174 un- modified, liquid standard epoxy resin based on bisphenol-A dan Epoxy hardener versamid 140 sebagai material crash box.
b. Proses pembuatan komposit laminasi dari serat bambu strip tanpa perlakuan kimia dan hanya dijemur pada temperatur kurang lebih 32o C. Proses curing dilakukan secara manual dan vakum infus.
c. Proses pembuatan prototipe crash box ini, dengan struktur laminasi sepuluh lapis serat bambu strip, yang disusun pada cetakan dengan gap (celah) 1 mm.
Pembuatan celah antar lapis serat bambu strip dengan karet gelang.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini diharapkan memeroleh,
a. Perhitungan unjuk kerja crash box kendaraan yang ada di pasaran.
b. Rancangan crash box BFRC (inovatif) dengan CAD yang dapat menggantikan komponen crash box kendaraan yang ada di pasaran.
c. Prototipe crash box BFRC.
d. Perhitungan dan pengujian unjuk kerja crash box BFRC.
e. Perbandingan unjuk kerja crash box BFRC dengan crash box Mazda CX5
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini bagi bangsa dan negara adalah
a. Meningkatkan kemajuan, kemandirian, dan kesejahteraan bangsa Indonesia b. Menumbuhkan usaha kecil menengah di bidang industri komponen
c. Pemanfaatan sumber daya alam dalam negeri secara optimal.
d. Bagi ilmu pengetahuan dan teknologi merupakan inovasi pengembangan produk komponen penyerap energi yang ramah lingkungan.
6 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Pustaka yang digunakan pada penelitian ini dikelompokkan dalam beberapa kategori yaitu, pustaka tentang tinjauan umum, perancangan kendaraan, komponen penyerap energi kendaraan, crash box dari logam, crash box dari lightweight material, crash box dari komposit serat sintetik, crash box dari komposit serat alam.
2.1.1 Tinjauan umum
Fenomena pemanasan global yang terjadi saat ini diperkirakan sebagai salah satu akibat dari penggunaan energi yang tidak bijaksana (Eurobarometer, 2006).
Persoalan tersebut menyebabkan munculnya gerakan sosial di masyarakat yang dikenal dengan greening marketing behavior. Gerakan ini menuntut adanya perbaikan pola hidup di masyarakat dan industri yang lebih peduli pada kelestarian lingkungan (Conraud-koellner et al., 2009; Awad, 2011; Kalafatis et al., 1999;
Straughan et al., 2014; Ali dan Ahmad, 2012).
Keberhasilan gerakan tersebut menyebabkan adanya peningkatan pemakaian material yang lebih ramah lingkungan, penghematan penggunaan bahan bakar, dan pembuatan produk dengan proses yang ramah lingkungan (Ma dan Lu, 2013;
Thakur et al., 2014; Szeteiová, 2010).
Revolusi industri menyebabkan munculnya masyarakat kelas menengah baru yang memiliki gaya hidup yang unik. Gaya hidupnya membutuhkan dukungan alat transportasi yang andal. Dampaknya jumlah kendaraan meningkat dengan tajam yang disertai peningkatan jumlah kecelakaan (Abramowicz 2003).
Hal tersebut menyebabkan peralatan keamanan kendaraan baik aktif maupun pasif berkembang menjadi peralatan yang penting. Peralatan keamanan aktif merupakan peralatan yang terintegrasi dengan kendaraan yang dapat mencegah tabrakan dengan kendaraan atau orang atau segala objek yang ada di jalan
diantaranya, Automotive brake system (Abs), Electronic stability program (Esp), Impact sensors, traction control, Bas (brake assist) atau pre-brake system.
Peralatan keamanan pasif adalah segala komponen yang ada di kendaraan yang dapat memberikan perlindungan pada penumpang pada penumpang saat terjadi tabrakan. Contohnya front, rear bumper, dan crash box yang memiliki kemampuan untuk menyerap energy saat terjadi tabrakan, pretensioner seatbelts, airbags, roll cage, dan lain-lain (Calienciug 2012).
2.1.2 Perancangan kendaraan
Pada awal tahun 1960, banyak negara membuat peraturan tentang standar keamanan kendaraan dan perangkat pengaman jalan. Negara-negara di Eropa dan Amerika membuat peraturan tentang pembuatan kendaraan harus memenuhi Euro- NCAP dan di USNCAP (The United State of America New Car Assessment Program) yang dibuat oleh National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) (Lukaszewicz 2014).
Hal tersebut telah membuat seluruh sektor industri transportasi melakukan kajian secara menyeluruh tentang proses pembuatan kendaraan dan alat pengaman transportasi yang berkualitas. Kajian – kajian tersebut menyebabkan, penelitian, metode, dan teori pembuatan kendaraan, serta alat keamanan kendaraan tumbuh berkembang dengan pesat (Abramowicz, 2003).
Prinsipnya proses perancangan kendaraan terdiri dari beberapa tahapan, yaitu preliminary design, digital mockup/clay mockup, detail design, prototyping, testing, finishing. Pada tahap preliminary design, perubahan rancangan banyak terjadi di fase ini, akibatnya biaya perancangan menjadi tidak terkendali (Scott dan Antonsson, 1998). Salah satu cara untuk menurunkan biaya produksi saat proses perancangan di tahap ini dapat dilakukan dengan menggunakan engineering tools seperti Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Engineering (CAE).
Inti perancangan kendaraan menurut Scott dan Antonsson (1998), pada umumnya terletak pada rekayasa rangka. Rangka kendaraan berfungsi sebagai tempat komponen dan panel eksterior berada. Variasi rangka kendaraan menurut Wakeham (2009), Gonçalves dan Ferreira (2012) terdiri dari Ladder frame, Space frame, Backbone, Lotus tub, dan monocoque.
Struktur rangka kendaraan yang berdinding tipis dari material logam banyak digunakan pada saat ini. Keunggulan struktur tipe ini, ringan dan memiliki kemampuan yang unik dalam penyerapan energi saat terjadi benturan. Energi yang terjadi saat benturan dibuang dalam bentuk lipatan - lipatan.
Mode kerusakan pada struktur berdinding tipis yang berbentuk silinder dapat dikelompokkan menjadi asymmetrically, non-asymmetrically, dan mixed mode.
Asymmetrically yang dikenal juga dengan concertina/ring mode sedangkan non- asymmetrically dikenal dengan diamond mode, yang tergantung pada perbandingan diameter dan ketebalannya (D/h). Mode kerusakan mixed mode merupakan gabungan dari keduanya.
Pada struktur berdinding tipis yang berbentuk persegi empat bila mengalami pembebanan dalam arah sejajar sumbunya akan mengalami kerusakan dalam dua mode yaitu compact atau non-compact mode yang tergantung pada perbandingan lebar sisi dan ketebalan strukturnya dan dinyatakan dengan c/h (Lu dan Tongxi, 2003).
2.1.3 Komponen penyerap energi
Struktur rangka kendaraan yang berdinding tipis di antaranya A-pillar, roof rails, front end, rear end, dan crash box. Bentuknya bervariasi yang terdiri dari silinder, segi empat, lingkaran, dan bentuk yang tidak beraturan lainnya (Marzbanrad et al., 2009).
Komponen tersebut berfungsi sebagai tempat komponen eksterior dan sebagai alat penyerap energi benturan, terutama yang berada di daerah crumple zone.
Crumple zone merupakan daerah di kendaraan yang berfungsi untuk menyerap energi akibat benturan saat terjadi tabrakan. Posisinya terletak di bagian depan, belakang, dan samping kendaraan (Wikipedia, 2018).
Salah satu komponen penyerap energi yang ada di daerah crumple zone adalah crash box. Crash box merupakan salah satu alat keamanan pasif kendaraan yang berfungsi untuk memperlambat laju kendaraan saat terjadi tabrakan dengan benda bergerak atau benda diam. Posisinya terletak di antara reinforcement beam bumper dan face bar (Davoodi et al., 2008; Calienciug, 2012).
Peristiwa tabrakan di antara kendaraan dengan kendaraan lain atau dengan benda diam menurut Saito et al. (2003) akan menyebabkan gangguan di ruang kabin penumpang. Gangguan tersebut merupakan interaksi di antara kecepatan, masa, dan kekakuan atau bentuk kendaraan.
Kendaraan yang melaju dengan kecepatan 15,5 m/s (35 mph), menurut Jacob et al. (2008) strukturnya akan dapat mencegah cedera pada organ dalam penumpang di kabin, bila struktur tersebut dapat memperlambat laju kendaraan hingga kurang dari 20 G, artinya struktur kendaraan yang berfungsi sebagai alat keamanan pasif dapat membuang energi kinetik tabrakan sehingga laju kendaraan menjadi lebih lambat hingga dibawah 20 G.
2.1.4 Crash box dari material logam
Penelitian tentang penyerapan energi struktur berdinding tipis pertama kali dilakukan oleh Alexander (1960) dengan model berbentuk silinder sederhana yang mengalami pembebanan dalam arah sejajar sumbunya. Teori yang dikembangkan masih sangat sederhana tetapi sudah dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena lipatan yang terjadi pada eksperimen yang dilakukan.
Bentuk model yang dibuat oleh Alexander dalam penelitiannya seperti dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Bentuk Alexander model (Lu dan Tongxi, 2003)
Notasi :H adalah setengah lipatan, D adalah diameter tabung silinder, h adalah tebal, tabung silinder, P adalah beban tekan, s adalah setengah H, 𝜃 adalah sudut lipatan, dan Y adalah yield stress materials.
Berdasarkan model tersebut Alexander mendapatkan rumusan untuk menghitung gaya luar rata-rata untuk menghasilkan satu lipatan, 𝑃𝑎𝑣𝑔 sesuai Persamaan (2.1)
𝑃𝑎𝑣𝑔≈ 6 𝑌 ℎ √𝐷ℎ (2.1)
Johnson (1972) menyatakan bahwa persamaan yang dibuat oleh Alexander tersebut kurang tepat karena energi regangan yang terjadi nilainya bervariasi sepanjang penampangnya.
Abramowicz dan Jones (1986) juga memperbaiki rumusan tersebut karena menurut mereka dinding tabung silinder mengalami tekuk ke arah meridian tidak lurus, sehingga effective crush length, 𝛿𝑒 besarnya seperti Persamaan (2.2)
𝛿𝑒
2𝐻 = 0.86 − 0.52 (ℎ
𝐷)1 2⁄ (2.2)
Gaya rata-ratanya dinyatakan seperti Persamaan (2.3)
𝑃𝑎𝑣𝑔= 8.91 𝑌 ℎ √𝐷 ℎ [1 − 0.61√ℎ𝐷] (2.3)
Wierzbicki et al. (1992) memperkenalkan parameter eccentricity factor.
Nilainya berdasarkan hasil eksperimen sebesar 0,65. Berdasarkan nilai ini beban puncak kedua beserta lipatannya dapat ditentukan.
Singace dan Elsobky (1996) memperbaiki apa yang telah dilakukan oleh Wierzbicki. Cara perbaikan yang dilakukan dengan menguji ulang dengan memperhitungkan sudut kritis yang diperlukan untuk menghasilkan lipatan keluar dan ke dalam.
Karagiozova et al. (2000) dengan memperhitungkan pengaruh strain-rate dan inersia serta berdasarkan hubungan Cowper-Symonds Persamaan (2.1) bentuknya berubah menjadi Persamaan (2.4).
𝑃𝑎𝑣𝑔= 6 𝑌 ℎ √𝐷 ℎ [1 + (2𝐷𝑉0)𝑞] (2.4)
Notasi 𝑉𝑜 adalah kecepatan awal dan q adalah konstanta material dengan nilai 5 untuk mild steel.
Guillow et al. (2001) melakukan pengamatan pada pengujian tekan sejajar sumbu tabung silinder berdinding tipis. Hasilnya perbandingan beban puncak terhadap beban rata-rata meningkat dengan peningkatan perbandingan diameter dan ketebalan dinding, D/t.
Abramowicz (2003) perancangan crash box berdinding tipis dilakukan dengan proses berulang karena memerlukan perhitungan secara bertahap. Penggunaan peralatan komputasi menjadi tidak dapat dihindari. Perangkat lunak CRASH CAD digunakan di awal perancangan crash box yang dilakukan serta dengan berdasarkan pada teori teori plastic shell dengan metode Super folding (SE) .
Marzbanrad et al. (2009) melakukan penelitian penyerapan energi akibat pembebanan sejajar sumbu crash box yang terbuat dari logam dengan bentuk yang bervariasi yaitu silinder, elips, dan persegi empat secara numerik. Hasil penelitiannya menunjukkan bentuk elips memiliki kemampuan penyerapan energi yang terbaik.
Tai et al. (2010) melakukan penelitian penyerapan energi pada logam dengan arah pembebanan sejajar sumbu komponen penyerap energinya. Qiu et al.( 2015) melakukan penelitian penyerapan energi pada logam dengan arah pembebanan dari arah yang bervariasi.
Moon et al. (2012), melakukan perancangan crash box dengan perangkat lunak PAM-Crash. Prosesnya di awali dengan memodelkan sebagai elemen pegas satu dimensi (1D spring element model) dan kemudian dilanjutkan secara detail berdasarkan hasil impact test.
Simulia (2012) dan Indermuehle et al. (2009) menyatakan simulasi crash dan crush harus menggunakan formulasi non-linier explicit dynamic. Pemodelan kerusakan yang terjadi pada material logam akibat beban crash dan crush dapat
dilakukan dengan menggunakan build in VUMAT subroutine ataupun user defined VUMAT subroutine.
Tarlochan et al. (2013) melakukan penelitian komputasi dynamic compression pada struktur berdinding tipis dengan penampang yang berbeda. Material yang digunakan mild steel A36, sedangkan pemodelan plastisitas menggunakan Johnson – Cook model. Jenis pembebanan sejajar dan menyudut terhadap sumbunya.
Perangkat lunak yang digunakan ABAQUS dengan formulasi non-linier explicit dynamic. Indikator unjuk kerja yang diperoleh berupa peak load, 𝑃𝑀𝐴𝑋 (𝑘𝑁), displacement,𝛿 (𝑚𝑚), energy absorption, 𝑈 (𝑘𝐽), Average Load, 𝑃𝑎𝑣𝑔(𝑘𝑁), Specific energy absorption, 𝑆𝐸𝐴 (𝑘𝐽
𝑘𝑔), dan crash force efficiency, 𝐶𝐹𝐸.
2.1.5 Crash box dari lightweight materials
Para peneliti terus melakukan inovasi untuk memeroleh peralatan penyerap energi yang optimal. Inovasi tersebut, di antaranya seperti yang dilakukan oleh, Fremgen et al. (2005) yang melakukan penelitian kemampuan penyerapan energi material foam, plastik dan polymer serta pemodelan dengan menggunakan metode elemen hingga.
Marzbanrad dan Alijanpour, et al. (2009) meneliti material aluminium sebagai penyerap energi dan kemampuannya terhadap beban impak.
Tarlochan (2013) melakukan studi kemungkinan penggunaan material magnesium sebagai penyerap energi. Tabung dari magnesium dengan penampang yang bervariasi dibebani dalam arah sejajar dan tidak sejajar sumbunya. Indikator unjuk kerja yang diukur meliputi total penyerapan energi dan efisiensinya. Hasilnya total penyerapan energi 9.8 kJ, dan CFE 0.68 untuk pembebanan tidak sejajar sumbu, sedangkan pada pembebanan sejajar sumbu 14.5 kJ dan 0.41 pada tabung hexagonal dengan ketebalan 2 mm. Analisis dilakukan menggunakan perangkat lunak ABAQUS dengan formulasi non-linier explicit dynamic.
Yang dan Qi (2013) melakukan optimalisasi penyerapan energi profil Aluminium AA6063 T6 persegi empat dari yang di isi dengan foam dan tanpa foam.
Tipe pembebanan tidak sejajar sumbu profil. Analisis dengan finite element code
LS-Dyna. Hasilnya kemampuan profil yang di isi foam lebih baik, tetapi profil yang tanpa foam memiliki ruang untuk meningkatkan kemampuan penyerapan energi akibat beban tidak sejajar sumbu profil.
Marzbanrad dan Khosravi (2014) melakukan penelitian optimalisasi ukuran awal groove yang digunakan untuk inisiasi kerusakan akibat tabrakan dalam arah sejajar sumbu struktur yang terbuat dari baja karbon rendah. Analisis dilakukan dengan non-linier finite element code LS-Dyna. Hasilnya kedalaman groove 4,5 mm dan jari-jari 10 mm merupakan ukuran yang paling optimal.
Yin et al. (2014) meneliti kemampuan struktur multi (FMTS) dan single sel berdinding tipis yang di isi foam. Penelitian menggunakan perangkat lunak LS- Dyna dengan formulation code explicit dynamic. Hasilnya menunjukkan FMTS dengan sembilan sel berpotensi untuk digunakan sebagai bodi kendaraan di masa depan.
Sunil dan Vitala (2014) meneliti tentang penyerapan energi tabung silinder dari aluminium kosong dan di isi dengan foam dan hasilnya dibandingkan dengan eksperimen dan teori yang ada.
Costas et al. (2014) melakukan penelitian kemampuan penyerapan energi pada frontal crash absorber yang terbuat dari steel dan glass fiber reinforced polyamide.
Paz et al. (2014) melanjutkan apa yang telah dilakukan oleh Costas et al. (2014) yaitu menganalisa tabung dengan profil berbentuk persegi empat yang terbuat dari steel yang di isi dengan struktur honeycomb yang terbuat dari glass-fiber reinforced polyamide menggunakan teknik surrogate.
Sharifi et al. (2015), melakukan eksperimen kemampuan penyerapan energi pada bitubal circular crash box yang terbuat dari Aluminium AL-6063-O. Hasilnya menunjukkan kemampuan penyerapan energi yang diperoleh dipengaruhi oleh ketebalan, interaksi di antara tabung silinder, serta diameternya.
Qiu et al. (2015), melakukan penelitian penyerapan energi struktur multi-cell hexagonal columns.
2.1.6 Crash box dari komposit serat sintetis
Penggunaan material komposit untuk pembuatan komponen crash box menarik karena rasio berat dan kekuatannya, sehingga berpotensi untuk dapat menurunkan
berat kendaraan. Dampaknya dapat menurunkan konsumsi bahan bakar kendaraan.
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Cui et al. (2011), penurunan berat kendaraan sebesar 57 kg, dapat menurunkan emisi gas buang sebesar 0,09 – 0,21 per liter bahan bakar.
Pemanfaatan material komposit sintetis untuk pembuatan komponen interior maupun eksterior kendaraan telah dilakukan oleh industri automotif. Kekurangan material ini terletak pada harganya yang mahal dan merupakan material yang tidak terbarukan (Williams dan Hall, 1992).
Mamalis et al. (1996) melakukan penelitian evaluasi kerusakan dalam sekala makroskopis, bentuk kerusakan pada sekala mikroskopis, dan kemampuan penyerapan energi pada rangka yang terbuat dari Glass fiber vinyl ester composite.
Mamalis et al. (1997) melakukan kajian ulang kemampuan penyerapan energi pada material komposit.
Botkin et al. (1998) melakukan pemodelan material komposit polymer dengan menggunakan perangkat lunak LS-Dyna dengan menggunakan shell element untuk memperpendek proses perancangan, menurunkan biaya produksi, dan mengetahui perilaku material tersebut saat mengalami pembebanan crush maupun crash.
Bentuk mode kerusakan material komposit seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kerusakan akibat crash pada material komposit
Velmurugan (2003) mempelajari tentang progressive failure mode dan kemampuan penyerapan energi pada shell conical core yang di isi dengan polyurethane foam.
Lukaszewicz (2013) meneliti tentang bentuk kerusakan akibat benturan dengan kecepatan tinggi pada crash box yang terbuat dari logam dengan yang terbuat dari material komposit berbeda. Pada logam bentuk kerusakannya berupa lipatan – lipatan, sebaliknya berupa progressive failure dengan mode splaying dan fragmentation.
Espinosa et al. (2015) melakukan penelitian kemampuan penyerapan energi basalt fiber composite dibandingkan dengan e-glass fiber composite. Hasilnya SEA E-glass fiber composite sekitar 30kJ/kg, sedangkan mekanisme kerusakannya relatif stabil dibandingkan basalt fiber composite.
Hussein et al. (2016) meneliti tentang pembebanan sejajar sumbu pada Aluminium honeycomb-filled Square carbon fiber reinforced plastic dan hollow CFRP. Hasil penelitiannya hollow CFRP dengan panjang 100 mm mengalami catastrophic failure, sedangkan Aluminium honeycomb-filled Square carbon fiber reinforced plastic mengalami splaying progressive failure dan transversal shearing failure.
Pemodelan material komposit dengan perangkat lunak ABAQUS menurut Barbero (2013) dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu, macro-mechanics, meso- mechanics, dan micro-mechanics.
Kerusakan pada material komposit akibat crush maupun crash dapat dimodelkan di perangkat lunak ABAQUS dengan menggunakan build in user subroutine VUMAT. Tipe elemen yang dapat digunakan pada pemodelan kerusakan dengan build in VUMAT ini terbatas hanya continuum shell element (SC8R) sedangkan pada elemen tiga dimensi (3D) harus menggunakan user subroutine VUMAT (Abaqus, 2011).
2.1.7 Crash box dari komposit serat alam
Penelitian komposit dengan penguat serat alam sebenarnya sudah dilakukan sejak tahun 1900, tetapi para peneliti baru mengkaji secara intensif pada akhir tahun
1980-an. Material ini diharapkan dapat menggantikan komposit glass fiber atau serat sintetis lainnya, yang tergantung pada sumber yang tidak dapat terbarukan, selain itu glass fiber harganya mahal ($3,25 per kg). Serat alam harganya murah kurang dari $0,5 per kg, lebih ringan dari glass fiber dengan massa jenis 1,15 – 1,5 g/cm3 sedangkan glass fiber 2,4 g/cm3. Kelemahan serat alam karena kekuatannya yang sangat rendah dibandingkan glass fiber, kecenderungan menyerap air saat kontak langsung dengan lingkungan, wettability yang rendah dibandingkan glass fiber. Persoalan tersebut saat ini sudah dapat diatasi dengan beberapa teknik di antaranya mercerization dengan alkaline, dengan silanes sebagai coupling agent dan acetylation (Nyström, 2007).
Pembuatan komposit dengan penguat serat alam dapat dilakukan dengan teknik yang sederhana seperti hand layup hingga cara yang kompleks seperti dengan Vacuum Assisted Resin Transfer Moldings (VARTM) atau Seeman Composite Resin Infusion Moldings Process (Symington et al., 2008).
Prediksi sifat mekanik material komposit untuk data simulasi dapat dihitung dengan menggunakan perangkat lunak Computer Aided Design Environment for Composites (CADEC) (Wikipedia, 2012; Adumitroaie dan Barbero, 2012;
Adumitroaie dan Barbero, 2011; Barbero et al., 2013; Martinez dan Barbero, 2014).
Sifat mekanik komposit serat alam dapat diketahui dengan cara lain, yaitu dengan melakukan pengujian seperti uji tarik, tekan, tekuk, dan impak. Pengujian tersebut dilakukan menggunakan standar ASTM D3039 untuk uji tarik, ASTM D790 untuk uji tekuk, dan ASTM A370 untuk uji impak (Kumaresan et al., 2015).
Yan dan Chouw (2013) melakukan studi eksperimental dan pengamatan kemampuan penyerapan energi tabung silinder yang terbuat dari flax fiber reinforced epoxy composite. Geometri spesimen yang diuji berdiameter dalam 36, 54, dan 82 mm sedangkan perbandingan panjang dan diameternya 1, 1,5, dan 2.
Hasilnya menunjukkan spesimen ini dapat digunakan sebagai komponen penyerap energi.
Kemampuan material komposit serat bambu (Dendrocalamus giganteous Munro) yang ditanam di perkebunan the Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio) dengan matriks diglycidyl ether of the bisphenol-A (DGEBA) epoxy
resin di evaluasi oleh Pereira et al. (2015) pada penelitian penyerapan energi balistik berkecepatan tinggi yang ditembakkan ke body armor yang terbuat dari material komposit hibrida logam dan bambu epoxy resin. Hasil penelitiannya menunjukkan material komposit serat bamboo-epoxy resin mampu menggantikan bahan konvensional yang terbuat dari aramid.
Nurul Fazita et al. (2016) melakukan penelitian penggunaan komposit serat bambu dengan matriks Polylactic Acid untuk kemasan produk. Hasil pengamatan yang dilakukan meliputi ketahanan impak, kemampuan untuk didaur ulang, biodegradability, dan dapat digunakan sebagai komponen packaging.
Apolinario et al. (2016) meneliti tentang penyerapan air oleh flax fiber composite dan membandingkannya dengan glass fiber composite. Hasilnya flax fiber composite menyerap air jauh lebih besar. Sifat mekaniknya berubah, modulus tariknya berkurang 37%, ultimate stress meningkat 34%. Perlakuan dengan silanes menyebabkan penyerapan air menurun 9%, modulus tariknya meningkat 22%.
Studi pengaruh triggering pada crash box yang terbuat dari GFRP dievaluasi oleh Hussain et al. (2017). Hasil pengamatannya menunjukkan beban puncak pada crash box tanpa trigger paling tinggi, sedangkan kemampuan penyerapan energinya paling rendah. Triggering menyebabkan pola perubahan bentuk menjadi teratur.
2.1.8 Ringkasan tinjauan pustaka
Berdasarkan uraian di atas dan berdasarkan penelusuran di WIPO dan US paten belum ada yang menggunakan material ini untuk membuat crash box, sehingga dapat diambil kesimpulan keaslian penelitian ini terletak pada,
a. Penggunaan serat bambu strip dengan ukuran rata-rata 210 x 10 x 1 mm yang dibuat dari tanaman bambu yang ditanam di daerah Ngoro, Kota Jombang, Jawa timur, Indonesia dengan matriks Epoxy resin tipe Bakelite EPR 174 un- modified, liquid standard epoxy resin based on bisphenol-A dan Epoxy hardener versamid 140 untuk membuat crash box.
b. Komposit laminasi dibuat dengan serat bambu strip yang tidak mengalami perlakuan kimia apapun dan sebelum digunakan serat bambu dijemur pada temperatur kurang lebih 32o C. Proses curing dilakukan secara manual dan dengan vakum infus.
c. Proses pembuatan prototipe crash box ini, dengan struktur laminasi sepuluh lapis serat bambu strip, yang disusun pada cetakan dengan gap (celah) 1 mm.
Pembuatan celah antar lapis serat bambu strip dengan karet gelang.
Ringkasan pustaka yang digunakan seperti pada Tabel 2.1, Tabel 2.2, Tabel 2.3, Tabel 2.4, Tabel 2.5, Tabel 2.6, dan Tabel 2.7.
Tabel 2.1 Ringkasan pustaka untuk tinjauan umum
No. Tahun Authors Publised/Jurnal Hasil Penelitian
1 1999 Kalafatis Journal of Consumer Marketing Moral dalam berperilaku terhadap produk yang eco-friendly
2 2003 Ma dan Lu
Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress, Lecture Notes in Electrical Engineering 196,
Pembuatan produk yang lebih baik dengan penggunaan life cycle methods dengan evaluasi dari segi ekonomi, pemilihan material ringan dan teknologi.
3 2003 Abramowicz Thin-Walled Structures Struktur berdinding tipis untuk alat keamanan kendaraan.
4 2006 Eurobarometer Special report Eurobarometer in energy issue
Eropa terdiri dari 25 negara dan mengonsumsi 450 juta energi. Peningkatan penggunaan energi 1-2% per tahun. lebih dari 80% energi yang digunakan berbasis fossil fuels - gas, oil dan coal. Dalam 10 tahun akan menggunakan lebih dari 10% energi.
5 2009 Conrad-
Koeller iBusiness, 2009
Studi tentang green behavior dengan harapan adanya perubahan perilaku setiap individu yang lebih ramah lingkungan.
6 2011 Awad Journal of Islamic Marketing Studi tentang green marketing consumer
