ANALISA RESPON HARMONIK STRUKTUR POROS PROPELLER KAPAL MENGGUNAKAN ANSYS WORKBENCH 14.5
Wahyu Nirbito
1),, Triwahyu Rahmatu Januar
1)*1)Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia
*Kontak penulis Tel: +62 85691367064 E-mail: triwahyu.rj@gmail.com
Abstrak
Analisa getaran pada struktur poros propeller kapal adalah suatu permasalahan yang cukup kompleks. Selain daripada struktur sistem propulsi kapal yang rumit, kondisi operasi yang dialami poros juga berpengaruh terhadap eksitasi yang diterima poros tersebut.. Dengan hadirnya metode elemen hingga, analisa getaran pada poros propeller kapal dapat dilakukan dengan mudah, cepat, dan akurat. Dengan lingkup permasalahan yang diteliti dapat berupa analisa frekuensi natural struktur, dan juga respon harmonik akibat pembebanan yang diterima struktur tersebut.
Dari analisa frekuensi natural (modal analysis) didapatkan nilai frekuensi natural 3 mode awalnya adalah sebesar 43.875 Hz, 82.12 Hz, dan 91.112 Hz. Sedangkan dalam analisa Harmonic Response menunjukan faktor dari pembebanan torsional mempunyai pengaruh yang lebih besar di bandingkan dengan pembebanan longitudinalnya dengan nilai deformasi yang dihasilkan sebesar 3.58 mm berbanding 0.23 mm pada kondisi kecepatan maksimum operasinya (942 RPM atau 15.7 Hz), Sedangkan untuk pembebanan kombinasi longitudinal dan torsional menghasilkan nilai deformasi sebesar 3.605 mm dengan nilai tegangan sebesar 150.79 Mpa, dan memenuhi batas tegangan yang diijinkan sebesar 158.824 Mpa.
Kata kunci : Sistem Propulsi Kapal, Metode Elemen Hingga, Modal Analysis, Harmonic Response, Safety Factor.
PENDAHULUAN 1. Latar Belakang
Setiap struktur yang mempunyai massa dan elastisitas tidak akan pernah luput dari permasalahan getaran. Ketika sebuah sistem di pengaruhi oleh eksitasi harmonic paksa, maka system tersebut akan bergetar sesuai dengan frekuensi eksitasinya. Sebuah kondisi yang harus di hindari dalam permasalahan getaran adalah terjadinya resonansi, dimana resonansi bisa terjadi apabila sebuah sistem menerima eksitasi yang nilainya sama dengan frekuensi natural sistem tersebut.
Pada kasus getaran pada poros propeller kapal, eksitasi pada poros propeller kapal berupa pembebanan yang diterimanya tidak bisa dipisahkan antara pembebanan longitudinal dan torsionalnya, karena pada dasarnya pembebanan longitudinal berupa gaya dorong yang digunakan untuk menggerakan kapal timbul akibat pembebanan torsional berupa momen
torsi yang di hasilkan oleh propeller kapal saat beroperasi.
2. Perumusan Masalah
• Apakah yang dimaksud dengan frekuensi natural, dan bagaimanakah cara menghitung frekuensi natural getaran pada struktur poros propeller sistem propulsi kapal menggunakan metode elemen hingga.
• Bagaimanakah cara menghitung nilai pembebanan yang di terima poros propeller ketika sedang beroperasi.
• Bagaimanakah pengaruh kondisi poros propeller kapal ketika menerima pembebanan dalam arah longitudinal dan torsional secara terpisah, adakah perbedaan mencolok yang terjadi akibat kedua jenis pembebanan itu.
• Bagaimanakah pengaruh kondisi poros propeller kapal ketika menerima pembebanan kombinasi dalam arah longitudinal dan torsionalnya.
• Bagaimanakah kondisi poros propeller kapal ketika menerima pembebanan pada saat kecepatan operasinya.
• Apakah terjadi resonansi pada sistem propulsi kapal tersebut, dan kondisi seperti apakah yang di alami poros ketika mengalami pembebanan dalam kondisi resonansi.
• Berapakah nilai safety factor poros propeller kapal ketika menerima pembebanan pada saat beroperasi.
3. Tujuan Penelitian
• Mengaplikasikan metode elemen hingga untuk menghitung nilai frekuensi natural sistem propulsi kapal.
• Mengaplikasikan metode elemen hingga untuk mengetahui kondisi poros propeller kapal ketika menerima pembebanan pada saat beroperasi.
• Mengaplikasikan metode elemen hingga untuk mengetahui pengaruh masing-masing jenis pembebanan pada poros propeller kapal ketika sedang beroperasi
• Mengaplikasikan metode elemen hingga untuk mengetahui dampak yang terjadi ketika sebuah sistem bekerja dalam pengaruh pembebanan pada kondisi resonansi.
• Mengetahui nilai safety factor poros propeller kapal akibat pembebanan yang di berikan, dan membandingkannya dengan ketentuan yang telah ditetapkan.
4. Batasan Penelitian
• Objek yang dianalisa adalah struktur poros propeller kapal crewboat yang memiliki panjang 5.08 m.
• Pembebanan pada poros dianggap konstan.
• Pembebanan dalam arah longitudinal hanaya difokuskan akibat gaya dorong yang dihasilkan propeller kapal.
• Pembebanan dalam arah torsional hanya difokuskan akibat momen torsi yang dihasilkan propeller kapal.
• Perangkat lunak elemen hingga yang digunakan adalah Ansys Workbench 14.5.
TINJAUAN PUSTAKA
• Daya Propulsi dan Pembebanan pada Poros
Daya efektif (Pe) adalah besarnya daya yang di butuhkan untuk mengatasi gaya hambat dari badan kapal (hull), agar mampu bergerak dari satu tempat ke tempat lain dengan kecepatan servis sebesar Vs. Daya efektif ini merupakan fungsi dari besarnya gaya hambat total dan kecepatan kapal. Untuk mendapatkan besarnya daya efektif kapal, dapat di gunakan persamaan berikut :
Pe = Rt . Vs Dimana :
Pe : Daya efektif kapal (watt) Rt : Hambatan total kapal (N) Vs : Kecepatan servis kapal (m/s)
Daya dorong (Pt) adalah besarnya daya yang di hasilkan oleh kerja dari alat-alat penggerak kapal (propulsor) untuk mendorong badan kapal. Daya dorong merupakan fungsi dari gaya dorong dan laju dari aliran fluida yang terjadi saat alat gerak kapal bekerja. Adapun persamaan daya dorong dapat di tuliskan sebagai berikut :
PT = T Va Dimana :
PT : Daya dorong/Thrust power (Watt) T : Gaya dorong (Newton)
Va : Kecepatan air yang mengalir ke propeller
Va = Vs ( 1 – W )
Vs : Kecepatan kapal (m/s)
W : Fraksi arus ikut (wake fraction)
Daya yang di salurkan adalah istilah yang di gunakan untuk menggambarkan daya yang di serap oleh baling-baling kapal untuk menghasilkan daya dorong kapal sebesar Pt,
atau dengan kata lain Pd adalah daya yang di salurkan oleh motor penggerak ke baling-baling kapal (propeller) yang kemudian di rubah menjadi daya dorong kapal (Pt). Variabel yang berpengaruh pada daya ini adalah torsi yang di salurkan dan putaran baling-baling, sehingga persamaan untuk menghitung Pd adalah sebagai berikut :
Pd = 2π Q n Dimana :
Pd = Daya yang di salurkan (watt) Q = Momen torsi baling-baling (N.m) n = Putaran baling-baling (per detik)
• Frekuensi Natural
Setiap sistem dengan elemen yang menyimpan energi akan mempunyai frekuensi pribadi tertentu. Setip massa yang bergerak akan mempunyai energi kinetik, dan setiap pegas selalu menyimpan energi potensial.
Ketika sistem bergerak, maka akan terjadi perubahan energy potensial menjadi energi kinetik ataupun sebaliknya. Poros termasuk ke dalam elemen mesin jenis ini, berputar dengan kecepatan tertentu dan terdefleksi secara torsional, aksial, dan bending.
Jika elemen mesin di bebani dengan beban dinamik, maka poros tersebut akan bergetar sesuai eksitasi yang di terimanya. Sedangkan ketika poros di beri beban transien, maka poros itu akan bergetar sesuai dengan frekuensi pribadinya, dan di sebut getaran bebas. Elemen mesin yang di beri beban dinamik, seperti beban sinusoidal, akan bergetar terus pada frekuensi pembebanan. Jika frekuesi pembebanan tersebut mempunyai nilai yang sama dengan frekuensi pribadinya, maka system akan mengalami resonansi.
Resonansi adalah kondisi yang harus di hindari pada saat sistem beroperasi, hal ini di sebabkan karena ketika sebuah system mengalami resonansi maka system itu akan mempunyai nilai amplitudo yang besar dan dapat merusak elemen dari mesin tersebut.
• Getaran Harmonik
Ketika sebuah sistem di pengaruhi oleh eksitasi harmonic paksa, maka system tersebut akan bergetar sesuai dengan frekuensi eksitasinya. Sumber eksitasi pada mesin-mesin yang berputar bisa di akibatkan akibat adanya
ketidak seimbangan pada system tersebut, gaya- gaya yang di hasilkan mesin, ataupun pengaruh lain yang bergantung pada kondisi operasi mesin tersebut. Eksitasi ini mungkin tidak di inginkan apabila dampak yang di hasilkan bisa mengganggu keamanan struktur tersebut, seperti nilai amplitudo getaran yang terlalu berlebihan.
Pada kasus getaran pada poros propeller kapal, eksitasi yang di terima poros tidak bisa di pisahkan antara eksitasi berupa beban torsional dan longitudinal yang terjadi. Namun kebanyakan analisa yang sudah di lakukan memisahkan kedua jenis eksitasi tersebut. Oleh karena itu, dalam kasus ini akan d analisa pengaruh dari eksitasi yang di terima poros dalam 3 kategori, yaitu eksitasi berupa pembebanan longitudinal, torsional, dan kombinasi dari kedua pembebanan tersebut.
• Safety Factor
Safety Factor adalah faktor yang dimasukan untuk dijadikan kompensasi pada suatu desain bila terjadi beban yang berlebihan dari yang diperbolehkan. Tujuan dibuatnya safety factor semata-mata karena keterbatasan manusia dalam memprediksi apa yang akan terjadi pada desain dan tidak terjadi kegagalan instan bila ada beban yang berlebihan.
Menurut D.G Ullman Safety Factor dibagi menjadi 5 faktor besar, yaitu material properties factor, stress factor, geometry factor, failure analysis factor, and desired reliability factor, di mana setiap faktor memiliki nilai tersendiri sesuai dengan definisinya.
FS = FS material • FSstress • FS geometry • FS failure analysis • FS reliability
METODOLOGI
• Data Ukuran Utama Kapal
Deskripsi Nilai
Panjang total (LOA) 35.1 m
Lebar (B) 7 m
Tinggi (H) 3.4 m
Draft (T) 1.5 m
Kecepatan dinas (Vs) 25 knot
Panjang poros 5.08
• Pemodelan Sistem Propulsi
Permodelan dilakukan menggunakan perangkat lunak Autodesk Inventor 2013, dan selanjutnya dikonversikan ke perangkat lunak Ansys Workbench 14.5.
Gambar. Pemodelan Sistem Propulsi
• Meshing
Untuk menganalisa suatu permodelan metode elemen hingga melakukan proses diskritisasi (meshing), yaitu dengan membagi struktur permodelan tersebut menjadi elemen- elemen kecil (elemen hingga) yang terhubung oleh titik-titik atau nodes yang di pakai oleh elemen-elemen tersebut sebagai batas dari struktur objek.
Gambar. Proses Meshing
• Perhitungan Nilai Pembebanan Poros
Gambar. Grafik Kecepatan-Hambatan Lambung Kapal
Grafik di atas menunjukan nilai hambatan kapal dalam variasi kecepatan, dari nilai hambatan tersebut bisa di hidung daya –daya propulsi kapal yang sedang di analisa dan juga nilai pembebanan yang di terima struktur poros.
Nilai hambatan pada kecepatan 25 Knot adalah sebesar 232.31 kN, sehigga di dapat daya propulsi dengan nilai :
No Deskripsi Nilai (kW)
1 Pe 994.93
2 Pt 795.95
3 Pd 1281.72
Dari data daya propulsi bisa di peroleh gaya dorong yang di hasilkan propeller dan momen torsi yang di terima poros dengan nilai :
No Deskripsi Nilai 1 Gaya Dorong 116880 N 2 Momen Torsi 13000 Nm
• Alur Simulasi
Simulasi akan dilakukan dengan alur seperti gambar di bawah ini :
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30
Hambatan (kN)
Kecepatan (knot)
Gambar. Skema Projek Simulasi
Pada Modal Anlaysis akan dicari frekuensi natural tiga mode awal system, sedangkan analisa Harmonic Response digunakan untuk mencari kondisi struktur poros propeller akibat pengaruh pembebanan yang diberikan.
1. Modal Analysis
Gambar. Detail Pengturaan Modal Analysis
Gambar. Skema Perletakan Support
2. Harmonic Reponse
Gambar. Detail Pengaturan Harmonic Response
• Pembebanan Longitudinal
Gambar. Skema Pembebanan Longitudinal
• Pembebanan Torsional
Gambar. Skema Pembebanan Torsional
• Pembebanan Kombinasi
Gambar. Skema Pembebanan Kombinasi
PEMBAHASAN
• Modal Analysis
Dari analisa yang telah dilakukan maka didapat frekuensi natural 3 mode awal system propulsi sistem adalah sebagai berikut :
No Deskripsi Nilai
1 Mode 1 43.87 Hz
2 Mode 2 82.12 Hz
3 Mode 3 91.11 Hz
• Harmonic Response - Pembebanan longitudinal
Gambar. Grafik Frekuensi-Deformasi
Gambar. Grafik Frekuensi-Tegangan
- Pembebanan Torsional
Gambar. Grafik Frekuensi-Deformasi
Gambar. Grafik Frekuensi-Tegangan -‐10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 50 100 150
Amplitudo Maksimum (mm)
Frekuensi (Hz)
-‐500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0 50 100 150
Von-‐Mises Stress (Mpa)
Frekuensi (Hz)
-‐100 0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150
Amplitudo Maksimum (mm)
Frekuensi (Hz)
-‐5000 0 5000 10000 15000 20000 25000
0 50 100 150
Von-‐Mises Stress (Mpa)
Frekuensi (Hz)
- Pembebanan Kombinasi
Gambar. Grafik Frekuensi-Deformasi
Gambar. Grafik Frekuensi-Tegangan
• Safety Factor
D.G Ullman nilai safety factor bisa dikategorikan dalam beberapa faktor.
Berikut adalah nilai safety factor menurut D.G Ulman :
Notasi Nilai Fs Material 1.1 Fs Stress 1.2 Fs Geometry 1.05 Fs Failure Theory 1.1 Fs Reliability 1.2
Fs Total 1.83
Material poros yang di gunakan adalah Stainless Stell 316 L, yang memiliki properties material sebagai berikut :
Properties Nilai
Density 7.99 g/cc
Tensile Strength, Ultimate 558 Mpa Tensile Strength, Yield 290 Mpa
Nilai safety factor di atas adalah nilai yang dijadikan acuan penulis dalam menganalisa kekuatan material poros propeller yang sedang dianalisa. Dari nilai safety factor tersebut, maka tegangan yang diijinkan pada poros berdasarkan persamaan
σ = Sy /Fs, mempunyai nilai sebesar
158.824 Mpa. Sedangkan pada kondisi ketika poros propeller beroperasi pada kecepatan maksimumnya, poros menglaami tegangan dengan nilai sebagai berikut :
Jenis
Pembebanan
Equivalent (von-Mises) Stress (Mpa)
Longitudinal 10.868 Torsional 151.5 Kombinasi 150.79
KESIMPULAN
1. Frekuensi natural yang di alami struktur poros propeller kapal pada tiga mode awalnya terjadi pada frekuensi 43.875 Hz, 82.12 Hz, dan 91.112 Hz.
2. Pada analisis harmonic response, kondisi poros akibat pembebanan longitudinal pada saat sistem beroperasi pada kecepatan maksimal mempunyai nilai deformasi sebesar 0.23741 mm dengan nilai tegangan sebesar 10.868 Mpa, sedangkan nilai deformasi dan tegangan terbesar pada range frekuensi 0-100 Hz terjadi pada frekuensi 91.112 (mode 3) dengan nilai deformasi sebesar 75.982 mm, dan nilai tegangan sebesar 3483.2 Mpa.
-‐100 0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150
Amplitudo Maksimum (mm)
Frekuensi (Hz)
-‐5000 0 5000 10000 15000 20000 25000
0 50 100 150
Von-‐Mises Stress (Mpa)
Frekuensi (Hz)
3. Pada analisis harmonic response, kondisi poros akibat pembebanan kombinasi pada saat sistem beroperasi pada kecepatan maksimal mempunyai nilai deformasi sebesar 3.5898 mm dengan nilai tegangan sebesar 151.5 Mpa, untuk nilai deformasi terbesar pada range frekuensi 0-100 Hz terjadi pada frekuensi 43.875 Hz (mode 1) dengan nilai deformasi sebesar 559.1 mm, sedangkan untuk nilai tegangan terbesar terjadi pada frekuensi 82.12 (Mode 2) dengan nilai 20282 Mpa.
4. Pada analisis harmonic response, kondisi poros akibat pembebanan kombinasi pada saat sistem beroperasi pada kecepatan maksimal mempunyai nilai deformasi sebesar 3.6055 mm dengan nilai tegangan sebesar 150.79 Mpa, untuk nilai deformasi terbesar pada range frekuensi 0-100 Hz terjadi pada frekuensi 43.875 Hz (mode 1) dengan nilai deformasi sebesar 560.25 mm, sedangkan untuk nilai tegangan terbesar terjadi pada frekuensi 82.12 (Mode 2) dengan nilai 20158 Mpa.
5. Dari hasil analisa yang di dapat menunjukan bahwa eksitasi yang di timbulkan pembebanan kombinasi menghasilkan nilai deformasi dan tegangan yang paling besar di bandingkan dengan pembebanan yang di lakukan secara terpisah dalam arah longitudinal dan torsionalnya. Oleh karena itu, dapat di simpulkan bahwa analisa getaran pada poros propeller kapal, pembebanan yang di terima poros tidak dapat di pisahkan antara pembebanan dalam arah longitudinal dan torsionalnya, karena pada dasarnya pembebanan dalam arah longitudinal berupa gaya dorong timbul akibat pembebanan torsionalnya berupa momen torsi yang di ttansmisikan poros dari mesin utama ke propeller kapal.
6. Nilai safety factor menurut D.G Ullman pada kasus ini mempunyai nilai 1.83, sehingga tegangan yang diizinkan pada poros mempunyai nilai sebesar 158.824 Mpa. Pada kondisi operasi poros, nilai tegangan maksimum yang dialami adalah sebesar 150.79 Mpa, sehingga dapat disimpulkan bahwa tegangan yang dialami poros masih dalam kondisi aman.
DAFTAR PUSTAKA
Thomson, W.T. (1986). Teori Getaran dengan Penerapan. Penerjemah, Leo Prasetyo, Erlangga, Jakarta.
Rao, S.S. (2004). Mechanical Vibratons 5th Edition, Iternational Editon, Prentice Hall inc, USA.
Childs, P.R.N (2004). Mechanical Design 2nd Edition, Elsevier LTD, UK.
Harvald, Sv. Aa. (1992). Tahanan dan Propulsi Kapal. Penerjemah, Ir. Jusuf Sutomo, M.Sc, Erlangga University Press, Surabaya.
Lekatompessy, D.R. Pengaruh Inersia Couple pada Propeller Terhadap Getaran Sistem Propulsi Kapal. Institut Teknologi 10 Nopember, Surabaya.
Lech, M. Some Aspects of Tosional Vibration Analysis Methods of Marine Power Transmission System. Gdansk University of Technology, Poland.
Handayanu. Metode Elemen Hingga. Institut Teknologi 10 Nopember, Surabaya.
Ansys Theory Reference 11th (1999). SAS IP, Inc, USA.
Ansys Mechanical APDL Structural Analysis Guide (2012). SAS IP, Inc, USA.
Ullman, D. G.(1986)’Mechanical Design Failure Analysis’ Marcel Dekker, New York.
